[论文解读] BSSSQS: A Blockchain Based Smart and Secured Scheme for Question Sharing in the Smart Education System

Anik Islam, Md. Fazlul Kader+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 32被引用 8

一句话总结

本文提出BSSSQS，一种基于区块链的方案，用于在智能教育系统中实现安全且去中心化的试题共享。该方案采用两阶段加密方法，结合时间戳和哈希链，以保护试卷安全；通过智能合约实施时间锁定访问控制；并实现随机、安全的试题选择。通过形式化分析与对比评估，证明其在安全性与完整性方面优于现有模型。

ABSTRACT

Existing education systems are facing a threat of question paper leaking (QPL) in the exam which jeopardizes the quality of education. Therefore, it is high time to think about a more secure and flexible question sharing system which can prevent QPL issue in the future education system. Blockchain enables a way of creating and storing transactions, contracts or anything that requires protection against tampering, accessing etc. This paper presents a new scheme for smart education, by utilizing the concept of blockchain, for question sharing. A two-phase encryption technique for encrypting question paper (QSP) is proposed. In the first phase, QSPs are encrypted using timestamp and in the second phase, previous encrypted QSPs are encrypted again using a timestamp, salt hash and hashes from previous QSPs. These encrypted QSPs are stored in the blockchain along with a smart contract which helps the user to unlock the selected QSP. An algorithm is also proposed for selecting a QSP for the exam which picks a QSP randomly. Moreover, a timestamp based lock is imposed on the scheme so that no one can decrypt the QSP before the allowed time. Finally, security is analyzed by proving different propositions and the superiority of the proposed scheme over existing schemes is proven through a comparative study based on the different features.

研究动机与目标

• 为应对学术机构中日益严重的试题泄露（QPL）问题，特别是在发展中国家。
• 设计一种安全、去中心化且防篡改的系统，用于在智能教育环境中共享考试试题。
• 利用区块链技术确保考试试卷的数据完整性、机密性与访问控制。
• 引入一种新颖的两阶段加密机制与时间锁定访问控制，防止试题被提前非法访问。
• 实现随机、不可预测的试题选择，以增强考试公平性并降低可预测性。

提出的方法

• 采用两阶段加密流程：首先，使用时间戳对每份试题（QSP）进行加密；其次，将结果使用前一份QSP的哈希值、盐值及新时间戳重新加密。
• 在区块链上部署智能合约，用于管理访问控制，并仅在指定时间后解锁QSP。
• 基于时间戳的锁定机制可防止在预定考试时间前解密，同时对非法访问尝试提供实时警报。
• 使用随机化算法选择考试用QSP，确保选择过程不可预测且公平。
• 系统将所有加密后的QSP存储于许可型区块链上，确保不可篡改性与可审计性。
• 该架构支持远程考场之间的试题分布式共享，消除对中心化权威机构的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用区块链技术防止智能教育系统中的试题泄露（QPL）？
• RQ2 何种加密机制可同时保障考试试卷在分发前与分发过程中的机密性与完整性？
• RQ3 如何实现时间锁定访问控制，以防止考试试卷被提前解密？
• RQ4 所提出的随机化算法在多大程度上提升了试题选择的公平性并降低了可预测性？
• RQ5 BSSSQS在安全性与可信度方面，相较于现有集中式及非区块链的试题共享方案，表现如何？

主要发现

• 所提出的两阶段加密机制通过结合基于时间的混淆与前序QSP的密码学链式结构，显著提升了安全性。
• 区块链的集成确保了数据不可篡改性，防止对存储试题的任何非法修改。
• 时间戳锁定机制成功阻止了在指定考试时间前访问QSP，且对非法访问尝试提供实时警报。
• 随机化算法确保用户无法预测将被选中的QSP，从而提高了考试公平性并降低了串通风险。
• 安全分析表明，BSSSQS对重放攻击、延迟重放攻击及中间人攻击等常见攻击具有强韧性。
• 全面对比显示，BSSSQS在所有关键特性上均优于现有方案，包括区块链支持、加密机制、时间戳锁定与分布式共享能力。