邱紅園，李繁

摘要：提出基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈和智能合約的傳染病預(yù)警機(jī)制.傳染病預(yù)警機(jī)制將醫(yī)療機(jī)構(gòu)作為聯(lián)盟區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)，采用非對(duì)稱加密技術(shù)結(jié)合星際文件系統(tǒng)（InterPlanetary File System，IPFS）在保護(hù)患者隱私的條件下實(shí)現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)安全共享.擁有數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的用戶可以使用患者私鑰從區(qū)塊鏈中獲取數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)智能合約實(shí)現(xiàn)疫情預(yù)警流程的自動(dòng)化.該方案可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間、防止數(shù)據(jù)被篡改，實(shí)現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)安全共享性和及時(shí)預(yù)警性.

關(guān)鍵詞：智能合約;傳染病預(yù)警;星際文件系統(tǒng);區(qū)塊鏈

[中圖分類號(hào)]TP3[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Infectious Disease Early Warning Mechanism based on

Alliance Blockchain and Smart Contract

QIU Hongyuan，LI Fan

（ school of Information Management，Xinjiang University of Finance and Economics，Urumqi 830012，China）

Abstract：Propose an infectious disease early warning mechanism based on the alliance blockchain and smart contracts.The infectious disease early warning mechanism takes medical institutions as nodes of the alliance blockchain，and uses asymmetric encryption technology combined with the InterPlanetary File System （IPFS） to protect patient privacy Realize the safe sharing of infectious disease data under the conditions.Users with data access rights can use the patient's private key to obtain data from the blockchain，and automate the epidemic early warning process by designing smart contracts.This solution can expand the storage space of data，prevent data from being tampered with，and realize the security of infectious disease data sharing and the timeliness of early warning.

Key words：smart contract;early warning of infectious diseases;interstellar file system;blockchain

傳染病數(shù)據(jù)的哈希值可分布式存儲(chǔ)在聯(lián)盟區(qū)塊鏈中通過智能合約技術(shù)自動(dòng)預(yù)警，可提高傳染病數(shù)據(jù)的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享.目前，國內(nèi)外對(duì)于區(qū)塊鏈技術(shù)在傳染病預(yù)警方面的應(yīng)用研究持積極探索態(tài)度.Azaria[1]等提出了MedRec項(xiàng)目，基于以太坊的智能合約，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)共享，促進(jìn)了醫(yī)院系統(tǒng)之間的互操作性.Bhattacharya[2]等提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于傳染病監(jiān)測(cè)中，以有效減少患者死亡人數(shù)、發(fā)病人數(shù)和因傳染病防控帶來的經(jīng)濟(jì)成本.Angraal[3]等基于區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一個(gè)平臺(tái)，可用于傳染病防控.Mashamba-Thompson[4]等提出了一種基于社區(qū)的新發(fā)傳染病區(qū)塊鏈和人工智能耦合的移動(dòng)互聯(lián)自檢跟蹤系統(tǒng).歐陽麗煒[5]等將區(qū)塊鏈與其他新興技術(shù)相結(jié)合，將其應(yīng)用于傳染病預(yù)警，實(shí)現(xiàn)傳染病監(jiān)測(cè)和預(yù)警的及時(shí)性.黎祖睿[6]等提出了聯(lián)盟式傳染病數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享.相比于國外而言，國內(nèi)在傳染病預(yù)警方面還缺乏系統(tǒng)的研究.本文將設(shè)計(jì)一個(gè)基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈架構(gòu)模型的傳染病數(shù)據(jù)安全共享模型，逐層分析其在傳染病預(yù)警過程中的功能和任務(wù)，使用智能合約技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳染病預(yù)警.數(shù)據(jù)傳輸采用非對(duì)稱加密技術(shù)，解決傳染病數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能存在的患者隱私泄露等問題.[7]

1方法與技術(shù)

1.1聯(lián)盟鏈

聯(lián)盟鏈對(duì)特定的組織團(tuán)體開放，預(yù)先選擇參與區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)，使用除工作量證明機(jī)制以外的其他共識(shí)算法，具有隱私性、速度快、去中心化等特點(diǎn).相較于私有鏈而言，訪問權(quán)限門檻低、算力高，無需高昂的成本就可以維持節(jié)點(diǎn)之間的連接.聯(lián)盟鏈上的內(nèi)容只有聯(lián)盟鏈成員才可以看得到，規(guī)則由聯(lián)盟設(shè)置.本文采用聯(lián)盟鏈架構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)共享.

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用星際文件系統(tǒng)進(jìn)行傳染病數(shù)據(jù)存儲(chǔ).對(duì)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)上傳的數(shù)據(jù)可以使用患者的公鑰對(duì)其加密，然后將其上傳到IPFS中.IPFS會(huì)將數(shù)據(jù)碎片化并生成哈希值.哈希值存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，在聯(lián)盟鏈成員中共享.IPFS技術(shù)的使用可以有效解決區(qū)塊鏈擴(kuò)容問題，具有永久性和去中心化的特點(diǎn).

1.3 非對(duì)稱加密技術(shù)在傳染病數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

非對(duì)稱加密技術(shù)用于數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名.公鑰由私鑰通過橢圓曲線加密算法生成，用來驗(yàn)證私鑰的簽名，公鑰在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上是公開的.[8]醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)送傳染病患者數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)原文分別做哈希和加密操作.針對(duì)哈希生成的摘要，用醫(yī)療機(jī)構(gòu)的私鑰簽名;針對(duì)數(shù)據(jù)原文，用患者的公鑰加密生成數(shù)據(jù)密文，再將加密后的數(shù)據(jù)和數(shù)字簽名封裝進(jìn)星際文件系統(tǒng)中.數(shù)據(jù)訪問者通過患者授權(quán)后，用患者私鑰解密得到數(shù)據(jù)原文，使用哈希函數(shù)獲取摘要，再將發(fā)送方的簽名用發(fā)送方的公鑰解密得出摘要，將得出的兩份摘要進(jìn)行比較，若一致則表示原文在傳輸過程中未被篡改，且內(nèi)容確實(shí)是發(fā)送方發(fā)送的.本文使用非對(duì)稱加密技術(shù)，保證傳染病患者數(shù)據(jù)的安全性和數(shù)據(jù)的完整性.

2基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的傳染病數(shù)據(jù)共享架構(gòu)設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的傳染病數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟鏈架構(gòu)如圖1所示，該區(qū)塊鏈可為傳染病數(shù)據(jù)共享鏈平臺(tái)中的醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供可靠的渠道.

2.1數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是聯(lián)盟鏈架構(gòu)的基礎(chǔ)層，采用時(shí)間戳、哈希函數(shù)、非對(duì)稱加密等技術(shù).時(shí)間戳技術(shù)可以使存儲(chǔ)在聯(lián)盟區(qū)塊鏈中的傳染病數(shù)據(jù)具有不可篡改和可追溯性的特點(diǎn).在系統(tǒng)中，每更新數(shù)據(jù)時(shí)生成的新區(qū)塊的頭部都會(huì)被加蓋時(shí)間戳，表明該區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)的寫入時(shí)間.一旦疫情爆發(fā)，時(shí)間戳技術(shù)可以準(zhǔn)確地追溯到首例病例，從而控制疫情，降低疫情蔓延風(fēng)險(xiǎn).[9]該技術(shù)可以為傳染病的追溯提供依據(jù)，并提供一個(gè)可靠、可追溯的傳染病溯源.

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層中，系統(tǒng)每當(dāng)產(chǎn)生新的傳染病數(shù)據(jù)時(shí)，都對(duì)其進(jìn)行廣播，通知其他區(qū)塊.其他區(qū)塊將自動(dòng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，丟棄不合法的數(shù)據(jù).區(qū)塊數(shù)據(jù)通過大部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，可以添加到傳染病大數(shù)據(jù)的主鏈上.網(wǎng)絡(luò)層確保流程中各環(huán)節(jié)信息的順暢流動(dòng)，不會(huì)因?yàn)槟承﹨^(qū)塊的損壞而中斷，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩图皶r(shí).

2.3共識(shí)層

共識(shí)層內(nèi)部封裝了多種共識(shí)算法.PoW算法要求節(jié)點(diǎn)重復(fù)執(zhí)行哈希計(jì)算，以找到一個(gè)滿足規(guī)則的隨機(jī)數(shù)Nonce，該值滿足哈希塊頭必須小于或等于目標(biāo)哈希值的要求.由于對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)的攻擊和篡改需要重新計(jì)算區(qū)塊以及后續(xù)所有區(qū)塊的SHA256難題，這種攻擊的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收益，以此保障區(qū)塊數(shù)據(jù)不被篡改.PoS是PoW的一種改進(jìn)節(jié)能機(jī)制，它對(duì)節(jié)點(diǎn)性能要求低，可以很快達(dá)成一致，在一定程度上解決了PoW的能源浪費(fèi)問題，但是也存在著由大股東完全操控的不足.

本文聯(lián)盟鏈傳染病數(shù)據(jù)共享模型采用PBFT共識(shí)算法.PBFT算法描述了分布式系統(tǒng)的一致性問題，是對(duì)PAXOS算法的一種改進(jìn).聯(lián)盟鏈的共識(shí)過程由預(yù)先選擇好的節(jié)點(diǎn)控制，由于聯(lián)盟鏈中參與共識(shí)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)比較少，因此，將各家醫(yī)療機(jī)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為記賬節(jié)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)一個(gè)區(qū)塊，該區(qū)塊記錄的交易將記入?yún)^(qū)塊鏈上.PBFT共識(shí)算法可以使聯(lián)盟鏈中的醫(yī)療機(jī)構(gòu)在不消耗大量算力和時(shí)間的情況下，就新數(shù)據(jù)的生成快速達(dá)成共識(shí).主節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)共識(shí)結(jié)果，判定所屬傳染病類型，確保數(shù)據(jù)增加的有效性，解決節(jié)點(diǎn)之間的信任問題，實(shí)現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)安全快速共享.

2.4合約層

合約層內(nèi)部封裝了各類可編輯的腳本代碼、算法和智能合約等.代碼中包含會(huì)觸發(fā)合約自動(dòng)執(zhí)行的條件.智能合約是區(qū)塊鏈的核心構(gòu)成要素，是一段部署在區(qū)塊鏈上可自動(dòng)觸發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，它為區(qū)塊鏈賦予了可編程的特性.

在本研究中，智能合約經(jīng)聯(lián)盟鏈中的醫(yī)療機(jī)構(gòu)簽署后，以程序代碼的形式嵌入?yún)^(qū)塊鏈傳染病數(shù)據(jù)上，經(jīng)P2P網(wǎng)絡(luò)傳播驗(yàn)證和超過2/3的節(jié)點(diǎn)共識(shí)通過后，計(jì)入?yún)^(qū)塊鏈的區(qū)塊中.智能合約封裝了預(yù)定義傳染病數(shù)據(jù)的上傳、存儲(chǔ)和訪問，傳染病自動(dòng)化預(yù)警的規(guī)則和自動(dòng)執(zhí)行條件.外部應(yīng)用只需調(diào)用智能合約，便可以按照合約定義的規(guī)則實(shí)行特定場(chǎng)景下的應(yīng)對(duì)行動(dòng)，區(qū)塊鏈也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能合約.[10]將智能合約應(yīng)用于傳染病預(yù)警中可以減少預(yù)警過程中的人為因素，自動(dòng)化預(yù)警減少由于醫(yī)院害怕承擔(dān)責(zé)任存在的瞞報(bào)現(xiàn)象.為了防止智能合約在運(yùn)行過程中可能存在的法律漏洞，政府應(yīng)以管理者身份介入智能合約，或者將法律以代碼形式寫入智能合約，部分中心化可以保證傳染病預(yù)警的可靠性和數(shù)據(jù)的透明可追溯性.

2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層為整個(gè)傳染病數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟鏈架構(gòu)的最頂層，屬于模型核心.在傳染病數(shù)據(jù)共享中，傳染病患者的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)利用等過程均在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn).

3基于智能合約的傳染病預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)基于智能合約的傳染病預(yù)警機(jī)制流程見圖2.

（1）高級(jí)語言（Solidity）根據(jù)傳染病數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、上傳、預(yù)警的業(yè)務(wù)規(guī)則編寫合約，將編寫好的合約部署到區(qū)塊鏈中，并制定用戶訪問控制權(quán)限.醫(yī)療機(jī)構(gòu)輸入對(duì)應(yīng)密碼通過身份驗(yàn)證后，實(shí)時(shí)采用非對(duì)稱加密算法把使用患者公鑰加密的傳染病患者信息和醫(yī)院簽名上傳至IPFS，IPFS根據(jù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)上傳的傳染病數(shù)據(jù)計(jì)算出哈希值.

（2）通過聯(lián)盟區(qū)塊鏈主節(jié)點(diǎn)數(shù)字簽名驗(yàn)證且共識(shí)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)后，調(diào)用智能合約，將哈希值和病人屬性信息存儲(chǔ)在聯(lián)盟區(qū)塊鏈上，打上時(shí)間戳.

（3）擁有數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的用戶通過請(qǐng)求區(qū)塊ID獲取鏈上存儲(chǔ)的哈希值，根據(jù)該唯一的哈希值在IPFS中訪問一個(gè)分布式哈希表，查詢所需數(shù)據(jù)，用患者授權(quán)使用的私鑰解密，獲取數(shù)據(jù)原文.

（4）對(duì)獲取的傳染病數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合傳染病預(yù)警合約自動(dòng)分析結(jié)果，產(chǎn)生分析報(bào)告.當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳染病患者時(shí)，系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地分享其診斷信息和臨床表現(xiàn)，通過智能合約實(shí)時(shí)監(jiān)控各地區(qū)傳染病數(shù)據(jù)，有效識(shí)別和監(jiān)管危險(xiǎn)區(qū)域和傳染病患者，進(jìn)行預(yù)警與決策，以預(yù)防和控制大規(guī)模突發(fā)性疫情.預(yù)警充分運(yùn)用智能合約閾值判斷和大數(shù)據(jù)分析，一旦觸發(fā)智能合約預(yù)警，將在聯(lián)盟區(qū)塊鏈內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)廣播.政府機(jī)構(gòu)和有關(guān)部門還可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與智能合約預(yù)警數(shù)據(jù)分析突發(fā)性疫情蔓延的可能性，提高預(yù)防和應(yīng)對(duì)突發(fā)疫情的能力.

4結(jié)束語

基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈和智能合約的傳染病預(yù)警機(jī)制將醫(yī)療機(jī)構(gòu)作為聯(lián)盟區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)，采用非對(duì)稱加密技術(shù)結(jié)合星際文件系統(tǒng)（IPFS），在保護(hù)患者隱私的條件下實(shí)現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)安全共享.模型將架構(gòu)從下至上分層，并逐層分析其在傳染病預(yù)警過程中相對(duì)應(yīng)的功能和任務(wù)，解決傳統(tǒng)疾病預(yù)警系統(tǒng)中醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間共享數(shù)據(jù)難、傳染病預(yù)警效率低的問題.

IPFS技術(shù)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一定程度上可以減輕系統(tǒng)過載的問題，通過在區(qū)塊鏈上部署智能合約并使用非對(duì)稱加密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)疫情自動(dòng)預(yù)警[11]，打破數(shù)據(jù)孤島，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，在數(shù)據(jù)共享的同時(shí)保護(hù)患者的隱私.本研究仍然存在許多不足，下一步研究主要是結(jié)合計(jì)算機(jī)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，將該傳染病預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)出來并進(jìn)行驗(yàn)證.

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編輯：琳莉