楊孝天，馬 冉，高 飛

（西藏大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西藏拉薩 850000）

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了新一輪的教育變革，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐漸擴大，區(qū)塊鏈和高等教育耦合已成為不可阻礙的發(fā)展趨勢[1]。我國高等教育受經(jīng)濟發(fā)展的影響，呈現(xiàn)東西部發(fā)展不平衡的現(xiàn)象[2]，現(xiàn)存數(shù)字教育資源共享平臺存在數(shù)據(jù)丟失、公信力差、資源版權(quán)糾紛等問題。該文以《基于區(qū)塊鏈的高校優(yōu)質(zhì)教育資源平臺框架構(gòu)建》提出的建設(shè)一個基于“區(qū)塊鏈”技術(shù)的高效優(yōu)質(zhì)教育資源平臺[3]為指導(dǎo)，運用以太坊編寫與部署智能合約，保留傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模式，引入IPFS，結(jié)合區(qū)塊鏈設(shè)計實現(xiàn)了一種新的、低信任、低成本、高效的雙數(shù)據(jù)庫高校教育資源共享平臺，其中保留傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫面向企業(yè)，負責(zé)對平臺進行維護和數(shù)據(jù)處理；引入IPFS+區(qū)塊鏈[4-6]面向公眾，保障教育資源在上傳和共享過程中公開透明且高效存儲，摒棄兩類數(shù)據(jù)庫的缺點，結(jié)合兩類數(shù)據(jù)的優(yōu)點，最終形成了安全性高、費用低、傳輸速率高、存儲量大、擴展性強、易于維護和管理的新模式。

平臺考慮到用戶使用、用戶管理、平臺管理、資源管理等問題，設(shè)計了用戶登錄和游客登錄兩種模式，其中用戶登錄模式又細分為首頁、用戶管理、權(quán)限管理、資源管理、審核管理和發(fā)布管理六部分。實現(xiàn)對不同用戶不同角色權(quán)限的合理分配和管理、保障教育資源上傳和共享過程的公開透明、確保教育資源審核過程公正權(quán)威。

1 相關(guān)知識

區(qū)塊鏈：區(qū)塊鏈由中本聰提出，起源于比特幣[7]，是一個點對點網(wǎng)絡(luò)，不受中心化機構(gòu)的影響，節(jié)點間可以相互信任，對等網(wǎng)絡(luò)中的組織和個人可以直接協(xié)同合作，可以在沒有中心化機構(gòu)的情況下進行全球協(xié)作。區(qū)塊鏈既是一個網(wǎng)絡(luò)也是一個數(shù)據(jù)庫，由一連串的塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)以區(qū)塊的形式存儲，數(shù)據(jù)的上傳和更新直接記錄于區(qū)塊中，每個塊被加密并被賦予唯一標識符，形成區(qū)塊頭，每一個區(qū)塊頭包含版本號、上一節(jié)點信息、默克爾根、時間戳、工作量等信息。區(qū)塊鏈上所有節(jié)點都擁有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的副本，通過共識機制確保數(shù)據(jù)庫不被隨意更改，一但塊形成，塊中的數(shù)據(jù)將會永久存儲在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中，區(qū)塊鏈上所有節(jié)點共同工作、共同記賬，共同維護區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全。

Solidity 以太坊[8]：以太坊以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)，是可編程的，允許在以太坊虛擬機上編寫智能合約并執(zhí)行，通過編寫智能合約對數(shù)據(jù)進行寫入、處理，并與其他層進行對話，可以為不同的區(qū)塊鏈應(yīng)用提供服務(wù)，允許開發(fā)者在在以太坊虛擬機上部署自己的應(yīng)用。

IPFS：IPFS 又稱星際文件系統(tǒng)[9]，基于分布式存儲，融合區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，是未來構(gòu)建Web3.0重要技術(shù)的支撐之一。IPFS 以Hash 作為標識進行位置尋址，通過Hash 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通過驗證Hash來判別數(shù)據(jù)是否被更改，并且可以直接通過自己的計算機使用IPFS 訪問世界任何地區(qū)的共享文件，而不需通過第三方應(yīng)用上傳與共享數(shù)據(jù)。IPFS 相較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：IPFS 是分布式去中心化的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的上傳下載不需要經(jīng)過中心服務(wù)器；IPFS 采用分布式碎片化傳輸，可以有效提高上傳和下載速度；IPFS 具有成本低的特點，因為其特有的傳輸方式，可以節(jié)約60%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且采用哈希自動去重，降低存儲成本；IPFS 安全性高：具有透明性高和不可篡改的特點，可以有效地防止黑客攻擊；并且IPFS 具有可溯源的特點，文件上傳都會經(jīng)過碎片化，持有者可以通過碎片匹配程度確定數(shù)據(jù)版權(quán)屬于誰。

2 平臺設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下幾個功能：

1）實現(xiàn)平臺身份的認證：不同類型的用戶對應(yīng)不同角色，并賦予角色相應(yīng)的管理權(quán)限。

2）實現(xiàn)教育資源的上傳與共享：保障教育資源在上傳、共享過程中公開透明，教育資源版權(quán)可追溯。

3）實現(xiàn)教育資源的審核與管理：杜絕重復(fù)、低質(zhì)量教育資源的上傳，優(yōu)先推選優(yōu)質(zhì)資源。

在基于IPFS+區(qū)塊鏈雙數(shù)據(jù)庫高校教育資源共享平臺中，區(qū)塊鏈+IPFS 記錄、存儲與共享的教育資源，由傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護平臺運作，雙數(shù)據(jù)庫協(xié)同合作共同維護平臺運作。

針對以上需求可以將系統(tǒng)細分為用戶登錄、角色劃分、權(quán)限分配、資源管理、資源審核、發(fā)布管理六部分?？傮w系統(tǒng)框架如圖1 所示。通過企業(yè)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行篩選匹配，通過用戶列表生成當(dāng)前登錄用戶，登錄后通過角色劃分分配對應(yīng)角色，不同角色分配不同的權(quán)限，如果用戶擁有相應(yīng)權(quán)限可以通過權(quán)限列表實現(xiàn)對不同角色的權(quán)限授權(quán)。用戶成功登錄后便可對平臺資源進行管理。

圖1 總體系統(tǒng)框架圖

若用戶具備審核管理、資源管理、發(fā)布管理等相應(yīng)權(quán)限，便可以通過審核管理完成對上傳教育資源的審核，通過資源管理實現(xiàn)教育資源上傳至區(qū)塊鏈+IPFS 系統(tǒng)，通過發(fā)布管理實現(xiàn)教育資源的發(fā)布與共享。

資源管理模塊中實現(xiàn)教育資源上傳至區(qū)塊鏈+IPFS 系統(tǒng)，具體架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 IPFS+區(qū)塊鏈資源上傳架構(gòu)圖

1）用戶首先與區(qū)塊鏈和開發(fā)環(huán)境（前端、Fruffle、Ganache）建立連接。

2）用戶發(fā)送文件到前端，將文件暫存于網(wǎng)頁。

3）通過前端與IPFS交互，IPFS接收文件并存儲。

4）IPFS 接收文件后返回對應(yīng)的Hash 值到前端。

5）前端將返回的Hash 值添加到區(qū)塊鏈。

6）用戶通過IPFS 鏈接直接訪問對應(yīng)文件。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)通過引入?yún)^(qū)塊鏈+IPFS 技術(shù)能夠較好地解決教育資源在上傳和共享過程中存在數(shù)據(jù)存儲量大、傳輸速率慢、安全性低、數(shù)字資源確權(quán)難等問題，通過保留傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)整體化、提高數(shù)據(jù)共享性和可拓展性、實現(xiàn)企業(yè)對數(shù)據(jù)的集中控制和管理。該系統(tǒng)的具體實現(xiàn)可分為兩個主要部分：一是IPFS+區(qū)塊鏈的去中心化的應(yīng)用程序，負責(zé)教育資源的上傳與存儲；二是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，負責(zé)對平臺數(shù)據(jù)的維護與管理。

IPFS+區(qū)塊鏈去中心化應(yīng)用程序流程圖如圖3所示（截圖展示以文件上傳為例），具體流程如下：

圖3 IPFS+區(qū)塊鏈去中心化的應(yīng)用程序流程圖

1）連接Truffle[10]框架，編寫智能合約。

2）Truffle將智能合約寫入Ganache：通過Ganache構(gòu)建一個本地區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，將智能合約寫入本地區(qū)塊鏈Ganache，并生成對應(yīng)abi文件。

3）通過前端連接Metamask[11]，并導(dǎo)入測試賬戶。

4）運行Dapp：通過React 實現(xiàn)將資源上傳到網(wǎng)絡(luò)。

5）用戶通過React 將文件存儲于IPFS，實現(xiàn)資源上傳到IPFS。

6）IPFS 返回對應(yīng)Hash：資源上傳到IPFS 后會自動生成對應(yīng)的IPFS 鏈接。

7）React 將資源的Hash 值上傳到Ganache[12]。

8）用戶通過Metamask 與Ganache 的連接來確認部署。

9）通過Metamask確認后，將合約部署到區(qū)塊鏈。

10）將數(shù)據(jù)對應(yīng)的Hash 值進行備份。

11）企業(yè)整合備份數(shù)據(jù)，完成資源上傳與共享。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用：實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中信息的有效管理，完成信息的篩選、分類[13]。解決區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)庫成本高、速度低、可編輯性差、維護難的問題。從用戶使用情況將系統(tǒng)分為用戶登錄界面和游客登錄界面。從功能管理方面將用戶登錄界面分為首頁、用戶管理、權(quán)限管理、資源管理、審核管理和發(fā)布管理六大模塊，如圖4 所示。

圖4 高校教育資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，用戶管理包含用戶列表模塊，實現(xiàn)添加用戶、狀態(tài)管理、刪除和重新編輯等操作；權(quán)限管理模塊分為角色列表和權(quán)限列表，角色列表負責(zé)對不同角色賦予不同的權(quán)限，權(quán)限列表則分別對系統(tǒng)所有模塊進行權(quán)限設(shè)置（刪除、置頂）；資源管理模塊分為撰寫、草稿箱和資源分類三個模塊，其中前兩個模塊完成資源上傳于IPFS 和區(qū)塊鏈，并將返回的Hash 值備份于企業(yè)數(shù)據(jù)庫；審核管理模塊分為審核和審核列表兩個模塊，審核模塊負責(zé)審核所有提交發(fā)布的資源，具有審核權(quán)限的人員可以完成資源的審核，執(zhí)行通過與駁回操作。審核列表羅列登錄用戶所發(fā)資源信息、資源審核狀態(tài)及繼續(xù)執(zhí)行操作是發(fā)表還是撤回；發(fā)布管理模塊記錄已審核數(shù)據(jù)、未審核數(shù)據(jù)和被拒的審核數(shù)據(jù)。

資源管理、審核管理和發(fā)布管理處理邏輯流程如圖5 所示。首先作者進行撰寫和教育資源上傳，資源上傳成功后可以選擇進行發(fā)布或保存至草稿箱繼續(xù)撰寫與完善；提交發(fā)布后資源會被上傳到審核列表，交由具有審核權(quán)限的人員進行審核，審核通過后進入待發(fā)布列表，由作者本人確定是否繼續(xù)發(fā)布；作者確定發(fā)布，資源將在平臺成功發(fā)布，并保存在已發(fā)布模塊，保存至已發(fā)布列表，反之則仍保存在待發(fā)布列表；如過審核失敗，資源則會退回至作者草稿箱；受時間或質(zhì)量等相關(guān)因素的影響，具有相應(yīng)權(quán)限的管理員可以選擇對資源進行下線操作，將文章從平臺界面撤下。

圖5 資源管理、審核管理和發(fā)布管理處理邏輯流程圖

3 實驗結(jié)果與實驗分析

3.1 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果部分截圖如下：

1）登錄界面，用戶可以通過用戶名和密碼進行在平臺登錄截圖如圖6 所示。

2）首頁布局截圖如圖7 所示。通過側(cè)邊欄完成模塊的選擇，主頁統(tǒng)計用戶瀏覽量最高和用戶點贊量前六高的文件、連接以太坊錢包界面、顯示賬號登錄等模塊。

圖7 首頁布局截圖

3）資源管理模塊實現(xiàn)資源上傳區(qū)塊鏈+IPFS 數(shù)據(jù)庫如圖8 所示，展示成功上傳并返回IPFS 鏈接的截圖。

圖8 教育資源上傳至區(qū)塊鏈成功截圖

4）審核模塊處理截圖如圖9 所示?？梢赃x擇對上傳的教育資源執(zhí)行通過與駁回操作。

圖9 審核模塊截圖

5）游客登錄模塊，游客可以直接通過平臺進行資源的瀏覽，游客模塊截圖如圖10 所示。

圖10 游客模塊截圖

3.2 實驗分析

相較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，IPFS+區(qū)塊鏈模式在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保護方面性能更好，可以確保數(shù)據(jù)安全高效傳輸、存儲、共享。表1 是針對IPFS+區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)對比。

表1 IPFS+區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)對照表

結(jié)合IPFS+區(qū)塊鏈，保留傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的雙數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既保留了IPFS+區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)傳輸模型優(yōu)點，又能更好地維護企業(yè)對平臺的管理，如表2 所示。對比三類不同的數(shù)據(jù)庫模型，可以直觀地得出雙數(shù)據(jù)庫在經(jīng)濟、維護管理、拓展、安全性、存儲和速率綜合方面優(yōu)于其他兩種模式。

表2 雙數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和IPFS+區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫對照表

4 結(jié)論

IPFS 是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展驅(qū)動，是一個可以重塑社會和經(jīng)濟的工具，它將會帶人們進入一個更加去中心化的時代。IPFS 結(jié)合區(qū)塊鏈可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸與存儲，進而加快區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)落地，是未來發(fā)展的新趨勢。但是單獨使用IPFS+區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)庫對企業(yè)和開發(fā)者而言存在數(shù)據(jù)組合分析難、不易于維護與管理等問題。該方案保留傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，引入IPFS+區(qū)塊鏈雙數(shù)據(jù)庫模式,通過實驗與分析得出，雙數(shù)據(jù)庫模式既可以有效解決區(qū)塊鏈的存儲量速率低、大規(guī)模存放數(shù)據(jù)的問題，也便于企業(yè)對數(shù)據(jù)的檢索組合及對平臺的維護與管理。該系統(tǒng)結(jié)合區(qū)塊鏈和IPFS 特性既可以做到解決數(shù)據(jù)上傳與共享時數(shù)據(jù)透明、安全、去中心化、也可以有效解決大規(guī)模數(shù)據(jù)上鏈問題，同時也便于企業(yè)對平臺的維護與管理，是一種新的、低信任、低成本、高效的高校資源共享模式。針對目前IPFS 和區(qū)塊鏈的發(fā)展，該文為區(qū)塊鏈+教育[14-16]落地提供一種新思路，也為向完全去中心化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了一個過渡。