基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理系統

肖建宏

（廣東白云學院，廣州510450）

0 引言

當前，我國越來越多的高校正在實施校企協同育人“3+1”人才培養模式改革，為確保累計一年學生在企業的實踐教學活動能夠高效規范地運行，保障企業實踐教學的質量，越來越多的高校開發、部署了企業實踐教學管理系統，通過企業實踐教學管理系統實現畢業設計（論文）指導、教學巡查及企業現場調研等教學活動的落實。然而，由于傳統的企業實踐教學管理系統具有中心化的特點，存在數據不安全和容易滋生系統開發人員或管理人員未經授權就刪除或篡改數據的現象；其次，由于系統中的數據影響到對學生和教師的考核，部分用戶可能為了自己的利益而抵賴自己的錯誤行為，例如，可能有的教師給錯了一個成績，但卻堅持謊稱自己提交的是另一個成績，之所以出現信息不對，是因為系統出了問題或其他管理人員可能的誤操作甚至是有意修改，而這無疑會讓系統陷入被質疑的境地，從而給系統的管理帶來麻煩；最后，傳統的企業實踐教學管理信息系統極容易導致集體作假的情況，個別部門可能出于應付上級管理部門評估檢查的需要而通過行政的手段要求教師、學生甚至系統開發人員或管理人員批量修改數據，這將給上級管理部門準確了解下級部門的教學運行情況帶來極大的障礙。所有這些都會在一定程度上給系統的可信性造成一定的負面影響，極大地增加系統的信用成本和管理成本。

區塊鏈技術是一種基于現代密碼學、分布式一致性協議、點對點網絡通信技術和智能合約編程語言等形成的數據交換、處理和存儲的技術組合，是比特幣、以太坊等諸多密碼學貨幣背后的支撐性技術，可以在互不信任的環境下實現去信任中介的可信交易，具有去中心化、去信任化、防偽造和不可篡改的特點，是已經被實踐證明了的可作為價值轉移的技術手段，能有效解決上述傳統高校企業實踐教學管理系統中存在的問題。本文以高校企業實踐教學管理的業務需求為立足點，提出一種基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理系統的設計與實現方案。

1 設計

1.1 功能設計

根據校企協同育人“3+1”人才培養模式，高校企業實踐教學管理信息系統需要為用戶提供實習安排、教學巡查和畢業設計（論文）等業務服務，為此，我們將高校企業實踐教學管理信息系統劃分為四個子系統，具體的功能結構如圖1 所示。

其中，實習安排子系統主要實現了實習基地管理、實習崗位管理、學生崗位安排、學生導師安排及現場調研等功能，它明確了學生與實習崗位、學生與指導教師之間的關系，同時規定了學生實習期間需要完成的任務，具體包括在系統中提交企業現場調研報告、生產實習報告、實習周記及實習鑒定表等材料。

教學巡查子系統主要實現了巡查申請、巡查審核及巡查評價等功能，通過該子系統，教師可以申請到企業現場巡查某些學生，而學校可以審核教師的教學巡查申請，當教學巡查完成時，學生對教師的教學巡查進行評價打分。

畢業設計（論文）子系統主要實現了選題、任務書、開題報告、中期檢查、畢業設計（論文）及畢業答辯等功能，它明確了學生、指導教師、評閱教師和答辯組長協同完成畢業設計（論文）的過程及其需要在系統中提交的各種材料，具體包括畢業設計（論文）題目、任務書、開題報告、中期檢查表、畢業設計（論文）等。

用戶子系統主要實現了用戶管理、角色管理、權限管理、用戶角色管理和角色權限管理等功能。通過該子系統，高校企業實踐教學管理信息系統可以確保用戶只能訪問與其身份相符的功能與數據，它是系統信息安全的保障。

圖1 高校企業實踐教學管理信息系統功能結構圖

1.2 基于區塊鏈的可信化設計

傳統的高校企業實踐教學管理信息系統普遍采用B/S 結構設計實現，即用戶通過瀏覽器訪問服務器，服務器根據用戶的請求返回數據或將數據存儲至數據庫中。但這樣的設計存在開發人員和系統管理人員權限過大的缺點，極容易滋生造假、抵賴和腐敗的現象。為保障系統的可信性與權威性，在不影響高校企業實踐教學運行效率與質量的情況下，基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理系統在傳統B/S 結構的基礎上增加了區塊鏈和區塊鏈訪問對象，其物理架構如圖2所示。

在基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理系統中，當用戶通過系統實現教學業務數據的提交時，系統在將業務數據存儲到傳統數據庫的同時，將業務的核心數據以交易的方式發送至區塊鏈上，并將交易的哈希返回給用戶。由于系統同時與中心化的數據庫和去中心化的區塊鏈進行交互，而且用戶可以通過第三方區塊鏈客戶端直接訪問區塊鏈數據，因此開發人員與系統管理人員無法篡改系統的數據。如果開發人員或系統管理人員通過修改系統程序或篡改系統中心數據庫的數據實現作假或抵賴已發生過的行為，那么用戶可以憑借發生過的交易哈希通過第三方區塊鏈客戶端訪問區塊鏈數據實現對數據真偽的驗證。

2 實現

基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理信息系統主要使用ASP.NET MVC、SQL Server、Nethereum 和Geth（Go-ethereum）等技術和工具設計實現。其中ASP.NET MVC 用于實現系統的業務邏輯、數據訪問和用戶接口。系統的數據主要存儲于SQL Server 數據庫，但核心業務數據則同時存儲于以太坊聯盟區塊鏈。以太坊是一個具有智能合約功能的區塊鏈平臺，具有更快的“出塊”速度，能夠很好地滿足高校企業實踐教學管理信息系統的需要。系統使用當前最為成熟且應用廣泛的以太坊客戶端Geth 部署以太坊聯盟鏈，并通過專為以太坊設計的.NET 集成庫Nethereum 實現與以太坊聯盟鏈進行交互。

2.1 以太坊區塊鏈訪問對象設計

為實現和以太坊區塊鏈的交互，系統設計實現了以太坊區塊鏈訪問對象。以太坊區塊鏈訪問對象主要包括交易發送對象、交易查詢對象和賬戶分配對象。

交易發送對象主要封裝了交易發送方法Send-Transaction，該方法接收用戶以JSON 格式提交的數據，并將其編碼為一個字節序列，然后在此基礎上，進一步將字節序列轉換為十六進制格式，再將其發送給指定的高校以太坊聯盟鏈賬戶。如果交易發送成功，交易發送方法將返回此次交易的哈希，否則返回空字符串。由于用戶可通過第三方以太坊客戶端向特定以太坊賬戶發送交易，且以太坊上的數據是公開透明的，為了防止用戶通過第三方以太坊客戶端直接向高校以太坊聯盟鏈賬戶發送交易，從而達到偽造數據的目的，系統在調用Nethereum.NET 集成庫中的web3.TransactionManager.SendTransactionAsync 方法發送交易時，將使用SHA512 算法計算用戶提交的原始數據的哈希，并使用系統的密鑰和DES 加密算法對求得的哈希進行加密，然后與原始數據一起發送給以太坊高校盟鏈賬戶。交易發送對象的類型圖如圖3 所示。

圖3 交易發送對象類型圖

交易查詢對象主要封裝了交易查詢方法GetTransactionByHash 和交易驗證方法CheckTransaction。交易查詢方法接收用戶傳遞的交易哈希，并將該交易哈希傳送給Nethereum.NET 集成庫中的web3.Eth.Transactions.GetTransactionByHash.SendRequestAsync 方法以獲取與該交易哈希相匹配的以太坊交易對象，并返回該以太坊交易對象。交易驗證方法接收一個以太坊交易對象作為參數，通過獲取該參數的Input 屬性獲取用戶提交的原始數據InitialData 和經系統加密的哈希EncryptHash，然后使用SHA512 算法計算用戶提交的原始數據InitialData 的哈希，并將得到的哈希與使用系統密鑰和DES 解密算法解密EncryptHash 得到的哈希進行比對，如果相等則返回true，否則返回false。交易查詢對象的類型圖如圖4 所示。

圖4 交易查詢對象類型圖

賬戶分配對象封裝了為用戶生成以太坊賬戶的方法CreateEthAccountForUser 和查詢以太坊賬戶余額的方法GetAccountBalanceEther。CreateEthAccountForUser 方法接收一個系統用戶名作為參數，通過調用Nethereum.NET 集成庫中的Signer.EthECKey.GenerateKey()方法生成私鑰，然后根據該私鑰構造一個Nethereum.Web3.Accounts.Account 類型對象。在獲得以太坊賬戶對象之后，系統進一步通過交易發送對象為該以太坊賬戶轉賬一定額度的以太幣，以確保該以太坊賬戶擁有足夠的以太幣能將數據存儲至以太坊區塊鏈上，最后系統將用戶的用戶名、以太坊賬戶的地址和私鑰保存到數據庫中。GetAccountBalanceEther 方法接收一個以太坊賬戶地址作為參數，并通過調用Nethereum.Net集成庫中的web3.Eth.GetBalance.SendRequestAsync 方法獲取指定賬戶的余額。賬戶分配對象的類型圖如圖5 所示。

圖5 賬戶分配對象類型圖

2.2 數據存儲設計

在確保系統可信的同時，為兼顧系統的運行性能，系統并沒有將高校企業實踐教學的所有業務數據都存儲到以太坊區塊鏈上，而是只將指導教師、評閱教師、答辯組長和系主任等用戶對學生提交的作業、畢業設計（論文）或調研報告等的評價或評分等核心數據保存到以太坊區塊鏈上。與此同時，在系統的數據庫中，系統在以太坊交易記錄表中保存了評價主體對評價客體評價時產生的以太坊交易哈希，其數據存儲的具體設計如表1 所示。

通過以太坊交易記錄表，用戶可以憑借評價客體類型和評價客體主鍵快速地查詢指定作業相關的以太坊交易哈希，然后通過調用以太坊區塊鏈訪問對象中的交易查詢方法獲取該交易哈希對應的以太坊交易對象，而不必以遍歷以太坊區鏈上每個區塊的交易，然后匹配每一筆交易中的目標數據的方式實現交易查詢，這極大地提升了系統的運行性能。

在用戶體驗方面，為簡化用戶提交數據的流程，系統為每個用戶分配了以太坊賬戶，并將其保存在數據庫中，當系統需要將數據存儲到以太坊聯盟鏈上時，系統根據用戶登錄系統的用戶名查詢數據庫中相應用戶的以太坊賬戶和私鑰，并以該以太坊賬戶和私鑰給系統指定的高校以太坊聯盟鏈賬戶發送一筆交易。用戶的以太坊賬戶信息存儲設計如表2 所示。

2.3 驗證機制設計

為確保用戶可以便捷地對系統中的核心數據進行驗證，當用戶將數據以交易的方式發送至高校以太坊聯盟鏈賬戶時，系統將發送交易時返回的交易哈希以郵件的方式同時發送至相關用戶的電子郵箱，并告知用戶如何使用以太坊客戶端Geth 查詢交易。由于以太坊客戶端Geth 為第三方開發的軟件，而以太坊區塊鏈具有去中心化、可溯源、不可篡改的特點，因此能有效防止程序員、數據庫管理員或系統管理員對系統數據或程序的篡改，從而可以實現對數據和信息的有效驗證。

3 結語

基于區塊鏈技術的高校企業實踐教學管理信息系統通過綜合應用ASP.NET MVC、SQL Server、Geth 以太坊客戶端和Nethereum 等技術和工具將中心化與去中心化結合起來，以去中心化的方式實現數據的分布式存儲與可信性驗證，以中心化的方式兼顧系統的運行性能，有效地實現了高校企業實踐教學活動可信、高效地運行。