(1.廣州大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 廣東 廣州 510006; 2.華南理工大學(xué) 工商管理學(xué)院, 廣東 廣州 510641; 3.廣州大學(xué) 計算機科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)
學(xué)歷學(xué)位證書是獲得者學(xué)習(xí)經(jīng)歷和水平能力的有效證明,是用人單位挑選人才的重要依據(jù).目前,教育部把學(xué)信網(wǎng)作為中國高等教育學(xué)歷學(xué)位證書網(wǎng)上查詢認證指定的唯一中心化網(wǎng)站,但是由于網(wǎng)絡(luò)防偽技術(shù)的不完善,學(xué)歷學(xué)位資料收集不齊全,社會對公章認同度高等原因,導(dǎo)致中心化認證流程復(fù)雜、耗費時間長、效率低下、成本增加等問題,不能滿足畢業(yè)生和用人單位快捷、公正、準確的核實學(xué)歷學(xué)位信息的需求[1].為此,2016年工信部發(fā)布了《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書》[2],指出:“區(qū)塊鏈系統(tǒng)的透明化、數(shù)據(jù)不可篡改等特征,完全適用于學(xué)生征信管理、升學(xué)就業(yè)、學(xué)術(shù)、資質(zhì)證明等方面,對教育就業(yè)的健康發(fā)展具有重要的價值.”2018年4月,教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》[3],明確“區(qū)塊鏈技術(shù)的迅猛發(fā)展,將深刻改變?nèi)瞬判枨蠛徒逃螒B(tài)”.在高等教育階段,由高等教育機構(gòu)頒發(fā)的證書,特別是資格和業(yè)績記錄,使用區(qū)塊鏈技術(shù)永久可靠的獲得,存儲和驗證整個學(xué)習(xí)過程中正式和非正式成績的完整記錄,用戶能夠直接根據(jù)區(qū)塊鏈自動驗證證書的有效性,這將實現(xiàn)去中介機構(gòu),大大減少中心化機構(gòu)驗證證書的必要性.本文將基于國內(nèi)高校學(xué)歷學(xué)位管理模式,提出基于聯(lián)盟鏈的學(xué)歷學(xué)位證書認證平臺,提供一種可信、有效、開放的解決方案.
中國目前區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域還在初期探索階段,但在國外已有較多應(yīng)用案例.2017年年底,歐盟出版機構(gòu)率先發(fā)布了一份長達130余頁的《區(qū)塊鏈的教育應(yīng)用》白皮書,該白皮書中提到區(qū)塊鏈技術(shù)在正式和非正式學(xué)習(xí)認證中的應(yīng)用,探索性研究了去中心化賬本,特別是基于區(qū)塊鏈的分類賬本可能給教育部門利益相關(guān)者帶來的價值,關(guān)注其對個人學(xué)習(xí)和高等教育數(shù)字認證的潛力[4].2016年,麻省理工大學(xué)(MIT)發(fā)布了區(qū)塊鏈證書項目BlockCerts[5],設(shè)計了一個基于比特幣區(qū)塊鏈的數(shù)字學(xué)術(shù)證書認證系統(tǒng).系統(tǒng)分為發(fā)布者(Issuer)、查看者(Viewer)、模式(Schema)三個模塊,數(shù)字文憑發(fā)行者簽署證書并將哈希值存儲在比特幣分類帳中.從項目實施效果看,BlockCerts解決了數(shù)字證書的完整性,但由于比特幣系統(tǒng)采用的是工作量證明機制(POW),雖然安全性較髙,但是共識周期長、算力耗費巨大,并且在區(qū)塊鏈注冊時存在延遲,導(dǎo)致系統(tǒng)效率低.
其他國家政府的區(qū)塊鏈學(xué)歷學(xué)位證書認證應(yīng)用包括:肯尼亞政府與IBM嘗試合作建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)歷證書網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與管理平臺,力圖實現(xiàn)學(xué)歷證書的透明生產(chǎn)、傳遞和查驗[6];希臘國家教育網(wǎng)絡(luò)(GRNET)將文憑的哈希存儲在區(qū)塊鏈中,以保護學(xué)生的數(shù)據(jù)[7].通過驗證Cardano區(qū)塊鏈上的學(xué)生文憑,減少手工驗證過程和假文憑的情況;倫敦大學(xué)與Gradbase合作,利用比特幣區(qū)塊鏈驗證文憑真?zhèn)?,打擊簡歷造假行為[8].這些案例都是使用公有鏈進行設(shè)計和構(gòu)建,存在加密和解密效率低的問題,而且隨著數(shù)字證書在分布式總賬中存儲空間增大會導(dǎo)致效率問題更加嚴重.
綜合國外已有的學(xué)歷學(xué)位證書認證研究與應(yīng)用,區(qū)塊鏈技術(shù)已為畢業(yè)生、用人單位和學(xué)校提供了證書獲取、分享和認證的一站式服務(wù),這對我國現(xiàn)有集中認證模式反思、去中介化平臺構(gòu)建與運營提供了實踐經(jīng)驗.基于國外應(yīng)用經(jīng)驗存在的問題,分析現(xiàn)有區(qū)塊鏈架構(gòu)特征,選取適合我國的學(xué)歷學(xué)位證書認證的技術(shù)架構(gòu),通過改進計算能力和存儲方式來提高認證效率.
根據(jù)組成節(jié)點的類型,區(qū)塊鏈可分為三種類型[9],而這三種類型所覆蓋的范圍也是不同的.
(1)公有鏈(public blockchains)
公有鏈的優(yōu)勢是開放性好,節(jié)點分別屬于眾多不同的組織和個人,理論上任何計算機設(shè)備都可以自由加入系統(tǒng),都可讀取、發(fā)送交易進行有效性確認,都能參與其共識過程的區(qū)塊鏈,共同維護公共區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全、透明、不可篡改.比特幣系統(tǒng)[10]、以太坊[11]等最著名的區(qū)塊鏈系統(tǒng)均為公有鏈.
(2)私有鏈(private blockchains)
私有鏈的優(yōu)勢是安全、隱私性質(zhì)較好,所有節(jié)點屬于同一個組織,只有獲得管理員批準的計算設(shè)備才可以加入系統(tǒng),數(shù)據(jù)的訪問及使用有嚴格的權(quán)限管理,寫入權(quán)限僅在參與者手中,讀取權(quán)限可以對外開放.目前我國各大銀行內(nèi)部運行的區(qū)塊鏈系統(tǒng)大多屬于私有鏈.
(3)聯(lián)盟鏈(consortium blockchains)
節(jié)點屬于有緊密聯(lián)系的若干組織或個人,參與區(qū)塊鏈節(jié)點是事先選擇好的,節(jié)點間通常有良好的網(wǎng)絡(luò)連接等合作關(guān)系.聯(lián)盟鏈是介于公有鏈與私有鏈之間,由一組管理員來共同協(xié)調(diào)管理.聯(lián)盟鏈是開放性與安全隱私的折中,目前我國金融界的跨企業(yè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)大多屬于聯(lián)盟鏈.
本文中,筆者將基于Hyperledger Fabric構(gòu)建學(xué)歷學(xué)位證書認證系統(tǒng).Hyperledger Fabric[12]是由IBM帶頭發(fā)起的一個聯(lián)盟鏈項目,于 2015 年底移交給 Linux 基金會,是基金會中最成熟的技術(shù)項目之一.Hyperledger的結(jié)構(gòu)可分為會員服務(wù)、應(yīng)用程序、節(jié)點、鏈代碼、訂購服務(wù).Fabric支持模塊化共識協(xié)議,允許系統(tǒng)根據(jù)特定用例和信任模型進行定制.Fabric用于許可區(qū)塊鏈的分布式操作系統(tǒng),其執(zhí)行以通用的編程語言(例如go,java,node.js)編寫的分布式應(yīng)用程序.它在僅附加復(fù)制的分類賬數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中安全跟蹤其執(zhí)行歷史記錄,并且沒有內(nèi)置的加密貨幣.應(yīng)用程序通過Hyperledger SDK與Hyperledger網(wǎng)絡(luò)通信.Fabric使用便攜式會員概念實現(xiàn)許可模型,該概念可以與行業(yè)標準身份管理集成.成員服務(wù)向已識別的參與者頒發(fā)證書,包括僅允許已識別參與者參與的證書頒發(fā)機構(gòu)(CA)功能,并使用證書驗證其身份.目前,F(xiàn)abric已用于400多個原型,概念驗證、生產(chǎn)分布式系統(tǒng),實現(xiàn)了跨不同行業(yè)的項目.這些項目展示了區(qū)塊鏈技術(shù)的廣泛應(yīng)用,同時Fabric為區(qū)塊鏈開發(fā)提供了透明和協(xié)作的方法.
本文設(shè)計的教育鏈與國外現(xiàn)有商業(yè)化的區(qū)塊鏈有著明顯的區(qū)別,由于區(qū)塊鏈技術(shù)在框架設(shè)計中遵守的是去中心、無監(jiān)管的原則,這種構(gòu)建方法不適用于中國教育管理體制.因此在設(shè)計教育鏈時,筆者建議從去中心化轉(zhuǎn)化為去中介化,主要解決信息的持久保存、管理、共享問題.同時,保證各級管理機構(gòu)可穿透式監(jiān)管,不失教育鏈的公信力.進而,筆者從八方面對本文設(shè)計的教育鏈與國外現(xiàn)有方法進行了對比,見表1.
國內(nèi)教育鏈的設(shè)計是希望從模式上和技術(shù)上進行創(chuàng)新,實現(xiàn)從信息互聯(lián)向價值互聯(lián)轉(zhuǎn)換.從現(xiàn)有集中式管理體系向基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式、共識機制的管理,力求實現(xiàn)信息防偽和數(shù)據(jù)控制.區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用,是一個全新的格局,但在設(shè)計教育鏈時仍應(yīng)尊重現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)使用場景和數(shù)據(jù)治理規(guī)則,采取逐步改良升級的方式來實現(xiàn)基于中國教育管理體制的教育鏈.
基于中國學(xué)歷學(xué)位證書管理模式、學(xué)歷學(xué)位證書認證存在的問題,必須以改革的思路和創(chuàng)新的舉措,實現(xiàn)從集中式認證向分布式、共識性機制認證建設(shè)轉(zhuǎn)變,建設(shè)以服務(wù)驅(qū)動教育經(jīng)歷認證創(chuàng)新的新模式,推進資源整合和深度開發(fā),構(gòu)建信息防、數(shù)據(jù)可控的學(xué)歷學(xué)位證書認證平臺.結(jié)合Hyperledger Fabric技術(shù)實現(xiàn)學(xué)歷學(xué)位證書認證架構(gòu),系統(tǒng)整合的架構(gòu)如圖1所示.
表1 本文設(shè)計的教育鏈與BlockCerts區(qū)塊鏈的對比
基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位認證平臺架構(gòu),分為四層.
圖1 基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位認證平臺架構(gòu)Fig.1 Academic degree certificate architecture platform based on Hyperledger Fabric
(1)業(yè)務(wù)系統(tǒng)層
包括國內(nèi)各高等院?;虻貐^(qū)所屬部門自建的相關(guān)信息系統(tǒng)和教育部直管系統(tǒng).國內(nèi)各高等院?;径家呀⒔虅?wù)管理系統(tǒng),沉淀了大量的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù),如學(xué)生學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)、學(xué)生的成績數(shù)據(jù)等,其中部分是敏感、涉密數(shù)據(jù),部分是可以公開、可以重復(fù)利用的數(shù)據(jù).依據(jù)數(shù)據(jù)治理的標準體系進行梳理,教育部只管系統(tǒng),以學(xué)信網(wǎng)為基礎(chǔ),建立數(shù)據(jù)管道,實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)的“上鏈”.另一部分是各高等院校自主建設(shè)的系統(tǒng),規(guī)范每個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),通過密碼學(xué)和算法確保多方信任,確保數(shù)據(jù)是可公開、可使用的,然后進行“上鏈”.
(2)區(qū)塊層
本平臺架構(gòu)中區(qū)塊層采用Hyperledger Fabric架構(gòu),應(yīng)用程序通過鏈代碼將數(shù)據(jù)存儲或讀取到區(qū)塊鏈中.如果應(yīng)用程序發(fā)送一個申請來調(diào)用鏈代碼,代言人將驗證申請是否正確,鏈代碼是否正常工作.當(dāng)結(jié)果返回給應(yīng)用程序時,用戶將事務(wù)提交給訂購服務(wù),并發(fā)送給提交者同行.Hyperledger Fabric不僅存儲分布式分類帳,還存儲名為World State DB的鍵/值DB中的最終狀態(tài).
(3)服務(wù)層
平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用訪問區(qū)塊鏈節(jié)點主要分為四類用戶角色:①教育管理部門,負責(zé)平臺開發(fā)和運營維護,負責(zé)平臺會員管理和在線服務(wù);②高等學(xué)校,負責(zé)相關(guān)信息登記;③畢業(yè)生,可查詢個人信息,可授權(quán)用人單位查看本人鏈上信息;④用人單位,得到授權(quán)后可查看畢業(yè)生信息.其中,教育管理部門、高等學(xué)校、畢業(yè)生作為區(qū)塊鏈驗證節(jié)點,具有記賬、讀寫功能,用人單位作為區(qū)塊鏈非驗證節(jié)點,不具有記賬、讀寫功能.
Hyperledger網(wǎng)絡(luò)由學(xué)校組成.每個peer管理World State DB和Distributed Ledger,以及Orderer一致性,以便Committer peer將最終狀態(tài)存儲在Distributed Ledger和World State DB中.World State DB使用CouchDB并存儲鍵/值.CouchDB_Key_Value:=h(學(xué)校|部門|學(xué)生姓名|身份證號|畢業(yè)年份|學(xué)位).其中h是加密安全的單向散列函數(shù),文檔二進制文件. 其值也存儲在分布式分類帳中,使其不可更改.
各環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)進行梳理,接入?yún)^(qū)塊鏈節(jié)點,架構(gòu)中所有信息存儲在分布式總帳中的個人信息文件被加密,存儲在應(yīng)用程序DB中,并且文件的哈希值存儲在分布式總帳中.
(4)應(yīng)用層
基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位證書認證平臺,實現(xiàn)了去中心化的數(shù)據(jù)匯聚,在此基礎(chǔ)上進行教育經(jīng)歷認證的創(chuàng)新研究.以區(qū)塊鏈技術(shù)平臺為支撐,弱化學(xué)信網(wǎng)的縱向中心化管理,建立橫向聯(lián)動的工作機制,學(xué)生正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的信息聯(lián)動和共享數(shù)據(jù)接口,建立個人教育經(jīng)歷模型,為每位畢業(yè)生建立信用檔案,確保數(shù)據(jù)不可篡改、歷史可追溯.這種去中心化的結(jié)構(gòu),減少了人工干預(yù)、降低了成本,同時中心化系統(tǒng)中存在的攻擊和故障問題也得到有效解決.
基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位證書認證實現(xiàn)流程如圖2所示,描述了數(shù)字身份的“上鏈”流程,基于區(qū)塊鏈頒發(fā)數(shù)字學(xué)歷學(xué)位證書,用人單位通過授權(quán)后即可查詢所需的學(xué)生信息和學(xué)歷學(xué)位證書信息.
圖2 基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位證書認證流程圖Fig.2 Academic degree certificate flow diagram based on Hyperledger Fabric
(1)注冊數(shù)字身份
①每個學(xué)校學(xué)籍管理系統(tǒng)都有學(xué)生信息(學(xué)校|部門|學(xué)生姓名|英文名稱|出生日期|電子郵件地址|畢業(yè)年份|學(xué)位|…).從數(shù)據(jù)庫中讀取學(xué)生信息,創(chuàng)建原始數(shù)字學(xué)歷學(xué)位證書數(shù)據(jù).
②把請求以JSON格式在Application Server的注冊應(yīng)用程序中注冊創(chuàng)建數(shù)字文件和學(xué)生信息.
③Application Server首先查找與School ID相對應(yīng)的公共證書,并驗證簽名是否正確.
④驗證簽名后,在區(qū)塊鏈上創(chuàng)建數(shù)字身份.通過Hyperledger SDK調(diào)用鏈代碼調(diào)用功能,調(diào)用的結(jié)果是向背書人同行提交交易提議.支持者節(jié)點檢查提議提交者的簽名、消息格式、策略等.
⑤生成隨機AES密鑰并使用它來加密生成的文件.
⑥將加密后的文件保存到文件服務(wù)器,并記錄File_path(哈希值).
⑦應(yīng)用程序在學(xué)生表中存儲primary_key |學(xué)校|學(xué)生姓名|姓名|出生日期|電子郵件地址|畢業(yè)年|度| AES-Key | File_path(哈希值).
(2)頒發(fā)學(xué)歷學(xué)位證書
①當(dāng)學(xué)生要求學(xué)校簽發(fā)時,學(xué)校會顯示登錄屏幕.如果學(xué)生成功登錄,學(xué)生將被重定向到區(qū)塊鏈認證平臺的登錄界面,其中包含學(xué)生姓名、出生日期信息和應(yīng)用程序的注冊應(yīng)用程序.
②學(xué)生選擇學(xué)歷學(xué)位和畢業(yè)年份并要求發(fā)布.
③認證平臺發(fā)布數(shù)字證書信息包括學(xué)校|學(xué)生姓名|身份證|畢業(yè)年份|學(xué)位信息和File_path(哈希值).
④認證平臺隨機生成OTP并將生成的OTP_Value和student_table的primary_key記錄在OTP表中.
⑤應(yīng)用程序?qū)?shù)字學(xué)歷學(xué)位證書和動態(tài)口令發(fā)布給學(xué)生.
⑥學(xué)生下載數(shù)字文件并將文件授權(quán)給用人單位.
(3) 學(xué)歷學(xué)位證書驗證
①用人單位訪問區(qū)塊鏈認證平臺,驗證應(yīng)用程序并提交數(shù)字證書文件.
②調(diào)用智能合約使用獲取存儲的哈希值,并將需驗證的數(shù)字證書哈希結(jié)果進行比較.
③如果兩個哈希值相同,則通過應(yīng)用程序顯示驗證結(jié)果正確,并在線查看數(shù)字證書.
④用人單位確認學(xué)歷學(xué)位證書的真實性.
通過以上流程實現(xiàn)了學(xué)歷學(xué)位證書的“上鏈”,基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)的學(xué)歷學(xué)位證書認證主要創(chuàng)新包括以下三個方面.
(1)區(qū)塊鏈平臺實現(xiàn)可信的數(shù)據(jù)認證
區(qū)塊鏈技術(shù)的最大價值在于數(shù)據(jù)的不可篡改和可驗證性,基于數(shù)據(jù)信任建立起數(shù)據(jù)認證平臺,進而建立起基于信任數(shù)據(jù)的個人教育經(jīng)歷模型,從而破局學(xué)歷造假、偽造證書的現(xiàn)象.
平臺通過教育部管理各高校節(jié)點,以及對高校學(xué)籍管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、在校表現(xiàn)管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動,實現(xiàn)高效協(xié)作的教育學(xué)習(xí)經(jīng)歷認證,實現(xiàn)互聯(lián)互通、監(jiān)管全覆蓋,促進教育數(shù)據(jù)工作公開、標準、規(guī)范化運行,并以高效協(xié)作的方式將學(xué)歷學(xué)位認證服務(wù)帶入到一個全新的階段.
(2)去中介化,共享教育認證服務(wù)效率提升
隨著傳統(tǒng)的集中認證管理模式的成熟運行,收費認證的方式逐漸暴露出了不少弊端,高收費、亂收費現(xiàn)象存在于各地的認證機構(gòu)之中.去中介化的區(qū)塊鏈平臺能提供低成本的共享教育認證,簡化跨機構(gòu)的審批流程,提高工作效率.
將學(xué)歷學(xué)位證書控制權(quán)從中介化管理移交給個人,以個人主體為對象,圍繞數(shù)據(jù)、管理、安全三個維度,構(gòu)建個人主體教育經(jīng)歷相關(guān)數(shù)據(jù)及其關(guān)系的數(shù)據(jù)集合.在此基礎(chǔ)上,個人授權(quán)可訪問區(qū)塊鏈中可信的個人教學(xué)經(jīng)歷,以此實現(xiàn)教育認證服務(wù)效率提升,轉(zhuǎn)變認證模式,變流程審批為信任審批,變被動服務(wù)為主動服務(wù).
(3)構(gòu)建安全的教育認證新生態(tài)
基于區(qū)塊鏈的學(xué)歷學(xué)位證書認證平臺,通過使用區(qū)塊鏈的無篡改特性來驗證數(shù)字證書的完整性和真實性.不是將原始數(shù)字證書存儲在分布式分類賬中,而是將數(shù)字證書的哈希值存儲在分布式分類帳中,從而保護個人信息并節(jié)省分布式分類帳的存儲空間.因此,惡意節(jié)點(對等體)參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),即使檢查分布式分類帳也無法獲取個人信息.
將數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,使用相關(guān)的數(shù)字簽名技術(shù),從而降低信任成本,更好地規(guī)范數(shù)據(jù)管理.通過平臺的打造,以期整合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)安全解決方案和區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢,構(gòu)建安全的教育認證新生態(tài).
本文針對傳統(tǒng)學(xué)歷學(xué)位證書認證管理中存在的數(shù)據(jù)共享程度低、認證流程長、認證機構(gòu)成本較高、認證收費高等痛點,結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢,提出了適合于國內(nèi)的基于Hyperledger Fabric的學(xué)歷學(xué)位證書認證創(chuàng)新設(shè)計,從頂層角度出發(fā),統(tǒng)籌建立聯(lián)盟鏈的教育經(jīng)歷認證平臺,各高校的相關(guān)信息系統(tǒng)通過抽取權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)“上鏈”,打破原中心化管理模式,分析了基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立學(xué)歷學(xué)位認證的架構(gòu)和實現(xiàn)流程,解決數(shù)據(jù)的可信問題,提高數(shù)據(jù)的使用效率,保證數(shù)據(jù)安全,實現(xiàn)國內(nèi)學(xué)習(xí)教育經(jīng)歷認證模式創(chuàng)新和應(yīng)用.下一步,將選擇部分高校開展學(xué)歷學(xué)位證書認證應(yīng)用的實施,充分驗證學(xué)歷學(xué)位證書認證效果,并根據(jù)運行的實際情況不斷進行技術(shù)更新和完善,伴隨著應(yīng)用成熟度的提高,區(qū)塊鏈技術(shù)將在教育領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用.