基于Hyperledger Fabric的共享學習認證系統的設計與實現

摘要：傳統中心化管理模式下的共享學習平臺因存在著信任問題而發展受限，而目前將區塊鏈技術應用于教學領域的發展相對緩慢，許多研究僅停留于理論層面。區塊鏈技術具有去中心化、可信任和不可篡改等特性，在共享學習領域的運用有助于解決平臺信任不足的問題，從而提供給學習者更多的學習途徑和選擇。提出了一種基于 Hyperledger的在線共享學習認證系統，針對高校、教師和學生等使用方的實際需求，結合關于Hyperledger技術原理特征的研究，對系統進行了設計和實現。利用區塊鏈信息不可篡改的特性在課程和學習2個方面實現認證，嘗試建立一個可信的學習平臺。系統有效解決了傳統學習平臺中的信任度問題，也滿足了組織對安全性和權限的多種要求。相關的功能測試驗證了整體方案的有效性和可行性。

關鍵詞：區塊鏈; 認證系統; 共享學習; 不可篡改

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2023.04.006

Design and implementation of certification system for online shared learning based on Hyperledger Fabric

YAN Yu1， YU Jian2， YU Zexiang3

（1. Software College，Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China;

2. College of Mathematics and Systems Science，Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China;

3. Sydney Smart Technology College， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

Abstract：The trust problem has impeded the development of online shared learning system which based on the traditional centralization structure. At present， the development of the blockchain technology is slowly in education field， and many researches only stay at a theoretical level. Blockchain technology has features of trustworthiness， decentralization， and non-tamper ability， etc. Appling blockchain technology to the field of online shared learning could solve the trust problem and offer more choices to students. in this paper a Hyperledger certification system for online shared learning is proposed. The technical principle and characteristics are clarified by in-depth analyzing the Hyperledger technology， and the detailed design of the system is carried on by combining with the actual needs of all the parties using the certification system， such as teachers and students， colleges， etc. The system achieves certification in the aspects of course and learning to build a more credible platform by using the characteristics of the blockchain “no-tampered” information. The system solves the trust problem that exists in traditional online shared learning system and meets the security and authority requirements of organization. The certification system has passed the relevant function tests which verifies the feasibility and effectiveness of the overall scheme.

Key words：blockchain; certification systems; shared learning; non-tamper

教育資源的共享可以在整合教學資源的同時提升高校的教學水平，也可以促進高校的協同發展。近年來，線上學習作為教育資源共享的重要形式，正成為自主學習的主流學習方式。然而，在傳統的中心化模式情況下，線上學習方式更多地采用自我導向的原則，學習過程或者沒有被記錄，或者因為記錄權限的壟斷問題難以獲得社會的廣泛認可。平臺如何實現對課程質量和學習過程等方面進行評價、記錄和監督并獲得外界認可，始終是共享學習平臺發展中面臨的首要問題。

區塊鏈技術具有去中心化、防篡改和可溯源的特點［1］。借助區塊鏈技術，可以將教師資質、課程質量和學生學習記錄等信息記錄在區塊鏈中，做到過程記錄有據可查，進而解決共享平臺的信任問題。

1區塊鏈技術選擇及相關研究

近年來區塊鏈發展方興未艾。區塊鏈可以理解為是一種按時間順序將不斷產生的區塊按順序組合而成的一種可追溯的鏈式數據結構，是一種不可篡改、不可偽造的分布式賬本［2］。在共享學習平臺中，教與學的行為也可以被認為是交易，利用區塊鏈技術不可篡改和分布式特征，可以將學生的學習過程和教師的課程發布過程完整記錄，經由共識，確保教學過程的真實可信。

區塊鏈大體分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈3種類型［3］。從準入機制的角度看，在公有鏈中，任何人都可以自由加入，并通過“挖礦”行為來競爭記賬權。公有鏈最大程度地實現了去中心化，如比特幣或以太坊。而聯盟鏈是各機構組織共同搭建的區塊鏈，適用于商業伙伴和組織間的交易結算等場景。在聯盟鏈中，區塊的生成無須由“挖礦”來競爭記賬權，而由組織內共同決定，實現了完備的權限控制和安全保障。Hyperledger Fabric是目前聯盟鏈較成熟的代表項目。

公有鏈與聯盟鏈的區別體現為共識機制的不同，公有鏈中每個參與節點通過貢獻自己的算力來競爭記錄權力，通過激勵來增加區塊寫節點的隨機性，保證了區塊生成的可靠性，但同時也導致算力的浪費。而聯盟鏈由組織內相關機構共同研發建設，信息上鏈后不可隨意修改，解決了節點間的信用問題。因此，聯盟鏈的多中心化的應用模式相對于公有鏈在資源使用上更加節儉經濟。此外，基于安全性和完整性考慮，完全去中心化的比特幣和以太坊的處理交易的效率也比采用Pow算法的Hyperledger Fabric要低，交易吞吐量也更小。

共享學習系統是在各個高校和權威機構等可信節點合作的基礎上構建的一個彼此互信的聯盟，因而系統無須面對整個公共網絡，同時，作為共享學習系統中的參與主體，學生常用的學習端多為手機等小型移動設備，顯然也不適合成為公有鏈中的網絡節點;另外，共享學習系統對系統實時交互的吞吐量要求較高，并需要具備相對靈活的智能合約系統。基于以上考慮，相比于完全去中心化的公有鏈，多中心化結構的聯盟鏈應用模式更適合用來搭建學習認證平臺。本文基于Hyperledger Fabric聯盟鏈對共享學習認證系統進行設計與實現。

總體上看，目前關于區塊鏈在教育領域的應用和研究仍處于一個粗淺探索的階段，相關法律支持尚缺乏。如許濤［4］認為現今區塊鏈在教育方面的應用基本圍繞學習成績單、教學資源和教學過程賬本3個方面展開，前瞻性的理論研究較多，而對真實場景的開發和應用較少。

盡管如此，國內外專家學者仍做出很多有益的探索和實踐。在應用方面，美國麻省理工學院實驗室率先開發了一個數字學位證書查詢開源系統，包括區塊鏈證書系統的接口，麻省理工和很多國外教育機構已嘗試使用該系統頒發、管理學位證書。在理論探索方面，一些學者對區塊鏈技術在教育領域中可能存在的應用場景提出了自己的看法，總體上對應用前景持樂觀態度。如李青和張鑫［5］較早提出了推進區塊鏈在教育行業的運用，由相關組織機構對教學過程的行為進行統一管理;李倩舒［6］以常州開放大學為例，論述了以“學分幣”為中心，借助“教育鏈”推動在線教育高質量發展的途徑;孫春梅和王卓［7］認為區塊鏈為學生的個性化學習提供了更可靠與便捷的選擇;Mikroyannidis等［8］認為區塊鏈對個人的終身學習提供了更多選擇的機會，使用區塊鏈記錄學位證書頒發等信息有助于制定更加合理的教學計劃。區塊鏈技術可以為學習者創建基于學習過程和結果的交互系統，并創建一個更可信和個性化的學習環境。

2認證系統框架設計

2.1系統模型設計

系統中的節點用戶主要包括學生、教師、高校和權威機構等。其中，高校和權威機構雙方合作，共同為平臺用戶和交易提供認證服務，此外，也為平臺網絡提供區塊鏈服務的任務，包括區塊數據信息的存儲和校驗。

作為中心節點，高校和聯盟機構加入網絡通常需要性能更強的機器設備;而學生和教師作為平臺的一般用戶，只負責自身資產和身份證書的管理，以獨立的個體身份發起交易，通常移動設備或者個人電腦即可滿足終端需求。除這些用戶節點外，認證平臺還需要一個提供子證書簽發服務的CA證書機構，為組織內部的用戶提供用戶注冊和身份認證功能。認證系統的模型圖如圖1所示。

2.2系統軟件架構

系統可以按照基礎層、數據層和應用層3個層次劃分。基礎層為Fabric區塊的基礎架構;數據層除了提供權限管理功能外，還包括存儲數據、智能合約、共識機制等內容［9］;應用層主要包括系統功能的編寫和調用，例如包括相關學習平臺的接入系統和客戶端系統等。Fabric為客戶端應用提供與網絡交互的渠道，包括應用程序接口（application programming interface， API）、軟件開發工具包（softwore develop kits， SDK）和命令行接口（command line interface， CLI），現有的其他學習平臺在原有的業務邏輯中添加相關服務，即可以接入本系統平臺;客戶端系統為教師和學生等平臺用戶提供服務，包括管理密鑰、身份證書和其他資產等。系統的軟件架構如圖2所示。

3認證系統的模塊設計

3.1網絡模塊設計

系統設計主要分為網絡模塊設計、業務模塊設計和智能合約3個部分［10］。

Fabric網絡的主要組件包括成員服務提供者（member service provider， MSP）、客戶端、Peer節點和Order排序節點。其中，MSP是定義用戶身份驗證和訪問權限規則的組件，并為發起交易的客戶端提供證書;客戶端可以通過SDK與網絡通信和發起交易;Peer節點是主節點模塊，負責存儲區塊鏈數據及鏈碼的運行與維護，在Fabric網絡組織中節點是邏輯意義上的，包括背書節點Endorse、記賬節點Commit、領導節點Leader和錨節點Anchor，4種類型的Peer服務器節點分別代表4個角色［11］;Order節點是運行排序和打包服務的節點，當客戶端發起交易后， Order節點負責將交易發送到排序隊列［12］ ，最后根據客戶端的請求，將區塊鏈發送給客戶端。網絡模塊設計中建立了認證系統區塊鏈的內部邏輯，系統內部邏輯結構如圖3所示。

3.2業務模塊設計

學習認證系統主要包括與課程相關的認證和與學習相關的認證2個模塊［13］，它們可以分別記錄在不同鏈號的區塊賬本上，起到對數據隱私的保護作用。下面分別給予介紹。

課程相關的認證模塊主要包含教師注冊、課程開設、資料上傳和課程質量認證等。認證業務的主要參與者有教師、高校和聯盟機構。其中，高校和聯盟機構是區塊鏈的管理者也是交易的執行者，教師是負責發起交易的客戶節點。在課程開設過程中，申請開課的教師需要附加個人私鑰以便其他組織成員進行身份驗證，然后由聯盟機構審核，在得到鏈上其他組織的足夠認可后方可開設課程，課程開設后，教師可以將課程有關資料上傳到相應的平臺審核，隨后其他組織可以對課程質量進行評價，評價信息作為學生日后選課的重要參考。

學習相關的認證模塊主要包括學生的注冊、選課、學習與作業的提交等功能模塊。學習認證的主要參與者是學生和高校，其他組織負責交易的共識和驗證。

學習過程的認證是否具有公信力對平臺能否獲得公眾認可至關重要?；趨^塊鏈的認證系統改變了傳統的單一中心認證模式，平臺的每個參與者都參與認證過程，采用由高校及聯盟機構共同負責的多中心化認證模式。從具體實施的功能看，其一，參與學習的學生必須擁有得到聯盟機構認可的身份，學生可以選修上線的課程，選課信息需進一步經由聯盟機構的驗證;其二，有關學生的學習、作業和考試等信息也均需經由相關機構驗證后方可做為有效記錄上鏈，以確保記錄信息的可信性。

參考PKI體系的信息安全規范， 在構建認證平臺網絡之初需要指定若干聯盟組織成員作為最初認證節點， 當日后有新的成員節點希望參與課程或學習認證的業務時，可以發起加入請求。 要實現系統中的身份認證， 在搭建數字證書頒發中心的基礎上， 首先需要提供一個不可篡改的根證書。 考慮到學生、教師和高校聯盟機構多種角色的不同， 需要簽署不同角色的身份證書， 相應地， 系統認證體系也可以按三層結構劃分。 認證成員加入的步驟如圖4所示。

3.3智能合約

通過將交易數據存儲在鏈式數據結構上，區塊鏈提升了交易數據的可靠性，最大限度避免了交易被篡改的可能性［14］。同時，現存的煩瑣的手工操作也被區塊智能合約所取代，減少了交易延遲、欺詐等風險及系統錯誤導致的損失。

智能合約在Fabric中通常包括對合約的聲明、存儲數據的數據結構體和實現Fabric Contract API的函數［15］，合約經由鏈碼程序創建實例和啟動，每一個智能合約都有一個運行在Docker容器中的鏈碼程序與之對應。Fabric的智能合約不需要像以太網那樣需要特定的虛擬機，Docker容器為鏈碼提供了一個安全便捷的執行環境。賬本存儲在Peer節點上，可以在應用程序中通過智能合約訪問賬本，或通過調用鏈碼與數據庫進行交互。Fabric Composer提供了基于Javascript的智能合約實現。

平臺中每一個交易模型都有一個具體的鏈碼實現與之相對應，因為系統包含有關學生學習和課程的諸多認證環節，可采用分模塊的方式對不同認證環節設計各自的智能合約，以實現不同組織相應的業務邏輯。系統中的鏈碼功能包括教師注冊、課程開設和質量認證及學生的注冊、選課、學習考試等功能。以學生選課智能合約為例，定義的選課結構體中應包含資產編號、課程編號、選課時間、所有者和狀態等信息，其智能合約結構體見表1。

4系統實現與測試

認證系統的開發基于Ubuntu操作系統，運用Hyperledger Fabric 2.3底層框架和Docker等工具實現。Hyperledger Javascript" SDK 使開發人員能創建應用程序和與網絡交互。運行Hyperledger Fabric環境前需安裝Docker引擎和Dock-Compose 1.8。系統啟動網絡后首先創建通道，節點加入通道中，當客戶端發起交易請求時，安裝在節點中的鏈碼完成相應的服務功能。系統前臺的Web應用使用Java語言基于SSH框架進行開發。圖5為學習認證系統的注冊界面。

Hyperledge Composer框架也提供了在瀏覽器上進行網絡的建模與測試的工具。本文應用Fabric Caliper進行測試。Caliper依托于Node，將Caliper-benchmark下載到指定路徑，進入相關文件夾并部署鏈碼進行測試。Caliper提供有關交易成功率、延遲和吞吐量等指標的測試。

對于學習認證系統，每天會有大量學生關于學習和作業的日常操作發生，對吞吐性要求較高，因而系統吞吐量（transaction per second， TPS）是反映系統性能的重要指標?？紤]師生注冊和課程資源等信息只需上鏈一次，因而采用Caliper-Benchmark工具對學生作業提交的吞吐量進行測試。測試顯示交易并發量在450筆·s-1附近達到最大值，基本未呈下降趨勢。受測試條件和機器性能的影響，吞吐量的選擇也受到限制，但在實際推廣中，設備性能的提升可以解決這一問題。在系統資源傳輸完整性及網絡傳輸速度等性能方面，測試時選用Chrome等主流瀏覽器訪問，所采集的信息包括版本信息、鏈接時長、系統結構層資源等。測試結果顯示本系統能夠基本滿足基于主流瀏覽器的共享學習和認證的需求，但由于偶爾出現的通信中斷現象可能會導致數據丟失，日后仍需進一步完善通信策略和健全重連機制。

5結語

區塊鏈技術具有去中心化、分布式存儲和不可篡改的屬性，在共享學習領域具有較好的應用前景。本文首先對基于區塊鏈的共享學習系統架構進行了分析，部署了滿足教學實際需求的智能合約。在Hyperledger Fabric聯盟鏈基礎上設計了一套共享學習的認證系統，通過授課和學習過程數據的上鏈，有效解決了傳統學習平臺由于中心化管理模式導致的信任度問題，也滿足了組織對安全性和權限的多種要求，為區塊鏈技術在線上學習中的運用進行了有益的探索。

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