基于区块链技术的学分银行系统研究*
李志宏 1 邱亭谕 1 李可欣 2
（1．华南理工大学工商管理学院，广东广州510641；2．山东大学新闻传播学院，山东济南250100）
摘要:学分银行是构建终身学习体系和学习型社会的重要途径。基于此，文章首先分析了中心化学分银行存在的管理问题，并对区块链技术进行了解读。随后，文章设计了基于区块链技术的学分银行系统。最后，文章从学分银行联盟链、侧链、主链三个维度，探讨了基于区块链技术的学分银行系统的实现机制。研究基于区块链技术的学分银行系统，对于打破“信息壁垒”、提高学习成果认证和转换的公信力与效率、建设个人的终身学习电子档案有积极的意义，并为学分银行的发展提供理论参考。
关键词:学分银行；区块链技术；学习成果认证和转换；终身学习
【中图分类号】G40-057【文献标识码】A【论文编号】1009—8097（2019）07—0120—07【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2019.07.018
学分银行是借鉴银行的特点，对学习者的各类学习成果进行统一认证与核算，以实现学分认定、积累和转换的一种管理模式和制度[1]。为构建终身学习体系和学习型社会，我国开设了各类学分银行（如开放大学学分银行、终身学习学分银行、继续教育学分银行、市民学分银行等），以改进学习成果认证和管理体系。但是，现有的学分银行仍然存在种种问题，既阻碍了不同领域、不同机构之间的学分转移和体系融通，又使得学分银行不足以让社会大众对其认识和接受[2]。值得一提的是，区块链能够为实现去中心化、不可篡改、安全可信的系统提供技术支持[3]。基于此，本研究拟将学分银行与区块链技术进行融合，设计一个基于区块链技术的学分银行系统，并从不同维度探讨该系统的实现机制。
一学分银行存在的问题与区块链技术
1中心化学分银行存在的管理问题
目前，我国各类学分银行的业务开展主要依赖于学分银行管理中心。学分银行在学习成果认证和转换的过程中采用中心化的管理模式，会产生一系列问题，主要表现为:
①学习成果认证和转换的效率不高。学分银行管理中心一般通过设立学分银行管理分中心和认证点来开展业务[4]。学习者要想实现学习成果的认证，首先需要手持学习成果的原件到网点进行登记和认证，待认证成功后，才能到目标教育机构进行成果转换。目前，大多数学分银行执行三级认证制度，即学习成果的认证和转换需要经过认证点初审、分中心复审和管理中心终审，故会耗费大量的时间和人力。
②学习成果的认证质量难以保障。目前，学分银行尚未实现与所有合作机构数据库的对接（意即存在“信息壁垒”），这一方面使得学习成果即便认证成功，通常也无法进行转换[5]；另一方面使得对学习成果原件的认证依然离不开人工审核，容易为虚假证书提供操作空间[6]——即便是走在世界前列的韩国学分银行，其学习成果认证和转换过程也存在破坏其权威性和公信力的欺诈行为[7]。
③学分银行认定主体模糊。从理论上讲，学分银行并非证书颁发和教学实施的主体，而是作为将不同类型的学习成果兑换成相应标准学分的“中介”[8]。但是，由于我国采用“自下而上”的方式开展学分银行建设，故围绕不同的学分银行管理中心会形成不同的区域散点[9]。这些分散的学分银行依据的学习成果认证和转换标准不尽相同，彼此之间难以沟通，背离了我国建设终身学习“立交桥”的初衷。如开放大学学分银行虽然同时具备一定的颁证和教学资质，但由于其执行主体分饰多种角色[10]，既负责制定标准体系，又负责管理认证和监督，故其认证的学习成果一般只能转换为开放大学的学分，而难以实现学习成果的跨领域、跨机构转换。
综上所述，中心化的学分银行管理模式既不利于形成高公信力的认证结果，也会阻碍不同领域、不同机构之间的学分转移和体系融通。考虑到区块链技术对学分银行有巨大的价值和潜力[11]，为搭建覆盖各级各类教育的终身学习“立交桥”，可以联合不同教育机构，通过区块链技术建成无中心的学分银行，只要各教育机构“你情我愿”，就能进行学习成果认证和转换。
2区块链技术解读
区块链是采用块链结构对数据进行存储和验证、通过激励机制或传统的分布式一致性算法来完成数据的生成和更新、运用密码学算法保障数据的稳定传输和访问安全、利用智能合约实现合同自动运行的分布式基础架构[12]，其涉及的技术主要如下:
①非对称加密（Asymmetric Encryption，AE）。AE是指若信息由公钥加密，则只能由私钥解密；若信息由私钥加密，则只能由公钥解密。公钥和私钥都属于密钥，其中，公钥完全公开，私钥由所有者保管。学分银行可以通过AE，实现学习者对其学习成果的所有权控制。
②默克尔树（Merkle Tree，MT）。MT是一种哈希（Hash）二叉树，其叶子节点为区块链中交易数据的哈希值，中间节点是以两个子节点数据为参数的哈希值。由此不断迭代，MT根代表所有交易数据的状态。由于哈希值不可逆，一旦叶子结点的数据发生改变，MT根就会发生改变。
③多重签名（Multi Signature，MS）。数字签名（Digital Signature，DS）在信息传递中采用AE，通过“私钥加密，公钥解密”的方式确认信息来源。在区块链中，交易需多方达成共识才能进行，故一个交易会被N个私钥签名，根据相应策略至少需要M（M≤N）个公钥才能解密。
④共识机制（Consensus Mechanism，CM）。区块链通过CM，可使所有参与者在没有中心管理机构的信用背书下建立信任关系[13]。公有链的常用共识机制有POW、POS等，而联盟链常用的共识机制有PBFT、DPOS等。
⑤智能合约（Smart Contract，SC）。SC是区块链上预设的规则和协议。在CM的驱动下，SC自动执行，能够实现数据的高效实时更新、较少的人为干预和执行过程的分布式监督。
本研究拟应用区块链技术，采取以下措施解决学分银行的中心化管理问题:①学习者的学习记录和学习成果由相应的教育机构组织通过共识机制产生，并以默克尔树的形式存储，从而确保学习成果不能违规生成和篡改；②各类培训、办学、发证机构作为学分银行的真正主体，以联盟为基础进行合作[14]，通过多重签名和共识机制，对学习者的学习成果认证和转换请求达成共识；③将学习成果认证和转换规则编码为智能合约，实现学分银行业务的整个过程“无纸化审批”，并保障学习成果认证和转换的透明性与公平性。
二基于区块链技术的学分银行系统的设计
区块链系统一般划分为应用层、合约层、共识层、网络层和数据层[15]。结合区块链系统和学分银行的业务特点，本研究设计了基于区块链技术的学分银行系统，如图1所示。
图1基于区块链技术的学分银行系统
1学分银行联盟链:构建无中心的学分银行
基于区块链技术的学分银行系统不设成果管理中心（认证点或认证中心），由各参与者共同协作，自发地完成学习成果的管理工作。此处的参与者包括:
①学习者。学习者是参与学习活动、收获学习成果、发起学习成果认证和转换的主体。学习者不作为侧链或主链上的节点，而是通过终端APP与区块链进行交互。
②机构组织。机构组织由不同的机构组成，如高等学校、专业教育机构、远程教育机构等。不同机构组织维护不同侧链，组织内的不同机构将作为侧链上的网络对等节点。在主链上，以机构组织为单位构成学分银行，机构组织之间通过超级账本Fabric架构的通道（Channel）交互。
③管理委员会。管理委员会由各机构组织代表和教育部门组成，负责领导学分银行建设，制定学分银行的认证规范和转换标准，如对合作机构进行定期监督、考核，对新申请加入的机构组织进行法律资质、社会信誉、学习成果品质的考察等。管理委员会需要统筹考虑各机构组Vol.29No.7 2019 123织的要求，设计科学合理的成果认证和转换标准，最后将相应标准编写成智能合约的链码。
④查询者。查询者是经授权能在区块链上查询学习成果记录的用户，不作为区块链的节点。
⑤学分银行证书授权中心（Certificate Authority，CA）。学分银行CA负责所有参与者的身份管理，如派发公钥和私钥。参与者通过管理委员会审核后，需要在CA注册才能加入区块链。由于区块链上的参与者受CA的控制，故本研究的学分银行区块链本质上是一条联盟链。
多链结构常被用于维护不同的数字资产[16]、并行提高交易效率[17]、实现资产跨链转换。在基于区块链技术的学分银行系统中，侧链是各机构组织独立维护的区块链，侧链账本中的数字资产主要有相应机构组织存储的学生学习记录日志和有效的学习成果信息；主链则是由所有侧链机构组织共同维护的区块链，主链账本中的数字资产主要有各个侧链的状态信息、各侧链已达成共识的学习成果认证证明。借鉴跨链思想，不同的机构组织可在主链上构成无中心的学分银行，并在主链上部署与学分银行业务相关的智能合约，以实现不同机构组织之间学习成果的认证和转换。基于上述分析，本研究设计了学分银行联盟链的架构，如图2所示。
图2学分银行联盟链的架构
在学分银行联盟链的架构中，学分银行CA为联盟链中合法的机构组织、管理委员会成员、学习者和查询者提供身份注册和验证服务。各机构组织维护各自的侧链，并共同维护主链。管理委员会为联盟链设计认证标准和规范，形成合约链码。学习者在不同机构组织中参与课程学习，完成学习任务并被记录在不同侧链上；当学习任务完成时，成果颁发合约将执行，相关机构组织的内部成员经过侧链共识机制生成学习成果并记录在侧链账本中；学习者可将存储在侧链账本中的学习成果通过成果认证合约提交到主链认证并积累，最后通过成果转换合约将其转换成其它机构组织的学习成果。查询者经授权后可在主链上提起成果查询请求，通过成果查询合约获取学习者真实的学习记录。值得一提的是，在基于区块链技术的学分银行系统中，学习者与查询者的相应请求由各机构组织通过共识策略完成，而不是通过中心化的认证机构完成。
2学分银行侧链:形成可信的学习成果
学分银行侧链的功能是为学习者记录相应的学习过程、存储相关的学习成果。相关数据包括学习者的身份（公钥）、颁发时间、颁发机构信息等。侧链运行采用PBFT作为共识机制，适用于无数字货币的学分银行场景。为形成可信的学习成果，本研究设计了侧链数据结构与侧链“防欺诈证明”机制，两者的关系如图3所示。
图3侧链数据结构与侧链“防欺诈证明”机制的关系示意图
（1）侧链数据结构
与比特币区块链数据结构相似，侧链数据结构维护默克尔根以记录当前数据库的状态，叶子节点存储数据库中各学习记录和学习成果的哈希值。区块哈希是以区块头中所有信息为参数的哈希结果。一旦叶子结点数据出现变化，默克尔根也会发生变化，进而引起区块哈希发生变化。因此，各侧链机构通过维护默克尔根的一致性来保障侧链账本的一致性。
（2）侧链“防欺诈证明”机制
不同机构组织并行维护不同侧链，每当侧链产生一个区块时，就会向主链网络提交当前区块哈希作为“防欺诈证明”。当主链需要验证侧链中的学习成果时，侧链将向主链提供区块头信息和默克尔树分枝。只要当前区块头信息正确，并且默克尔树分枝上存在学习成果的哈希值，主链就能确定学习成果真实存在于某机构组织的侧链账本中，否则便会验证失败。通过主、侧链相互锚定，各侧链中的机构组织只需存储其它侧链的区块哈希，通过默克尔树验证机制就能打破“信息壁垒”，既能保护用户的隐私安全，又能提高存储效率。
3学分银行主链:实现可信、高效的学习成果认证和转换
主链是提供学分银行主要功能的场所，通过共识策略和智能合约实现侧链上的学习成果认证和转换。主链采用超级账本的Fabric架构，需要不同机构组织将内部成员划分成主节点、背书节点和记账节点等角色。其中，主节点负责与其它机构组织沟通、安排记账工作，背书节点负责运行智能合约链码，而记账节点仅负责记账。下文将介绍主链数据结构、学习成果认证共识流程和学习成果转换共识流程，以期为实现可信、高效的学习成果认证和转换提供参考。
图 4 主链数据结构
（1）主链数据结构
主链账本主要包括两类数据:一类是各侧链的当前区块哈希值，即“防欺诈证明”；另一类是学习者请求信息，即学习者在主链上发起的学习成果认证和转换请求的相关记录，供查询者查询取证。在主链数据结构（如图4所示）中，主链首先将各侧链数据锚定，所有侧链区块哈希被记录在主链中，与时间戳、学习者请求信息、链码ID等共同组成主链区块体。最终，主链区块体与主链区块头作为参数进行哈希运算，得到主链区块哈希。通过主、侧链相互锚定，不同侧链之间能够通过主链进行相互监督，且任何一方都无法篡改其侧链账本，由此实现学分银行各参与者之间数据一致。
（2）学习成果认证共识流程
假设学习者已经在A机构收获学习成果，在学分银行下载学习成果文件后，可在主链提交学习成果认证请求，相应的学习成果认证共识流程如下:
学习者在客户端发起学习成果认证请求，提交公钥信息和学习成果文件→客户端解析学习成果文件，计算学习成果的哈希值，并将该值提交给A机构的背书节点→A机构的背书节点验证哈希值是否存在于侧链账本中——若验证通过，则为该请求背书并向客户端返回成功背书的签名，否则拒绝背书→该背书节点将学习成果哈希值和当前默克尔树分枝发送给其它机构的背书节点→其它机构的背书节点运行成果认证合约，验证主链上的A机构侧链哈希值，判断收到的哈希值与默克尔树分枝是否匹配——若验证通过，则为该请求背书，向客户端提交背书签名→客户端收到达到背书数量要求的签名后，将认证提案和签名提交给排序节点→最终，由各机构组织的主节点协调，将一段时间内的学习成果认证证明按顺序记录在主链账本。
（3）学习成果转换共识流程
如果学习者在主链上积累了一定数量的学习成果证明，那么便可在主链上申请转换成其它机构组织的学习成果。假设成果转换的目标机构是B机构，相应的学习成果转换共识流程如下:
学习者在客户端发起学习成果转换请求，提交公钥信息和拟转换的目标学习成果信息→客户端将请求提交给所有机构组织的背书节点→所有机构组织的背书节点运行成果转换合约，验证学习者在主链上是否具备符合要求的学习成果认证证明——若验证通过，则为该请求背书并向客户端返回签名，否则拒绝背书→客户端收到达到背书数量要求的签名，将结果提交给B机构主节点→B机构主节点统筹机构组织内的节点，为学习者生成新的学习成果并记录在侧链账本中，产生新的区块哈希→最后，主节点将新的区块哈希提交给主链，作为“防欺诈证明”；其它机构组织的主节点则统筹机构组织内的节点，将新的B机构侧链区块哈希记录在主链账本。
四结语
本研究针对中心化学分银行存在的问题，设计了基于区块链技术的学分银行系统，在理论上拓宽了区块链在教育领域的应用场景，为走出学分银行困境提供了新思路。由于学习者的学习成果认证和转换请求由共识机制和智能合约完成，故该系统大大提高了学习成果认证和转换的公信力与效率。此外，该系统有利于在一定程度上打破“信息壁垒”，促进多种教育机构协作融合。学习者在该系统的多个侧链上学习，并将丰富的学习成果提交到主链上认证。而通过整合主链上个人积累的成果信息，就能真正建立起“一人一档，终身有效”的终身学习电子档案，供经授权的用人单位、组织机构和个人查询。
要想推动学分银行区块链的真正落地，未来需从两方面展开深入研究:①设计适用于各级各类教育机构的成果认证和转换标准，用来编码智能合约；②随着学习者的学习记录和有效学习成果不断增多，区块链上的默克尔树结构将会变得非常复杂，并在一定程度上影响学习成果认证的效率，故未来可考虑引入索引默克尔树（Index Merkle Tree，IMT）结构来进行系统优化。
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Research on the Credit Bank System based on Blockchain Technology
LI Zhi-hong1 QIU Ting-yu1 LI Ke-xin2
(1. School of Business Administration, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong, China 510641;
2. School of Journalism and Communication, Shandong University, Jinan, Shandong, China 250100)
Abstract: Credit bank is an important approach to construct a lifelong learning system and a learning society. Based on this, the paper firstly analyzed the management problems of centralized credit bank, and interpreted the blockchain technology. Then, the credit bank system based on blockchain technology was designed. Finally, the implementation mechanism of the credit bank system based on blockchain technology was discussed from the dimensions of alliance chain, side chain and main chain of credit bank. Studying the credit bank system based on blockchain technology had positive significances for breaking “information barrier”, improving the credibility and efficiency of learning achievement certification and transformation, building personal lifelong learning electronic files, and providing theoretical references for the development of credit bank.
Keywords: credit bank; blockchain technology; learning achievement certification and transformation; lifelong learning
*基金项目:本文受国家自然科学基金项目“基于超网络的大众协同创新社区用户知识主体挖掘方法研究”（项目编号:71571073）、广东省哲学社会科学十二五规划项目“基于超网络的大众协作创新社区用户知识挖掘与整合方法研究”（项目编号:GD14CGL09）资助。
作者简介:李志宏，副院长，教授，博士，研究方向为区块链技术与应用、知识系统工程、管理信息系统、商务智能与决策支持等，邮箱为bmzhhli@scut.edu.cn。
收稿日期:2019年1月30日
编辑:小米
