基于区块链的去中心化教育机构消息应用程序

软件影响16（2023）100494原始软件出版物面向教育机构的Chirag Jania，Raaj Anand Mishrab，Anshuman Kallac，a印度巴多利Uka Tarsadia大学CGPIT信息技术系b印度班加罗尔戴尔科技公司c印度巴多利Uka Tarsadia大学CGPIT计算机工程系A R T I C L E I N F O关键词：区块链DLT智能合约教育假信息A B标准本文重点关注虚假或错误信息的问题，特别是在教育系统中，由于数字消息应用程序的使用越来越多，这一问题正在上升。这些数字应用程序是集中的，容易受到安全攻击，并且不提供出处。为了解决这些问题，我们提出了一个基于区块链的去中心化消息应用程序（DMApp），它只允许教育机构中的真实用户以安全和防篡改的方式发送（和转发）信息。如果有任何错误信息被推送到系统中，原始创建者可以被跟踪和识别，这要归功于DMApp的去中心化、分布式和出处特性。代码元数据当前代码版本1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-313可复制胶囊法律代码许可证LGPL v2.1使用git的代码版本控制系统软件代码语言，工具和服务使用Remix IDE，Solidity，ReactJS，BootStrap，Visual Studio Code，Ganache，MetaMask编译要求，操作环境依赖Windows≥10，NodeJS 16.14.1，npx≥8.15.0如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/Chirag-Jani/decentralized-message-sharing-app/blob/master/README.md问题支持电子邮件chiragjani5901@gmail.com1. 介绍今天，数字化已经完全改变了我们在这个世界上生活和互动的方式。毫无疑问，它改善了我们的生活质量。然而，数字信息很容易受到安全攻击和操纵，除非底层技术是万无一失的。随着数字数据共享平台的广泛使用，确保信息流动的合法性变得越来越困难[1]。这导致虚假信息泛滥，在COVID-19大流行期间对我们的世界产生不利影响[2]。许多国家以及联合国教科文组织都对假新闻和错误信息表示担忧[3本文考虑了一个重要的情况下，信息传递的教育组织。教育场所内的各种利益相关者需要在日常基础*通讯作者。以及在重要时刻，例如学术课程开始时、考试期间和课程结束时。这些信息可以简单到改变某门课程/科目的特定讲座的地点，也可以像考试时间表或课程的最后报名日期一样重要。任何对此类信息的操纵或创建新的虚假信息都可能对学生、教职员工或教育系统中的任何其他实体现有的数字（和社交）媒体平台及其基础技术在处理教育组织内产生的虚假信息方面面临困难。原因是;首先，它们旨在通过交换信息将人们联系起来，而不是处理虚假的信息流行病（通过识别、跟踪、消除和阻止）;其次，它们是通用的，而不是定制的电子邮件地址：chiragjani5901@gmail.com（中文）Jani），raaj2045@gmail.com（R.A.Mishra），anshuman. ieee.org，anshuman. utu.ac.in（A.卡拉）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100494接收日期：2022年12月29日;接收日期：2023年2月21日;接受日期：2023年3月6日2665-9638/©2023由Elsevier B. V.发布。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsC. Jani，R.A.Mishra和A.卡拉软件影响16（2023）1004942表1区块链和智能合约支持的教育机构消息传递系统的显著特征和适用性。适用于教育环境去中心化没有实体控制或拥有系统，任何节点都同样能够添加新块。使用加密技术，如Merkle树和哈希不允许篡改。不可否认性所有的交易都被推入系统，数字签名，因此用户不能否认他/她在系统中的活动。由于区块仅以按时间顺序添加的方式添加，并且所有交易都经过数字签名，因此系统可以准确地跟踪一系列活动的起源。可审计性基于智能合约的访问可以提供给少数选定的用户，他们可以审计消息传递系统以确保合规性并检查任何未经授权的访问。对等交易处理和使用自动执行的智能合约消除了第三方中介的使用。for educational教育settings设置.此外，许多可用的信息共享应用程序主要由服务提供商以集中方式管理[6]。这些应用程序的集中式操作方式导致了一些重要问题，例如数据所有权的丧失，由于没有中央服务器，任何单一实体都不可能通过教员操纵现有的消息。攻击者试图破坏用户在机构中发布的消息，将导致区块链状态的变化，其他节点将丢弃这些变化，从而保留原始信息。如果任何用户（学生或工作人员）发布了虚假或不正确的消息，那么他/她不能否认。任何发布或进一步分享的消息都可以很容易地追踪到第一个发布该消息的用户，因此学生和其他实体将避免发布虚假消息。如果用户发布假消息或滥用，指定实体可采取必要行动。缺乏可信的第三方可以确保只有教育机构的合法用户才能发送和接收消息。• 向社区提供DMApp的源代码以供进一步开发。本文的其余部分组织如下。第2节介绍了（不可见的）第三方的参与，隐私威胁，有时不可用。为了以统一的方式克服所有这些问题，可以利用区块链和智能合约区块链是一种分布式账本技术，其中账本在点对点（P2P）网络中的所有参与节点上复制[7，8]。分布式账本记录所有交易（即，活动或事件）按其发生的时间顺序排列。用于创建分类账的结构由一系列连接的块组成（即，链接）使用加密链接。 在给定的时间段内发生的一组有效交易被收集起来，形成一个称为块的单元。 这个新的块A逻辑上与通过存储“”的散列值，在A的块头中的块头。这样一来，新的交易 到新区块的创建，账本随着时间的推移不断增长。 智能合约通过软件化给定逻辑或业务流程的所有条款和条件来扩展基于区块链的系统的功能[9]。通过在区块链平台上部署智能合约，可以创建去中心化应用程序（DApps），其中后端是P2P去中心化节点网络（与传统应用程序中的中心化服务器不同）。区块链已被确定为一种有趣的技术，用于改善教育生态系统的许多方面，例如教育证书的颁发和共享[11]，奖学金的管理[12]，录取过程[13]和透明的评估过程[14]。一般来说，区块链也被提出来应对假新闻的传播[15]。因此，在本文中，我们开发了一个安全的分散式消息应用程序（DMApp）专门为教育机构设计。表1呈现了将区块链技术与智能合约结合用于教育机构的消息传递系统的优点。本文的主要贡献如下：• 提出一个基于区块链的消息传递解决方案，以满足教育机构的特定需求，包括学生，班级代表，教师，各部门负责人和院长等利益相关者。• 实施拟议的解决方案，并使用智能合约和以太坊区块链开发一个去中心化的消息传递应用程序（DMApp）。提出的架构和提供的各种功能。第3节讨论了实现细节和所用各种软件的细节。第4节考虑了开发的DMApp的影响及其局限性。最后，本工作的未来范围在第5节中介绍。2. 建议的体系结构在包括各种利益相关者的教育组织内用于消息共享的所提出的架构在图中描绘。1.一、该体系结构考虑的五种不同类型的用户是院长、系主任、职员（或教员）、班级代表（CR）和访客（学生）。每个用户的作用如下：• 院长：每一个教育机构都有最高的权力，在不同的环境中，相应的名称也不同。例如，这种权力大多被指定为学校的校长。在我们的架构中，为了简单起见，我们将Dean视为用户，他是研究所的负责人，因此处于层次结构中的第一（最高）级别。登记院长被认为是在学院成立时由政府最高机构批准的。此外，院长（研究所的负责人）可以批准任何其他类型的用户的注册（下面讨论）。院长可以向系统中的所有用户发布任何信息。最后，院长也可以批准CR的职位请求• 部门负责人（HoD）：一个研究所可能有多个部门，每个部门都有一个负责顺利运行该部门的负责人。我们将这样的用户视为HoD，她/他位于层次结构中Dean之后的第二层。在注册过程中，HoD填写所需的详细信息，并将注册请求发送给院长，院长批准它。一旦注册获得批准，HoD可以随时登录以查看任何现有的帖子或发送新帖子到系统中的所有用户。与院长一样，HoD也可以批准CR发送的帖子请求。C. Jani，R.A.Mishra和A.卡拉软件影响16（2023）1004943图1.一、教育机 构 中 安全和分散消息传递的 建 议 架 构 。• 工作人员：在某一教育机构工作的所有工作人员都被视为第三级。当一名工作人员注册时，该请求将发送给层次结构中较高级别的所有用户。这意味着，无论是团长或院长可以批准的登记申请的工作人员。一旦获得批准，工作人员可以登录查看任何现有的帖子或发送一个新的帖子，它将对系统中的所有用户可见。与院长和HoD一样，工作人员也可以批准CR发送的职位请求。• 班级代表（CR）：在许多情况下，学生可能需要发布一些信息。在这种情况下，任何班级的学生代表都可以代表任何学生发布信息。因此，在建议的体系结构中有一个规定，允许类代表（CR）创建和发布信息。CR是一种用户类型，位于层次结构中的第四层。CR需要在系统上注册，任何工作人员，HoD或院长都可以批准注册。 为了避免任何故意或意外的错误信息被发布，CR不能直接发布任何信息。由CR创建的帖子需要由更高层次结构级别中的任何用户批准。这意味着院长，HoD或工作人员需要查看和验证信息的正确性（有时，使用的语言）。一旦被批准，帖子就会对所有用户可见。• 访问者：任何访问用户都可以打开DMApp的门户网站查看所有过去的帖子。访问者无需注册或寻求批准即可查看已在平台上共享的信息2.1.各种功能所提出的架构提供的各种功能讨论如下：• 用户注册：任何想要分享信息的用户必须使用注册功能进行注册。在这里，重要的是要注意，院长的注册是在学院成立时由一些最高政府机构进行和批准的。 对于所有其他类型的用户，如HoD、工作人员和CR，他们的注册是由他们自己完成的。用户填写 在注册过程中，在注册页面上提供所需的详细信息。注册请求被发送到更高层级中的任何实体以供批准。例如，当一名工作人员注册时，请求会同时发送给院长和首长。任何人都可以在查看请求后批准（或拒绝）注册请求。C. Jani，R.A.Mishra和A.卡拉软件影响16（2023）1004944图二. DMApp的实现设置。• 用户登录和退出：所有用户通过运行登录功能访问区块链化消息平台，并且在执行任务后，他们可以使用退出功能退出。登录和注销功能可以根据需要执行多次;但是，注册功能仅在开始时调用一次• 直接信息发布：院长、HoD和工作人员可以调用此功能。在需要时，这些用户中的任何一个都会创建一条消息，并简单地将该消息发布在区块链化平台上。一旦有消息发布，它对所有用户都可见• 间接消息发布：当CR创建消息并将其发布在平台上时，每个人都不会立即看到它。CR的职位申请首先需要获得批准。所有处于较高层次结构级别的用户（例如院长、HoD和工作人员）都会收到有关此发布请求的通知（通过CR）。在当前版本中，任何收到通知的用户都可以批准该帖子请求，然后该帖子就会可见给大家因此，当CR发布消息时，该功能被自动调用。• 分享帖子：现有的帖子（通过直接消息或间接消息发布功能进行，如上所述）可以由任何注册用户重新共享，例如院长，HoD，工作人员或CR。3. 执行本节介绍已开发的区块链化DMApp的实现细节。图2显示了使用的实现设置。 DMApp的前端是一个配备MetaMask扩展的Web浏览器。此外，Next.js（一个React框架）和Web3.js的库函数用于构建前端。后端是一个去中心化的平台，使用Ganache（以太坊）区块链和以solidity语言编写的智能合约构建。目前已经开发了三种不同的智能合约--Main、Post和Auth合约。• 主合同：主合同由负责在平台上注册新用户的各种成员功能组成。 它记录所有的注册请求，并跟踪批准的用户。该协议还确保没有两个用户拥有相同的地址。• Post Contract：Post Contract处理（直接和间接）在平台上发布消息。当用户创建并发布新消息时，该过程由该合约管理。此外，该合约允许用户重新共享现有帖子。post合约跟踪所有帖子（包括原始帖子和重新共享的帖子）以及创建这些帖子的用户• Auth合约：登录和注销功能（即，用户认证）是通过调用Auth契约来执行的。合约从部署的主合约读取数据，并批准或拒绝用户的登录尝试。如果用户是已批准的现有用户，则登录成功，或者拒绝登录请求。3.1. 使用的软件• MetaMask [16]：它是一个用于访问Decentralized应用程序的浏览器扩展。Metamask将Ethereum web3 API注入浏览器，开发人员和用户可以使用该API与以太坊区块链进行交互，并提供创建账户、转移以太币、在DApp中签署交易以及与智能合约交互等功能• Web3.js：它是一个库集合，允许应用程序使用HTTP，IPC或WebSocket与本地或远程以太坊节点进行交互。它提供了各种功能和工具，开发人员可以使用这些功能和工具来编写代码，用于部署智能合约，与智能合约交互，获取帐户详细信息和启动交易。• React [18]：React是一个开源前端框架，由Meta和个人开发者社区维护。 它是一个基于组件的用户界面（UI）框架，用于使用可重用的UI组件开发单页应用程序• Ganache [19]：Ganache是一个允许开发人员运行 本地以太坊区块链它用于在本地部署智能合约和测试DApp。它可以用来模拟自定义以太坊区块链，也可以用来生成虚拟以太坊账户，这些账户可以进一步用于进一步的测试和开发。这三个智能合约部署在以太坊区块链之上。为了激励矿工参加C. Jani，R.A.Mishra和A.卡拉软件影响16（2023）1004945表2开发智能合约的各种成本合同名称成本（Gwei）成本（以太币）成本（美元）用气体GasLimit主力合约2,396,6040.0023966042，756，095三百万合同后2，058，742 0.0020587422，367，554三百万授权合同193，9810.0001939810.320223，0793，000，0002023年2月3日，1 Gwei =1 scin109 Ether，1 Ether = 1649.52美元以太坊P2P网络，他们需要经济上的回报。因此，区块链中的智能合约会产生一些成本。Remix [20]工具已用于计算三个智能合约的成本。表2列出了成本（以Gwei，Ether和USD为单位），使用的气体和计算期间设置的气体限制。4. 软件影响和限制虽然数字平台的激增使信息共享变得快速而容易，但它也允许假新闻的传播。在教育系统中，信息的安全共享是至关重要的。在这个方向上，我们已经建立了一个第一级的DMApp，它确保了安全的信息共享和重新共享的授权用户。因此，开发的DMApp预计将有助于开发一个安全，隐私保护，分散和可审计的信息共享教育生态系统。4.1. DMApp的独特功能据我们所知，这项工作是为教育机构设计和开发安全的基于区块链的DMApp的第一次尝试。以下是与现有数字平台相比，• 追踪：对于发布或重新共享的每条消息，DMApp提供了详细信息，例如最初创建消息的用户的公共地址，记录该消息的区块编号以及该区块创建时的时间戳（请参阅演示视频）。这些细节是使用智能合约从P2P区块链网络维护的分布式账本中检索的。因此，与现有的数字消息平台相比，开发的DMApp本质上提供了无缝跟踪和来源。• 可用性：由于以太坊区块链网络是DMApp的后端，因此任何参与节点（矿工）都能够执行部署的智能合约，处理交易，创建新区块，并确认区块内的交易。因此，即使P2P区块链网络中的一些节点（服务器）关闭，DMApp提供的服务仍然可用。• 防止被操纵的重新共享：在许多现有的数字平台中，用户可以在修改消息的同时重新共享消息。这种修改可能是虚假和恶意的，并且用户可能难以检测到这种修改。 例如，当电子邮件被转发时，其内容可以被修改。但是，DMApp不允许在重新共享发布的消息时进行任何修改。此外，即使攻击者在重新共享（在前端）时设法修改了帖子，系统也很容易检测到，因为两个帖子的哈希值不匹配。只有当区块链的整个状态被改变时，只有当区块链网络中的大多数节点都受到损害时才有可能。• 强大的安全性：由于分散的后端和加密技术的灵活使用，所开发的支持区块链的DMApp能够抵抗许多安全攻击，如DoS攻击、sybil攻击和重放攻击。 此外，所有活动，如消息发布，重新共享，并批准由用户进行数字签名。因此，DMApp可以很容易地识别虚假或错误信息，并且创建者不能否认他/她的行为（即，不可否认性）。• 强大的记录保存：DMApp提供了强大的记录保存功能，因为用户执行的所有活动都会记录在区块链中。此外，由于分类账仅在追加模式下更新，因此无法删除任何内容。虽然用户可以删除帖子，使该帖子对其他人不可见，但是该动作（即，删除）也被记录。此外，被删除的帖子（即使对用户不可见）仍然存在于区块链中4.2. 限制DMApp的限制如下：• 在当前版本的DMApp应用程序中，只能创建和共享基于文本的帖子。DMApp不允许共享图像或视频。• 新用户需要注册，请求得到批准更高层次级别中的用户。 但是，DMApp不允许Dean或HoD为其他人创建帐户，这有时是必需的。5. 未来范围开发的DMApp可以扩展到整个教育生态系统中的全球共享信息，包括各种学校，大学，研究机构，监管机构和理事会。等 基于区块链的信息共享结构可以限制教育系统中的虚假或错误信息，这可以使我们能够克服识别真实利益相关者（大学，教授和学生），共享学生证书，认证过程中的透明信息交换，公平和合规的录取过程以及知识产权的安全管理等方面的挑战竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作附录A. 补充数据与 本 文 相 关 的 补 充 材 料 可 以 在 网 上 找 到在https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100494。引用[1]P. 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Jani，R.A.Mishra和A.卡拉软件影响16（2023）1004946[9]S.鲁哈尼河Deters，智能合约的安全性，性能和应用：系统调查，IEEE Access 7（2019）50759-50779。[10] Y. Li，C. Chen，N. Liu，H. Huang，Z.郑角 Yan，基于区块链的分散式联邦学习框架与委员会共识，IEEENetwork 35（1）（2020）234-241。[11] R.A.米什拉A.卡拉A. Braeken，M. Liyanage，基于隐私保护区块链的架构和实现，用于共享学生凭证，Inf. 过程管理。58（3）（2021）102512.[12] 联合Tekguc，A. Adalier，K. Yurtkan，ScholarChain：具有区块链和智能合约技术的奖学金管理平台，载于：欧亚教育和社会科学学报，第18卷，2020年，第10页。86比91[13] R.J. Kutty，N. Javed，用于教育机构入学处理的安全区块链，在：2021年计算机通信和信息学国际会议，ICCCI，IEEE，2021年，pp. 一比四[14] Y.卡内科，S。田中T. Kimura，J. Okumura，S. Azuchi，S. Osada，Deexam：使用公共区块链的去中心化考试管理模型，在：2021年第三届区块链和物 联 网会议，2021年，pp. 1-7号。[15] S. 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