区块链的技术综述以及在高校信息化的应用探索

罗军锋 冯兴利

摘要：近年来，区块链技术发展迅速，已经引起了广大科技人员和产业人员的关注。随着区块链技术的发展和应用，必然会对高校信息化带来机遇与挑战。本文介绍了区块链的概念、特点及关键技术，并对区块链对高校信息化带来的机遇和挑战进行了初步探讨。

关键词：区块链；去中心化；高校信息化

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0077-02

1 引言

2008年一个叫中本聪的学者提出了被称为比特币的数字货币，这种数字货币底层核心技术就是采用了区块链，从此区块链随着比特币的风靡全球而掀起了一轮研究热潮。区块链技术被认为是继蒸汽机、电力、互联网之后的又一项颠覆性核心技术，因为将可能颠覆人类目前的中心化的价值传递方式。2016年美国、英国、日本等发达国家相继将区块链技术上升到国家战略层面，成立了区块链发展联盟。同年，国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》首次将区块链列入我国的国家信息化规划并将其定为战略性前沿技术之一[1]。当前，各个行业都在积极研究、积极探索怎么将区块链技术引入到行业内来解决行业难题，促进行业持续、创新发展。目前在金融、科技、能源、食品等领域都有不同程度的应用进展。随着区块链技术的发展进步以及应用领域的不断扩展，区块链在教育领域尤其是高等教育领域也有巨大的潜力，因此，本文将对区块链技术的概念与核心技术进行介绍，分析，结合高校信息化的现状，对即将面临的挑战进行分析，以抛砖引玉，加快我国高校信息化中区块链技术的应用进程。

2 区块链概念及特点

区块链是一种把区块以链的方式组合在一起的数据结构，它不再依赖中心化的机构，而是在各个节点中进行分布式存储。因此，区块链本质上是一个由众多独立节点参与的分布式数据库系统。区块按照交易的时间顺序生成并记录待处理的交易信息，由区块头和区块体两部分组成，区块头负责如何链接到下一个区块，区块体负责存储自前一个区块之后的交易数据信息[2]。

区块链技术的基本原理是将传统由中心化的机构统一进行记录和管理的集中式记账账单改变成由各个节点共同存储和管理维护的分布式账单，每一笔交易信息都对全网的用户是透明的，每一笔交易的信息都由有所有用户共同核对和管理，这种机制使得整个交易可以在互相缺乏信任的对象之间进行，从而保障信息的真实性与可信度。

区块链技术这种数据结构与运作机制，使区块链技术具有以下几个特点：去中心化、不可篡改、可追溯性及高度信任、高可用等特点。

（1）去中心化

区块链中的各个节点都是平等的，不存在所谓的中心节点，通过分布式存储的形式，由各个节点共同参与管理与维护、实现数据信息的自我验证、传递和管理。数据在每个节点互为备份，各节点地位平等共同维护系统功能，因此系统不会因为任意节点的损坏或異常而影响正常运行，使得基于区块链的数据存储具有较高的安全可靠性。

（2）不可篡改

区块链系统采取的是完全冗余的策略，每一个节点都有一份完整数据，由于运行于节点的共识机制使得某一个节点数据的非法篡改无法影响到其他节点，因此降低了数据篡改的风险。

（3）可追溯性

区块链存储着自系统运行以来的所有交易数据，这些数据信息全部存储在带有时间戳的链式区块结构里，具有极强的可追溯性和可验证性。区块链中任意两个区块间都通过密码学方法相关联，可以追溯到任何一个区块的数据信息，非常方便监管机构的审计和监督工作.

（4）高度信任

区块链是一个高可信的数据库，这种信任无须参与者的相互信任，而是依赖于算法的自我约束，任何恶意欺骗系统的举动都难以逃过其他所有节点的“慧眼”。

（5）高可用

传统分布式数据库采用主备模式来保障系统高可用，如果主数据库出现问题，备份数据库就及时切换作为主数据库这种架构方案配置复杂，维护烦琐且造价昂贵。在区块链系统中，任何节点都是一个异地多活节点，因此少部分节点故障不会影响整个系统的正确运行，并且故障修复后能自动从全网节点同步数据，保证了系统整体的高可用。

当然区块链虽然具有一系列优势特点，但并不意味着目前不存在局限性。区块链技术目前还存在着区块存储容量的限制、确认时间过长导致交易效益低下、基于工作量证明的共识机制能耗大等现象，同时还存在查询统计困难、数据隐私难以保证等问题，这些都限制了其在商业上的大规模应用。如同任何新技术一样，区块链技术的突破，还需要较长时间的积累。

3 区块链的架构与核心技术

（1）区块链的基础架构

区块链技术的基础架构模型如图1 所示。一般说来， 区块链系统由网络层、共识层、数据层、合约层和应用层组成[3]。 其中，共识层、数据层、合约层体现了区块链的核心所在。

（2）网络层

区块链选择使用了P2P协议作为网络传输协议，这种协议具有完全分布、可容忍单点故障的优势，因而区块链中的网络节点具有平等、自治、分布等特性。所有节点之间直接相互连通，不存在所谓的中心化权威节点和过多的层级结构，每一个节点均具有直接交易、路由发现、广播区块、发现新节点等相同的功能。

在区块链网络中，每一个节点时刻监听来自网络中的广播数据，当接收到新交易和新区块时，其首先便会验证这些交易和区块中交易数据的签名、工作量证明等是否有效，只有通过节点的验证，这些新交易和新区块才会被处理和转发，这样就防止了无效数据的继续传播[3]。

（3）共识层

在高度分散的去中心化系统中使得各节点高效地针对区块数据的有效性达成共识是区块链技术的其中一个核心优势。早期的区块链技术采用高度依赖节点算力的工作量证明（Proof of work， PoW）机制来保证比特币网络分布式记账的一致性。为了避免高度依赖节点算力所带来的电能消耗，研究者又提出多种不依赖算力而能够达成共识的机制， 例如权益证明（Proof of stake， PoS） 共识和授权股份证明机制 （Delegated proof of stake，DPOS） 等。对这些共识机制的封装从而形成了区块链的共识层。

（4）数据层

区块链的数据层可以从数据结构、数据模型、数据存储三方面来介绍。在数据结构方面，区块链引入了一种叫作区块的链式结构。每个区块由区块头和区块体两部分组成，区块头中存放了前块哈希、Merkle根、时间戳等信息，区块体中存放了自前一区块之后发生的多笔交易。区块链使用了Merkle树和区块链表来保障数据的不可篡改性。在数据模型方面，已经从采用交易模型转到采用账户模型来，二者的主要区别就是前者侧重于交易过程，而后者加强了交易余额或者业务状态数据的描述。由于区块链系统中存在大量哈希计算、交易、区块都依靠哈希值进行标识，所以底层数据库通常都选择了Key-Value数据库。

（5）合约层

智能合约是运行在区块链上的一段计算机代码，其扩展了区块链的功能，对区块链的上层应用中的业务逻辑进行了扩展和约定。智能合约定义了交易逻辑及访问状态数据的业务规则，将其发布到区块链网络节点上让外部应用调用，并依照合约执行交易和访问状态数据。

随着区块链技术的发展，智能合约中的脚本语言也从非图灵完备的简单脚本向图灵完备的高级语言发展，大大提升了智能合约开发者的学习热情。另外，智能合约脚本不能直接运行在区块链节点上，这是为了保障节点的安全，而是运行在隔离的沙箱环境中，类似java虚拟机的环境。

（6）应用层

应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例。

4 区块链技术对高校信息化带来的机遇与挑战

区块链技术的特点决定了其必将影响传统的中心化的体制机制，必将带来数据库技术的一次革命性的探索，对高校领域的应用场景至少包括：

（1）学籍证明

由于区块链技术的不可篡改特性 可把区块链技术应用于学籍证明，以保障学籍信息的安全性和真实性。通过区块链技术可以大大減少高校维护学生基本信息的成本，数据的可信性能得到充分的保障。

（2）教师教学资源的自治化管理与资源共享

区块链是一种不设置中心管理、只通过分布式计算的网状结构。广大教师的教学资源均为非结构化数据，通过区块链技术的引入，利用它去中心化的特征以及智能合约，共识机制就可以充分调动各个节点—教师之间的传递、管理，最终实现教师教学资源的自治化管理与资源共享。

（3）电子签名

利用区块链中智能合约可以存储个人的身份信息这一特点，一旦身份信息被篡改就会触发一定的条款，身份所有者就会知晓。加上区块链中的时间戳、以及特有的可追溯性，可以确保签名人信息的完整和权威。

（4）分布式存储

对于关键信息，采用基于区块链的存储技术将大大提升数据的可靠性、安全性。目前已经出现了比较成熟的基于区块链的文件存储系统，如：Storj，siacoin等。

可以肯定地说，虽然区块链技术目前还不成熟，但不妨碍她在不远的将来对高校的信息化带来新的提升，高校信息化的发展必然也是紧跟技术前沿，作为高校信息化从业者将任重道远。

5 结束语

区块链能够做到在没有第三方权威机构的监督管理下，能够在互相不熟悉、不了解的交易双方间之间建立可靠的信任，以保证交易双方的正常交易。这种模式对传统中心化的机制带来了巨大的冲击，其天然的可信、安全的机制使得区块链的发展应用带来更多的想象空间，区块链技术作为当下最热门的技术之一，值得我们投入更多的时间与精力进行学习和研究。

参考文献：

[1] 杨现民，李新，吴焕庆，赵可云. 区块链技术在教育领域的应用模式与现实挑战[J].现代远程教育研究，2017（2）：34-44.

[2] 袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（4）：481-494.

[3] 邵奇峰，金澈清，张召，钱卫宁，周傲英.区块链技术：架构及进展[J].计算机学报，2018，5，41（5）：969-988.

【通联编辑：王力】