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基于联盟链的教育数据存储共享模型研究

吕建富彭楚风

摘要：随着“互联网+教育”模式的持续推进以及教育信息化2.0行动计划的颁布，教育系统内各类应用汇聚了海量教育数据，教育数据资源的安全存储以及开放共享对实现教育现代化具有重要意义。区块链的分布式容错、难以篡改等技术特性可以有效解决教育数据资源存储共享中面临的技术难题。基于此，本文介绍了区块链技术以及目前教育数据存储共享管理中存在的主要问题，并针对这些问题提出一种基于联盟链的教育数据存储共享方案。

中图分类号：G434?文献标识码：A?论文编号：1674-2117（2021）06-0076-04

●相关技术背景

1.区块链技术

①区块链概念。区块链是中本聪在《比特币：一种点对点的电子现金系统》[1]一文中提出的。作为比特币的核心技术，区块链技术并非作为一种新型的计算机技术出现的，而是分布式存储、P2P网络、加密算法等多种计算机技术的一种融合应用模式。区块链作为比特币的底层技术，利用数据块来存储特定时间段内的交易数据信息，并按时间顺序将一个个的数据块以链条的形式链接起来，如图1所示。每个数据块由区块头和区块体两部分构成。区块头中存储着时间戳、Merkle根节点等信息，并通过父哈希值链接到上一区块;区块体主要负责存储所有的数据信息。

②区块链特点。区块链以其去信任、去中心化、数据防篡改以及数据可追溯的特点迅速引起各行各业的关注，各行各业可利用其技术特点解决行业难题，促进行业发展创新。

③区块链分类。根据网络范围和管理权限，区块链演化出三种应用模式，分别是公有链、联盟链、私有链[2]，不同应用模式之间的区别如下表所示。公有链是完全开放的;私有链通常为私人或者私人机构所建立，不对外开放;联盟链是介于两者之间的一种特殊架构，既一定程度上保证了去中心化的特点，又便于监管。

④应用场景。区块链技术是具有普适性的底层技术框架，可以为金融、经济、科技甚至政治等各领域带来深刻变革。[2]区块链技术最早被金融领域所关注，由全球银行巨头发起组建的R3联盟，致力于发展区块链技术;在科技领域，为了推动区块链技术在多行业的应用，IBM联合Linux基金会开发了一个区块链开源项目超级账本（Hyperledger）[3];在能源领域，国内外企业已经启动相关能源区块链项目，文献[4]提出将区块链技术应用于电网电力交易市场、智能电网数据安全存储管理等方面;在食品安全领域，文献[5]提出将区块链技术融入食品溯源中，以此来提供安全、透明的食品溯源系统;在医疗健康领域，文献[6]提出了基于区块链的医疗记录安全存储方案;在教育领域，文献[7]介绍了区块链在教育领域的应用前景以及现实挑战。

2.教育数据资源

●基于联盟链的教育大数据管理架构

教育系统数据种类多、体量大，数据源分布广泛，使用传统的存储管理方式效率低下且安全性较低，会影响到职能部门对数据价值的挖掘。区块链技术在教育领域的探索还处于摸索阶段，但该技术的出现从技术角度为破解教育数据共享难题提供了一条崭新的思路。

1.基于联盟链的教育数据存储共享模型

根据教育数据的安全存储共享需求，本文设计了一种基于联盟链的教育数据的安全存储共享模型，如下页图2所示。该模型采用联盟链的架构，利用PBFT共识算法进行区块共识，并结合分布式存储实现教育数据资源的存储共享。

①分布式数据库。区块链中的区块容量有限，难以实现海量数据的存储，因此，可采用分布式数据库+区块链的方案，将数据资源利用加密算法存储到分布式数据库中，区块链中存储数据摘要、数据索引等安全性较高的重要数据。

②联盟链。采用联盟链的应用模式构建管理教育数据的区块链可以保证教育数据开放共享的安全性。联盟链是一种多中心的区块链架构，可以由教育行政部门制定准入规则，参与教育数据的存储共享。

②数据存储参与者。经过管理节点审核的用户都可以加入到联盟链网络中获取存储和访问数据的权限。

2.教育数据的存储与共享

根据上文提出的数据存储与共享模型分别介绍数据的安全存储以及数据的开放共享过程，联盟链的区块共识过程利用PBFT算法。

①数据的安全存储。

Step1数据拥有者发出上传请求。

Step2轮值监督节点对上传节点的公钥进行验证，确认其上传权限。

Step3如公式（1）所示，数据拥有者（Owner）利用哈希算法计算得出数据摘要，然后将摘要值利用自己的私钥加密得出数字签名）。

Owner：

最后，如公式（2）利用轮值监督节点j的公钥加密数据得到密文数据。

Step4轮值监督节点将数据摘要以及签名后的数据摘要上传至联盟链中，将加密数据上传至分布式数据库中。

Step5设定数据量阈值，当数据量达到设定阈值后轮值监督节点打包数据记录并计算出Merkle根节点的值，然后將Merkle根节点的值连同自己的公钥放在区块头中，最后将完整区块