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邵文莎 于倩.区块链在学分银行数据安全治理中的应用研究[J].中国教育信息化,2023,29(9):082-090.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.09.010
高等教育数字化发展研究
区块链在学分银行数据安全治理中的应用研究
邵文莎 于倩
摘 要：随着学分银行实践探索的不断深入，学分银行信息系统存储的数据体量日渐庞大，数据内在价值的不断提升，数据安全和隐私问题也被逐渐放大。近年来发展起来的区块链技术可以为数据安全治理工作提供新思路，并已在教育领域有着诸多成功应用。在总结分析区块链关键技术及其在学分银行信息系统中应用价值的基础上，探讨利用区块链技术保障学分银行信息系统数据安全的路径：设计基于区块链分布式存储技术的学习成果存储体系结构和运行模式，以确保学分银行海量数据的安全性；利用区块链技术打造基于密码学技术的个人隐私数据保护模式，以保障学分银行学习者的隐私；应用基于区块链智能合约的学习成果转换执行，以提高学分银行学习成果转换的公信力。最后分析区块链应用于学分银行需要进一步解决的问题，包括现有信息系统与先进技术深度融合、去中心化与主体监督、区块链的能耗等问题。
关键词： 学分银行；区块链；数据安全；分布式存储；密码学；智能合约
中图分类号： G434
文献标志码： A
文章编号： 1673-8454（2023）09-0082-09
作者简介： 邵文莎，江苏开放大学江苏省终身教育学分银行管理中心助理研究员，硕士（江苏南京 210036）；于倩，通讯作者，山东开放大学发展规划处教授，硕士（山东济南 250014）
基金项目： 2020年度江苏省社会教育规划重点课题“区块链技术在社区教育学习成果认证中的应用研究”（编号：JSS-B-2020003）；2020年度江苏开放大学（江苏城市职业学院）“十三五”科研规划课题“区块链技术在学分银行信息系统中的应用研究”（编号：2020-J-04）
一、引言
学分银行模拟和借鉴银行的机理、功能和特点，以学分为计量单位，对学习者的各级各类学习成果进行统一认证与核算，是具有学习成果认证、积累与转换功能的新型教育管理制度[1]。学分银行信息系统作为为广大学习者提供各级各类学习成果认证、积累与转换的信息化载体和支撑平台，是海量学习者及其学习成果等各类数据的汇聚中心。随着数字经济时代的到来，数据作为关键生产要素，蕴含着丰富的资源。与此同时，高价值数据泄露、贩卖隐私、个人数据滥用、数据跨境流动等数据安全事件层出不穷，数据安全治理工作也面临着前所未有的挑战。
2019年10月24日，习近平总书记在中共中央政治局第十八次集体学习时强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，探索“区块链+”在民生领域的运用，积极推动区块链技术在教育、就业等领域的应用[2]。作为数字经济的基石，区块链技术的应用可以为数据安全治理工作提供新思路[3]。由此可见，在数字经济时代，研究区块链技术在学分银行数据安全治理中的融合应用，不仅有助于进一步发挥区块链技术的积极作用，还可以为国家学分银行顶层设计提供借鉴。
二、区块链概述
（一）区块链技术的原理和优势
区块链技术是一种数据以区块为单位产生和存储，并按照时间顺序首尾相连形成链式结构，同时通过密码学保证不可篡改、不可伪造及数据传输访问安全的去中心化分布式账本。区块链由一个个数据块组成的，每个数据块包括两部分，分别是区块头和区块体。区块头用来记录当前区块的特征值，区块体则用来记录自上一区块生成以来完成所有交易的数据，时间越久，数据链越长，越难篡改数据。
区块链通过分布式数据存储、加密算法、智能合约等技术手段，在分布式系统中实现不依赖于某个中心的点对点交易与协作。在传统信息系统安全方案中，安全依赖于访问限制，而区块链通过密码学技术使得数据难以篡改。另外，由于区块链技术具有的去中心化特点，决定了其部署灵活且可靠。同时，由于区块链由多个节点构成，当某个节点出现故障，不管是网络故障还是硬件故障，均不会影响整个系统的运行以及其他节点的参与。鉴于此，区块链可以为中心化系统提供相对安全的解决方案。
（二）区块链技术在教育领域的应用
当前，区块链技术在教育领域已经得到广泛的应用。从国际范围内来看，区块链技术在教育领域的应用主要集中在学习记录存储、学习成果认证、学历证书认证等方面。例如，在学习记录存储方面，有研究者提出一种基于区块链技术的教学记录管理方案，用于构建个人可以管理教育记录的环境，实现教育信息记录与修改的去中心化，让学习信息记录更加公开透明，可以连接大学和企业，支持企业雇员的在职继续教育[4]；在学习成果认证方面，有研究者认为，区块链技术所具备的不易篡改性、可追溯性等特征，使学习者的学习经历实现无缝共享，将会对在线学习的学习成果认证与学习数据管理的方式带来变革，甚至会产生颠覆性影响，同时，也有研究者指出，虽然区块链技术在教育中的应用有无限可能，但在当前日益数字化的学习环境中，其可能会导致学习者个人资料的泄露[5]；在学历证书认证方面，麻省理工学院的媒体实验室（MIT Media Lab）还应用区块链技术研发了数字证书平台，并发布相关手机应用，该平台通过非对称加密算法检验证书颁发者和浏览者的相关信息，通过区块链技术为学习者颁发学历证书，极大地简化了学习者成绩单申请的流程[6]。
就国内范围内来说，作为一项重大技术创新的区块链技术也越来越受到重视。早在2017年，清华大学就成立了区块链技术联合研究中心，扎根中国大地，专注于区块链技术研究及其产业化应用。目前，区块链技术也逐步应用到教育领域，在学习过程跟踪、学习记录存储等方面，形成诸多研究成果。例如，中国香港几所大学构建了一个基于以太坊的区块链数字化学习系统概念模型，以实现对学习过程的跟踪[7]；黄太进等借助以太坊架构，基于区块链技术，设计了一种去中心化的终身教育记录跟踪方案，为学习者提供安全防泄露的教育记录数据[8]；李青等认为，区块链技术可以用来实现对学习者学习记录的分布式存储，以保证学习记录的安全可信[9]。
三、区块链关键技术
区块链不是一项单一的技术，而是多种成熟技术的有机整合。区块链包括的关键技术有分布式存储、密码学、智能合约等。
（一）分布式存储
分布式存储技术是由位于散点式物理地址的多台独立机器设备共同进行开放存储，每一个参与节点均独立完整地存储数据信息，通过这种方式，将数据信息备份在每一个节点上。该技术一方面可以有效避免由于单点故障造成的数据丢失，另一方面还可以有效规避恶意篡改数据，确保数据存储全过程的安全可靠。
（二）密码学
密码学技术是整个区块链的核心。目前，区块链应用中采用较多的密码学技术是非对称加密算法和哈希算法。非对称加密算法是一种密钥的保密方法，其需要两个密钥：公开密钥（简称公钥）和私有密钥（简称私钥）。公钥与私钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能进行解密。在区块链中，非对称加密算法实现机密信息交换的基本过程是：甲方生成一对密钥并将公钥公开，乙方使用甲方的公钥对信息进行加密，之后发送给甲方；甲方用自己的私钥对加密后的信息进行解密。哈希算法则是一种特殊的加密算法，其利用函数把任意长度的输入映射成固定长度的字符串，输出的字符串即为该输入的哈希值。对于区块链中的数据，可以利用规定好的哈希算法进行运算，并与之前保留的哈希值进行对比，如果两个哈希值相等，说明区块链中的数据没有损害。图1是默克尔树哈希算法的结构，运用该结构可以将数据块用哈希算法进行精简并保存。
图1 默克尔树结构的哈希算法
（三）智能合约
智能合约通过计算机技术来实现，是部署在区块链上可自动执行的数字化协议。智能合约是可以按照预设合约条款自动执行的计算机程序，旨在以数字化方式达成共识、履约、监控履约过程并验证履约结果。由于整个合约的处理过程均由系统自动完成，极大地减少人为参与的环节，具有公开透明、可编程、可信任、不可篡改等特点。
四、区块链助力学分银行信息系统建设
（一）学分银行信息系统建设现状
国家互联网信息办公室发布的《数字中国发展报告（2020年）》显示，上海、浙江、江苏等省（市）信息化发展水平位于全国第一梯队[10]，这些地区均较早采用信息化手段构建了学分银行信息系统。早在2012年，上海市终身教育学分银行成立运行，这也是国内首家区域学分银行，同年，上海市终身教育学分银行信息系统上线运行。经过十年的业务实践，截至2022年8月，上海市终身教育学分银行信息系统累计开户用户达118余万，存入个人学习成果超过9269余万条[11]。2017年，浙江省终身教育学分银行信息系统正式上线，截至2022年8月，累计建立个人终身学习账号1515余万个，存入个人学习成果7021余万条[12]。2016年，江苏省终身教育学分银行信息系统正式上线，截至2022年8月，累计开户数238余万个，存入个人学习成果2196余万条。江苏省终身教育学分银行管理中心发布的《中国学分银行建设进展调查报告（2021）》显示，目前我国已有34家学分银行独立开展业务，其中近8成学分银行建设有学分银行信息系统管理平台；自2017年起，学分银行建设信息管理系统平台的步伐加快，并呈现稳步增加的趋势[13]。随着学分银行各项业务的持续开展，学分银行信息系统存储的数据体量日渐庞大，数据内在价值不断提升，导致数据安全和隐私问题也被逐渐放大。
为了解决数据安全问题，有些学分银行信息系统已经采用了区块链技术。欧洲学分转换和累积系统EDUCTX平台，是目前区块链技术在学分银行应用中最为典型和成功的案例[14]。EDUCTX 平台是全球具有代表性的学分银行实践之一，该平台最早基于AＲK[15]区块链实现，后来的版本则基于以太坊。印度有研究者提出的学分转换系统[16]则是 EDUCTX 之后的又一项成功应用，其原型也是基于AＲK区块链平台实现。就国内范围而言，浙江省终身教育学分银行依托我国自主研发的Hyperchain区块链技术平台，将区块链技术应用在区域学分银行信息系统中，是国内首家应用区块链技术的区域学分银行[17]。
（二）区块链技术在学分银行信息系统中的应用价值
就学分银行信息系统内部而言，目前的数据安全防护等级尚未达到绝对安全的程度；就学分银行信息系统外部而言，数据的安全性也将面临越来越严峻的挑战。而具有透明、可信、安全、防篡改、多中心、可追溯等优点的区块链技术，可以保证学分银行信息系统中各类数据的安全性、隐私性和公信力，为“人人皆学，时时能学，处处可学”的学习型社会提供可信赖的记录载体。
目前，学分银行信息系统数据主要依托中心化机构进行托管，通常由教育行政主管部门委托当地开放大学进行建设和管理，并设立学分银行管理中心负责日常业务运行管理，所有的数据和代码一般都存储在中心化的服务器上，当数据请求方查询数据时，需通过中心数据库进行本地查询并将数据传给数据请求方，整个过程依靠中心化的第三方，数据安全性无法保证。基于区块链的分布式存储技术，可以不依赖于中心进行信息交流处理，同时，由于区块链上存储数据具有不可篡改特性，从而能够增强学分银行信息系统数据安全性。
此外，学分银行信息系统中的许多信息关乎学习者个人隐私，中心化的平台作为流转数据价值的载体，可能会导致原始数据信息泄露，而通过区块链技术进行加密处理能够有效解决数据的隐私问题，还可以运用加密算法对数据进行保护，以此保障学分银行信息系统数据隐私性。
当前，学分银行中学习成果认证、积累、转换等业务的开展，需要在学分银行管理中心的统一管理下逐级审批。虽然大多数学分银行均建立多级服务体系，也通过信息化手段在学分银行信息系统中得到实现，学习者可以在信息系统中提出申请，学分银行分中心、分网点进行初审，学分银行管理中心进行复审，但仍然要消耗大量的资源进行审核，同时，由于可能存在暗箱操作，审核结果也缺乏权威性与公信力。区块链智能合约具有自动化执行的特点，通过构建智能合约，在没有第三方参与的情况下进行交易，可以有效避免人为因素影响，确保交易真实可信，从而提升学分银行信息系统数据的公信力。
五、基于区块链构建学分银行信息系统的路径
本文将分布式存储、密码学以及智能合约等区块链内核技术，嵌入到学分银行信息系统。借助分布式存储技术发挥各节点共同存储和维护的优势，可以有效避免各类数据被篡改和被攻击的问题；依托密码学技术设定读取有效数据的权限范围，可以有效保障学习者的个人隐私数据；利用智能合约实现学习成果转换的一键式完成，自动将隐私信息按不同等级采取不同的保护措施，可以有效提升学习成果转换的公信力。
（一）构建基于分布式存储技术的学习成果存储体系
在数字化转型背景下，学分银行信息系统需要为各类用户提供学习成果的存储、积累、转换、查询等主要功能，还需要提供相关智能化服务等衍生功能，这些均以存储大量数据作为前提。因此，如何对数据进行安全有效存储，确保学分银行信息系统具有对于各种异构平台数据进行整合和分析的功能，是建构学分银行信息系统所需考虑的首要问题。而区块链技术可以用于分布式学习记录与存储，允许任何教育机构和学习组织跨系统、跨平台地记录学习行为和学习结果，并永久保存在云服务器中，形成个体学信大数据[18]。
采用区块链分布式存储技术构建学习成果存储体系，不仅可以破解教育数据孤岛的难题，还可以排除中心机构的干预。本文提出的基于分布式存储技术的学习成果存储体系整体设计如图2所示。
图2 基于分布式存储技术的学习成果存储体系
各类教育机构可以申请加入学分银行合作联盟，成为联盟成员单位后，在图2所示的学分银行区块链系统支持下，以联盟链形式展开合作，允许联盟的各组织机构通过侧链账本记录学习者在不同机构的学习经历。学习者在不同时间、不同的机构组织进行学习的学习记录，都可以汇总到学分银行的主链账本中，而用人单位等组织机构则可以作为查询者，通过学分银行主链账本查询学习者完整的学习成果信息。分布式存储技术将数据存储在各个区块上，能够保证学习记录的安全和可信，这是因为传统学分银行信息系统依赖中心服务器集中式存储数据，容易遭受单点攻击，一旦中心服务器崩溃，信息安全将难以得到保障，而采用区块链技术的信息系统，不依赖于中心服务器，想要篡改数据，需要拥有超过全网50%的算力，篡改难度大幅增加，这能够有效保护学习者及其学习成果的信息安全。
（二）打造基于密码学技术的个人隐私数据保护模式
随着信息技术的高速发展，搜集个人信息变得越来越容易，学分银行信息系统不仅存储了学习者的身份证号码等个人隐私数据，还存储了学习者的学习成果等个人学习经历数据，由于区块链中记录学习者及其学习成果数据的全局账本在网络中是公开的，对此类信息的不当使用可能会给个人造成财产及精神上的损失。因此，采用有效措施使得学习者的个人隐私得到充分的保障是学分银行信息系统构建中需要解决的问题，而区块链中的密码学技术正是可以有效解决个人隐私数据保护问题的技术方案。
教育机构可以采取加密算法打造基于区块链的学分银行信息系统，使用非对称加密技术控制用户加密与解密的权限，防止信息被篡改；使用哈希算法用于数据完整性进行校验，通过提取精简的信息，使得长期的信息得以保留凭据，验证数据的唯一性，进一步防止信息被篡改。采用以上密码学技术产生的区块链数据块，可以有效保障学习者的个人隐私。学习者则可通过授权的方式使得只有被授权的用人单位可以查询学习者的相关信息，具体过程如图3所示。学分银行管理中心可以对于区块链中的数据进行统一管理，当学习者投递简历时，可以发出经历数据证明请求，通过设置权限授权相关用人单位查询学习者的学习经历数据，进而保障了学习者的个人隐私数据。
图3 基于密码学技术的个人隐私数据保护模式
（三）应用基于区块链智能合约的学习成果转换执行
随着终身学习时代的来临，学习者很可能在不同时间选择不同教育机构进行学习，其各类学习成果数据都可以存储在学分银行信息系统中。因此，支撑个人学习成果数据的跨机构、跨域流通，实现学习成果的互认与转换作为学分银行建设的重要内容，是构建服务全民终身学习体系的关键一环，也是需要重点关注的方向，而区块链智能合约技术可以有效解决这一问题。
当前，在学分银行体系下，教育机构可以通过学分银行专家委员会研制学习成果转换规则，再由学分银行管理中心发布，不同教育机构申请加入学分银行合作联盟，根据转换规则进行学习成果的互认与转换。研制好的学习成果转换规则通过代码的形式录入在区块链中，生成并发布智能合约，一旦触发约定时的条件，就会有程序自动执行合约。这种方式不依赖中心机构的参与，只需要通过智能合约就能完成转换，避免了人工审核，也消除了人为误差。其依托技术在学分银行信息系统与学习者之间建立合约，执行过的智能合约会清清楚楚地记录在区块链上，保证合约执行的安全有效，全过程可追溯；转换后的学习成果也会记录在区块链上，提供给教育机构及学习者个人查询。智能合约可以将学习成果转换规则在区块链上发布，基于智能合约自动执行，促使交易双方自动执行合约，从而实现学习成果转换的一键式完成。与此同时，还可以根据客户确定相应的授权或者合约，智能合约会自动将隐私信息按不同等级采取不同的保护措施，确保学习成果转换的公信力[19]。基于区块链智能合约的学习成果转换规则制定与执行流程如图4所示。
图4 基于区块链智能合约的学习成果转换规则制定与执行
综上，学分银行信息系统可以借助分布式存储技术建立学习成果分布式存储账本，利用密码学技术保护个人隐私数据，依托智能合约完成学习成果转换自动执行，进而充分保障学分银行数据安全，提升教育管理信息化、数据化、智能化水平。
六、 区块链应用于学分银行需要进一步解决的问题
（一）现有信息系统与先进技术深度融合的问题
尽管区块链技术可以很大程度上解决教育信息化过程中的数据安全问题，但在与现有学分银行信息系统兼容时，也存在着数据兼容性的问题，需要做数据格式的工程处理，还要考虑数据安全、隐私保护等问题。因此，要在不影响使用的前提下，将当前学分银行信息系统中的已有数据逐步向区块链系统切换。
此外，目前学分银行信息系统正逐步与人工智能、大数据、物联网、云计算等技术深度融合，在与区块链技术融合的时候，也应对新技术的发展及影响进行考量。例如，教育机构可以利用人工智能技术，分配区块链的算力与存储；还可以利用大数据技术统计区块链数据，分析学分银行的现有问题以及未来发展趋势。
（二）去中心化与主体监督的问题
区块链技术应用到各种社会场景中，不可避免地涉及多方利益主体，带来许多社会问题。区块链具有去中心化的特点，其各个节点难以管控，容易引发各种问题。学分银行信息系统作为教育领域的关键系统，需要在符合教育法律法规和政策的情况下，建立监管机制来确保系统的合规运行。因此，教育机构需要研究区块链的监管问题，包括系统安全、防御攻击，以及存储的数据。
针对区块链监管难的问题，需要制定专门的技术标准，建立区块链的规范准则。例如，2019年国家互联网信息办公室发布的《区块链信息服务管理规定》就是区块链产业的监管规范[20]。学分银行信息系统承载的信息具有特殊性，可以制定专门的技术标准进行监管。事实上，区块链具有记录交易并防篡改的功能，可以研究将区块链作为监管的重要技术工具。当前，学分银行尚未形成统一的行业标准与技术标准，信息系统建设可以采用区块链技术不断进行试点，培养相关技术人才，逐步形成安全可靠且灵活的行业标准与技术标准，从而更好地为学习者服务。
（三）区块链的能耗问题
虽然区块链技术在学分银行数据安全治理中具有显著优势，但其加密运算和共识机制，可能导致能耗较高且效率较低，从而增加运行成本。
为了解决这一问题，需要进一步研究优化加密算法及降低能耗的技术手段，以提高区块链的运行效率和节约能源。当前，轻量级区块链技术应运而生，为降低计算和存储消耗提供可能[21]。
七、结语
本文剖析区块链关键技术在学分银行信息系统中的应用价值，提出利用区块链技术保障学分银行信息系统数据安全的路径，为学分银行区块链系统构建提供切实可行的参考思路。区块链技术可以保障学分银行信息系统的数据安全，为学习者提供安全可靠且灵活自主的数据存储和管理，从而推动学分银行建设的可持续发展。目前，区块链技术已经广泛应用于金融、工业制造、供应链、社会服务等领域。作为一种大规模协助工具，区块链技术不仅可以在不同领域的数据安全治理工作中发挥作用，还可以优化业务流程、提高协同效率。
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Research on the Application of Blockchain Technology in the Field of Data Security Governance of Credit Bank
Wensha SHAO1, Qian YU2
（1.Jiangsu Lifelong Education Credit Bank Management Center, Jiangsu Open University, Nanjing 210036, Jiangsu;
2.development planning office, Shandong Open University, Jinan 250014, Shandong）
Abstract: With the deepening of the practice and exploration of credit banking, the mount of the data stored in credit bank information systems as well as its corresponding value are increasing at an amazing rate, and the problems of data security and privacy are gradually amplified. The blockchain technology developed in recent years could effectively solve data security problems, and there are many successful applications in education and other fields. On the basis of analyzing and summarizing the key technology of blockchain and its application value in the credit bank information system，this paper discusses the path of using blockchain technology to guarantee the data security of credit bank information system: the first is to build a learning achievement storage system based on distributed storage technology to enhance the data security of credit bank information system; the second to build the protection mode of personal privacy data which based on cryptography technology to guarantee the data privacy of credit bank information system; the third is to utilize the application of learning achievement transformation execution based on blockchain smart contract to enhance the credibility of credit bank learning achievement conversion. At last, it analyzes the problem of integration of the current system and the advanced technology, decentralization, subject supervision and energy consumption in the field of applying blockchain to credit bank.
Keywords: Credit bank; Blockchain; Data security; Distributed storage; Cryptography; Smart contract
编辑：王晓明 校对：李晓萍
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