基于區塊鏈的教育資源共享框架探究*

劉豐源 趙建民 陳 昊 徐振國

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基于區塊鏈的教育資源共享框架探究*

劉豐源 趙建民[通訊作者]陳 昊 徐振國

（山東師范大學 教育學部，山東濟南 250014）

文章針對國內教育資源在共享過程中存在的資源產權亟需保護、資源質量不容樂觀、資源庫建設方式有待轉型等問題，采用區塊鏈的網絡拓撲結構，借鑒區塊鏈的共識驗證技術，設計了包含資源存儲層、資源評估層、資源互連層的教育資源共享框架。文章設計的基于區塊鏈的教育資源共享框架，既能保障資源供給方的知識產權，又能提升教育資源的質量，還能擴大教育資源的共享范圍，故可為教育資源共享的實現提供理論參考。

區塊鏈；教育資源共享；資源產權保護；網絡拓撲；共識驗證技術

一 問題的提出

當今，“以學生為中心”、“因材施教”、“個性化學習”的教育理念正不斷沖擊著傳統的教學方式，而教師根據學生的學習特征分配不同的學習任務、實施不同的教學策略，都離不開教育資源的支持（注：若無特別說明，本研究中的教育資源特指數字教育資源）。2010年，教育部頒布《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》，指出要“建設開放的教育資源公共服務平臺，促進教育資源的普及共享”[1]。盡管教育資源的普及共享已成為廣大師生的共同訴求，但從現有實踐來看，國內教育資源在共享過程中還存在不少問題，主要表現為：

1 資源產權亟需保護

資源供給方是資源的生產者，其分享意愿決定著資源內容的豐富程度。從現有實踐來看，生產資源耗費了資源供給方大量的時間和精力，因此資源供給方的資源分享意愿主要取決于其付出所得的回報獎勵和對資源本身的價值認同。

長期以來，如何保護資源產權一直是個棘手的難題，而在資源產權無法得到保護的情況下，資源供給方往往不愿分享。為此，共享創意組織（Creative Commons，CC）制定了知識共享協議，并提供了6種許可組合方式。然而，CC并未得到國際法律上的認可，一旦發生侵權糾紛，“舉證難”的問題依然存在[2]。數字版權管理（Digital Rights Management，DRM）同樣是一種保護資源產權的方式，采用加密技術保護資源的安全，未授權用戶無法獲取資源使用權，但DRM標準、設備兼容性等還有待完善，且無法避免盜版現象的發生[3]。

2 資源質量不容樂觀

資源的生產、流通、檢索和共享已成為凸顯其價值的有效路徑。為解決學習中存在的問題，資源需求方往往登錄資源服務平臺，利用檢索功能從數據庫中篩選出符合自身的資源。因此，資源質量顯得尤為重要，是資源需求方提升自身專業發展、滿足知識型社會對人才需求的前提。

目前，劣質資源在國內不斷涌現，使優質資源淹沒于茫茫大海之中。究其原因，主要在于：①諸多資源服務平臺沒有明確的質量審核機制，資源建設流程不夠規范[4]；②地理位置、經濟落差導致院校之間缺乏有效的互動交流并產生“信息孤島”，低水平重復建設造成資源質量參差不齊，可供資源需求方選擇資源內容的類型不足[5]；③資源評價主體過于單一，“重專家、輕大眾”的評審方式屢見不鮮，缺少校內外師生對教育資源的評價反饋[6]。

3 資源庫建設方式有待轉型

資源庫建設方式分為兩種：一種是以政府為主導的集中式建設，統一將資源從孕育腹地匯聚并存儲于中心數據庫，資源需求方通過免費或付費的共享機制獲取資源，共享主體范圍較廣；另一種是以學校為中心的獨立式建設，由院校成員組織運營，僅供校內師生共享，外部人員無法訪問[7]。

資源需求方對資源的需求越大，集中式資源庫的更新、管理、維護所耗費的資金成本就越高，而一旦資金鏈斷裂，資源的可持續發展便會遭受巨大的沖擊——猶他州立大學開放課件項目關閉的原因正是如此[8]。此外，資源需求方對資源平臺的并發訪問，也容易造成中心服務器出現超載、崩潰、網絡延遲等現象，致使資源需求方錯過獲取資源的最佳時間。獨立式教育資源庫雖然管理成本較低，但資源內容類型匱乏，且共享主體范圍較窄?；谏鲜龇治?，為了提升資源質量、促進資源大范圍地傳播共享，除政府統籌建設之外，院校之間亦可打造一個共建共享的資源共同體，以便在本地服務器發生故障時，可以跨區域、跨平臺訪問其它資源庫。

二 區塊鏈的網絡拓撲結構與共識驗證技術

2008年，Nakamoto[9]提出去中心化的數字貨幣，即比特幣。此后，區塊鏈作為比特幣的底層技術，引起了諸多研究者的關注。從本質上來講，區塊鏈是指結合加密技術，將數據封裝成區塊，通過鏈式結構使區塊互連，利用共識機制對事務的結果達成統一共識，營造一種分布式的基礎架構和去中心化的運行環境[10]。上述定義表明：區塊鏈的正常運行離不開網絡拓撲結構和共識驗證技術——這為本研究設計基于區塊鏈的教育資源共享框架提供了思路：選擇相應的網絡拓撲結構，可以降低數據庫之間的并發訪問風險，提升教育資源共享的利用率；通過共識驗證技術，可以達成教育資源的評價共識，進而優化教育資源的質量。

1 區塊鏈的網絡拓撲結構

“去中心化”是指在沒有中心服務器的協調下，節點之間可以互相通信；每個節點無主從之分，均有路由尋址、廣播等功能；節點的加入或離開，不會影響網絡的正常運行[11]。眾所周知，區塊鏈基于P2P實現去中心化的分布式管理，而P2P的網絡拓撲結構分為中心化拓撲（Centralized Topology，CT）、半分布式拓撲（Partially Decentralized Topology，PDT）、分布式非結構化拓撲（Decentralized Unstructured Topology，DUT）和分布式結構化拓撲（Decentralized Structured Topology，DHT）[12]。那么，區塊鏈究竟采用何種網絡拓撲結構？

CT類似于傳統客戶端/服務器通信模式，其網絡拓撲結構是中心化的，不符合區塊鏈去中心化的需求；PDT的路由查詢依賴于超級節點，若超級節點崩潰，整個網絡就會處于部分癱瘓的狀態，故區塊鏈也無法通過PDT實現去中心化；DUT采用泛洪算法實現節點定位，僅限于小部分的分布式網絡檢索，且擴展性較差，容易造成網絡風暴、消息重疊等問題，因此區塊鏈采用DUT尚不合適；在DHT中，所有節點共同維護一張巨大的散列表，適用于大規模分布式網絡，路由查詢速度精準，可靠性良好，符合區塊鏈的需求。教育資源的共享亦離不開網絡拓撲結構的支撐，故本研究設計基于區塊鏈的教育資源共享框架的資源互連層時也將采用DHT。

2 區塊鏈的共識驗證技術

在區塊鏈中，區塊的共識驗證涉及三種技術：默克爾樹、數字簽名和共識機制。其中，默克爾樹用來存儲數據，數字簽名保證區塊中數據的完整性驗證，共識機制是達成共識的算法。

（1）默克爾樹（Merkle Tree，MT）

區塊中部分數據以MT形式存儲，如比特幣交易信息。MT是存儲哈希值的特殊二叉樹，哈希值（也稱數字摘要）通過具有不可逆性的哈希算法（Hash Algorithm，HA）計算得出，而典型的HA有消息摘要算法（Message Digest 5，MD5）和安全散列算法（Secure Hash Algorithm，SHA）——其中，SHA已成為聯邦信息處理標準（Federal Information Processing Standards，FIPS）認證的算法，如比特幣使用SHA-256計算哈希值。MT由一個根節點、多組中間節點和一組葉子節點構成，這些節點依次迭代執行HA得出MT的根，所以，MT的根表示整個默克爾樹。從邏輯而言，MT是一種存儲數據的結構，當教育資源存儲于MT時，若想驗證區塊中的數據，就只需驗證MT的根，因此相較于其它存儲結構，MT的驗證效率更高。

（2）數字簽名（Digital Signature，DS）

DS類似于刻在紙上的印章標識，其實現基于非對稱加密（Asymmetric Encryption，AE）技術。AE算法雖有多種，但遵循的原理相同，即生成密鑰對——公鑰（Public Key，PK）和私鑰（Private Key，PrK），使用PK對數字摘要加密并產生密文，通過PrK對密文解密。公鑰加密算法（Rivest Shamir Adleman，RSA）是一種典型的AE，其密鑰對的生成基于歐拉定理和模反元素，故RSA很難被破譯。鑒于此，教育資源評價可以采用基于RSA的DS，以保證教育資源檢驗的完整性。

（3）共識機制（Consensus Mechanism，CM）

CM是按照一定的時間先后順序，對事務的處理結果達成共識。實際拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）是常用的共識算法，可容忍少數拜占庭節點。由于區塊鏈分為私有鏈、聯盟鏈和公有鏈三種，不同種類的區塊鏈使用的CM大相庭徑，而本研究設計的教育資源共享框架適用于區域教育資源共享，具有聯盟鏈的性質，所以選擇的是可容忍少數拜占庭節點的PBFT，以達成對教育資源的評價共識。

結合上述分析，教育資源共享框架可在以下方面借鑒區塊鏈的共識驗證技術：在資源存儲層，用默克爾樹存儲教育資源；通過數字簽名尤其是基于RSA的數字簽名，來保證用默克爾樹存儲的教育資源檢驗的完整性；借助共識機制尤其是PBFT，來達成對教育資源的評價共識。

三 基于區塊鏈的教育資源共享框架的設計

針對國內教育資源在共享過程中存在的問題，采用區塊鏈的網絡拓撲結構DHT，借鑒區塊鏈的共識驗證技術，本研究設計了基于區塊鏈的教育資源共享框架，如圖1所示。

1 資源存儲層

雖然區塊鏈中的區塊數據不可篡改，但區塊鏈自身存在安全漏洞，如比特幣明確規定只有掌控51%的節點才能有效篡改區塊數據，這就是其中的一個漏洞——2018年，比特幣黃金（Bitcoin Gold，BG）遭受非法攻擊，攻擊者控制了網絡中的大多數算力，非法收入1800余萬美元[13]。區塊之間的互連是由區塊中所有數據迭代執行HA得出。若修改區塊中的數據，就需計算出從當前區塊至最后一個區塊中所有首尾互連區塊的地址哈希值，由此可見，篡改數據會耗費龐大的算力——破壞區塊鏈所需的算力成本是每小時336美元到49萬美元[14]。當攻擊者的回報小于自身的付出時，斷然不會冒險篡改區塊中的數據。

圖1 基于區塊鏈的教育資源共享框架

基于上述分析，資源存儲層采取“區塊”+“鏈”存儲鏈接方式，以保護資源產權：資源供給方將教育資源封裝成區塊等待驗證（區塊中的基本數據如表1所示），隨后，系統將區塊鏈接到從創世區塊至前一個區塊的主鏈上，同時將區塊鏈中的數據備份至各個節點——每個節點擁有相同的“記賬簿”，均記錄著區塊鏈上的所有數據。區塊中包含時間戳、資源供給方等基本信息，這些信息明確了資源的歸屬權，一旦發生侵權糾紛，節點可以充當“證人”的角色。

表1 區塊中的基本數據

2 資源評估層

資源評估層采取去除“中心化”的評估方式，形成院校、專家、師生等共評聯盟體系；評估者依據評價指標，在網絡中達成資源質量評估共識。但網絡的不穩定、基礎設備出現故障、黑客攻擊等會造成網絡延遲、死機、資源被截取等問題——本研究將這些問題定義為拜占庭將軍問題。為此，本研究采用可容忍部分拜占庭節點且適用于聯盟鏈的PBFT算法，來保證評估結果的有效反饋。

PBFT是一種狀態機副本復制算法，實施驗證時，對每個節點的狀態進行副本復制，所有的副本均在視圖中運行[15]。在視圖中選取一個副本為主節點（Primary Node，PN），PN=v mod |n|——其中，v為視圖編號，n為副本的個數，其余副本為備份節點（Backup Node，BN）。為便于后文表述如何通過PBFT達成資源質量評估，本研究采用表述術語σi: 表示驗證區塊的證書——其中，State是PBFT執行步驟的順序，具體為：連接→預準備→準備→確認→回應；Parameter表示不同的State對應的參數類型，包括時間戳（t）、教育資源（e）、區塊哈希值（d）、視圖編號（v）、序列號（seq）、認同資源為優質資源的評價結果（res）；而σi表示評估者i對待驗證證書的數字簽名。教育資源的質量評估按照State進行：

①連接（Connection）：資源供給方通過本地服務器將資源封裝成區塊，發送請求PN，等待驗證；

②預準備（Pre-prepare）：啟動視圖操作，PN驗證資源供給方發送的證書格式是否規范，若驗證通過，PN給BN分配seq并執行數字簽名，廣播σPN證書，進入準備階段；

③準備（Prepare）：在證書傳輸的過程中，有可能出現PN失效的情況，因此，BN收到Pre-prepare證書后，應判斷PN分配的seq是否在水線[h, H]范圍內，檢驗d是否一致。若驗證通過，表明區塊內容完整，BN下載待評估的教育資源、對其進行評價，并通過證書反饋res。隨后，BN執行數字簽名，廣播σBN證書，進入確認階段；

④確認（Commit）：系統操作按照時間的優先順序進行，若PN在某個時間發生拜占庭錯誤，系統便會啟動更換視圖的操作，在這個時間點之前，已經分配的seq會全部失效。此時重新分配seq，會浪費系統中的時間和存儲空間，故增加確認階段以解決PN失效帶來的問題。收到Prepare證書后，若驗證通過，PN、BN執行數字簽名，廣播σPN,σBN證書，進入回應階段；

⑤回應（Replay）：資源供給方檢查Commit證書中的內容，若其反饋res的數量大于節點總數的2/3，就表明大部分節點對資源的評價達成了共識，可將區塊上傳至區塊鏈。

3 資源互連層

資源互連層選擇基于Kademlia（下文簡稱“Kad”）協議的DHT，使院校之間的資源庫可以互連共訪。實現DHT的技術有Tapestry、CAN、Chord、Kad。與其它三種技術相比，Kad以獨特的異或算法（Exclusive OR，XOR）為距離度量的基礎，建立了一種全新的拓撲結構，提高了路由查詢速度[16]。

（1）Kad網絡劃分

Kad把整個P2P網絡邏輯劃分為二叉樹，節點可以看成樹中的葉子節點，每個節點又可把整個二叉樹劃分為不包含自身的子樹。Kad給節點隨機分配一個160位二進制ID，節點的位置由ID最短前綴決定。Kad保證了每個節點至少知道其劃分子樹中的一個節點，每個節點可以通過ID來定位其它節點的位置[17]。Kad將路由表分布在網絡中的各個節點，在節點加入或離開的情況下，能最大程度地保留原有節點中的映射，使整個網絡具有良好的擴展性。

（2）Kad路由查詢

Kad采用XOR計算兩個節點之間的距離：假設存在節點x=1010和節點y=0011，采用XOR計算x, y之間的距離，得到：d（x, y）=1010⊕0011=1001。節點的路由表信息通過一個K桶表格構造，由數據列表構成。對于任何一個0≤i≤160，網絡節點都保存著與自身節點距離范圍在[2i, 2i+1）內的節點信息[18]——一般來說，i值越小，K桶項數越??；當i=0時，K桶信息至少有一個；而i值越大，K桶里的信息越多。Kad節點中的信息存儲在value之中，每個value與key對應，可以理解成key是value的映射。Kad網絡在邏輯上是一個二叉樹網絡，每個節點傾向于存儲相鄰節點的信息，每次查詢使得距離減半，因此，含有N個節點的網絡，最多需要進行log2N次查詢。Kad不僅優化了路由查詢的速度，還可以抵擋拒絕服務（Denial Of Service，DOS）的攻擊。

（3）Kad操作步驟

假設師生通過本地客戶端搜索其它院校的資源庫，可按以下步驟進行Kad遠程操作[19]——

①PING：資源供給方通過客戶端探測目標節點是否在線，并計算兩者之間的距離；

②STORE：依據兩者之間的距離，通知相鄰的K桶更新相應的；

③FIND_NODE：客戶端從自身K桶中選擇n個節點進行查詢操作，整個查詢是一個迭代循環的過程。在n個節點之中，若存在目標節點，就表示查詢結束，客戶端與目標節點建立連接；若不存在目標節點，則以n個節點為基準，重復上面的操作，直至找到目標節點為止；

④FINDE_VALUE：目標節點請求節點返回自身的位置信息，為下次的查詢做準備。

四 研究的不足之處

本研究設計的基于區塊鏈的教育資源共享框架，適用于區域教育資源、校內教育資源的共享。作為一項探索性的理論研究，該框架尚存在以下不足：①在資源存儲層，不能僅靠“區塊”+“鏈”存儲鏈接方式來保護資源產權，還需完善與區塊鏈相關的法律法規、制定保護資源產權的相關政策。②在資源評估層，PBFT采用數字簽名對教育資源加以保護，而數字簽名雖然可以保證數據的完整性，但不能保證數據的有效性；為了保證評估者的安全隱私，評估者往往以匿名的方式評估，而消息認證編碼（Message Authentication Code，MAC）雖然可以保證數據的有效性，但前提是要明確資源供給方與資源評估方的身份——針對這個矛盾問題，能否借助MAC以非匿名的方式進行資源評估有待進一步思考。③在網絡共享層，分布式網絡基礎設施建設需要大量的成本資金，當網絡節點自由出入時，還應預防巫女攻擊（Sybil Attack，SA）、域名系統劫持（Domain Name System Hijacked，DNSH）等情況，并且Kad不支持復雜的查詢方式。此外，如何完善資源供給方提供資源后的獎勵機制，本研究也尚未涉及。

[1]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[OL].

[2]姜川.CC協議的民法性質探析——介于合同與單方法律行為之間[J].中國版權,2015,(5):67-71.

[3]常江.數字版權管理與合理使用權利沖突的解決路徑[J].出版廣角,2016,(16):38-40.

[4]董艷,杜國,徐唱,等.國內開放教育資源平臺建設的現狀與發展[J].中國電化教育,2017,(11):36-42.

[5]劉雅馨,徐超超,王林麗,等.大數據支持下的數字教育資源生態建設[J].現代教育技術,2016,(10):5-11.

[6]徐美仙.將量規引入函授網絡課程評價中的探索[J].遠程教育雜志,2007,(2):60-64.

[7]丁新.探索建立網絡教育優質資源共享機制[J].中國高等教育,2003,(22):41-42.

[8]王龍.開放教育資源可持續發展能力建設的再思考——美國猶他州立大學開放課件項目關閉的警示[J].現代遠程教育研究,2010,(1):29-32.

[9]Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[OL].

[10]邵奇峰,金澈清,張召,等.區塊鏈技術:架構及進展[J].計算機學報,2018,(5):969-988.

[11]沈鑫,裴慶祺,劉雪峰.區塊鏈技術綜述[J].網絡與信息安全學報,2016,(11):11-20.

[12]周韜.P2P網絡資源搜索方法的研究[D].北京:北京交通大學,2015:9-12.

[13]獵云網.Bitcoin Gold遭黑客攻擊,價值1800萬美元比特幣黃金被洗劫[OL].

[14]巴比特.區塊鏈的不可更改性,是否意味著我們不需要保護區塊鏈數據[OL].

[15]Castro M, Liskov B. Practical Byzantine fault tolerance and proactive recovery[J]. ACM Transactions on Computer Systems, 2002,(4):398-461.

[16][17][18][19]Yamato Y, Ogawa T, Moriya T, et al. Kademlia based routing on locator-ID separated networks for new generation networks[J]. Peer-to-Peer Networking and Applications, 2013,(3):294-304.

Research on the Educational Resources Sharing Framework based on Blockchain

LIU Feng-Yuan ZHAO Jian-Min[Corresponding Author]CHEN Hao XU Zhen-Guo

There were problems, such as the urgent need to protect the resource property, the unoptimistic quality of resources and the requirement to transform the construction way of resource banks, existing in the process of sharing domestic educational resources. In order to solve these problmens, the educational resources sharing framework was designed by using the network topology and the consensus verification technology of blockchain, which included resource storage layer, resource evaluation layer and resource interconnection layer. The design of educational resources sharing framework based on blockchain could guarantee the intellectual property of resource providers, improve the quality of educational resources, and expand the sharing scope of educational resources, so as to provide theoretical reference for the realization of educational resources sharing.

blockchain; educational resources sharing;resource propertyprotection;network topology; consensus verification technology

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0114—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.017

本文為2016年山東省本科高校教學改革研究項目“基于混合式教學模式的師范院校課程改革探索與實踐”的階段性研究成果。

劉豐源，在讀碩士，研究方向為計算機教育應用，郵箱為491866176@qq.com。

2018年3月6日

編輯：小米