摘" 要：該文主要探討當(dāng)前特殊藥物（特藥）使用業(yè)務(wù)場景中產(chǎn)生的藥物數(shù)據(jù)留痕、藥物所屬狀態(tài)變化等追溯問題，運用區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改、開放透明的新特性，以區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的分布式架構(gòu)、非對稱加密等技術(shù)手段為基礎(chǔ)，通過設(shè)計智能合約使系統(tǒng)更適應(yīng)于實際的整個特藥管理與應(yīng)用流程，建立系統(tǒng)框架并完成區(qū)塊鏈的追溯體系，來解決特藥使用過程中的數(shù)據(jù)溯源問題。系統(tǒng)可實現(xiàn)藥品信息的可信溯源，保障藥品質(zhì)量信息的安全性和可信性，并通過實例應(yīng)用驗證文中供應(yīng)鏈設(shè)計的可行性，為進一步提升用戶體驗提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)共享；特藥管理；數(shù)字簽名；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP311.1" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0123-04

Abstract： This paper mainly discusses traceability issues such as drug data traces and changes in the status of drugs in the current business scenarios of special drugs （special drugs） use. It uses the new characteristics of blockchain that are decentralized， untamperable， open and transparent， and based on the distributed architecture， asymmetric encryption and other technical means in the blockchain system， designs smart contracts to make the system more suitable for the entire special drug management and application process， establishes a system framework and completes the blockchain traceability system. To solve the problem of data traceability during the use of special drugs. The system realizes the credible traceability of drug information， ensures the safety and credibility of drug quality information， and verifies the feasibility of the supply chain design in this paper through example applications， providing theoretical support and technical guidance for further improving the user experience.

Keywords： blockchain; data sharing; specialty drug management; digital signature; system design

特藥管理系統(tǒng)是通過創(chuàng)建安全環(huán)境來確保特殊藥品的正確運送、使用及提高患者的信賴感的一項工具，其重要性日益凸顯。該系統(tǒng)利用定位技術(shù)和遙控技術(shù)為使用者提供便利，然而，由于存在如故意破壞行為、惡意的修改或單一設(shè)備出現(xiàn)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺失等風(fēng)險，這使得信息的安全保護變得相當(dāng)困難。

伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)[1]的崛起，其為我們解決各種商業(yè)活動中關(guān)于信息保密、安全與同步的問題提供了新的可能性。這種創(chuàng)新的技術(shù)結(jié)合了數(shù)字認(rèn)證、最新的加密科技、時鐘標(biāo)記以及智能化協(xié)議[2]，能夠更為高效地適應(yīng)未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，同時也能滿足現(xiàn)階段供應(yīng)鏈的要求。例如，林暢等[3]通過使用區(qū)塊鏈構(gòu)建了一個汽車租賃平臺，使汽車租賃行業(yè)的工作人員能迅速完成授權(quán)驗證、追蹤和審核來控制他們的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了車輛出租信息的共享流動。針對農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)商銷售給用戶過程中的造假問題，吳曉彤等[4]把傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全跟蹤系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建了一個抗欺騙且高效的溯源系統(tǒng)。

綜上研究成果，在此提出了一個以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的特藥管理方案，旨在使各相關(guān)主體能夠共用共享記賬簿，推動數(shù)據(jù)交換及流轉(zhuǎn)，同時能實時地監(jiān)控和追蹤每項信息，從而有助于提升特藥管理方面的健康進步。

1" 相關(guān)工作

1.1" 區(qū)塊鏈

2008年，中本聰首次提出了區(qū)塊鏈的概念，它是比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)，是利用密碼學(xué)的信任機制將價值交易記錄到分布式賬本中的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈利用共識機制和點對點網(wǎng)絡(luò)來驗證信息的有效性和完整性，確保數(shù)據(jù)無法被篡改。同時，區(qū)塊鏈借助智能合約實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和存儲的對稱性，保護了數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。它還具備透明、隱私以及可追蹤等安全屬性。也有一些人從技術(shù)的角度出發(fā)，認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)是智能合約、時間戳、共識算法、非對稱加密等技術(shù)的綜合體。每個區(qū)塊鏈塊頭部包括上個鏈接節(jié)點的Hash碼、時鐘標(biāo)記及Merkle樹根值等元素；至于塊主體部分則是存放著交易行為的信息。每項交易活動均由參與者用其個人密碼加密確認(rèn)以保證信息的真實性與無法更動特性。

區(qū)塊鏈能夠利用智能合約作為計算基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，這是在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中預(yù)先安裝和執(zhí)行的用戶定制程序。一旦部署完成，智能合約就會自動啟動，以便執(zhí)行復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯。

1.2" 智能合約

Szabo于1995年首創(chuàng)“智能合約”這一理念。他的觀點認(rèn)為：這是一種以數(shù)字化方式描述出的約定條款，它允許各方依據(jù)此項協(xié)定來履行他們的責(zé)任與義務(wù)。這種智能化的方式使得自動化程序得以被編碼成一種能夠自我操作的形式化的代碼塊——即“智能”或稱之為“自足式”的行為模板；它們可以在無需依賴任何第三方的信用保障下完成兩者的間接互相信任行為；并且這樣的過程是可以跟蹤記錄下來的，同時也是無法撤銷回溯的過程。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展和完善使得智能合約得以誕生并被廣泛采用——例如基于Ethereum平臺的使用實例可以分為3個主要類別：一是金融領(lǐng)域的運用；二是部分涉及到金融但并不完全是數(shù)字貨幣交換的應(yīng)用；三是非金融用途[5]。本文案例則是無幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)的應(yīng)用，這是一種全新的、獨立于前述2類的應(yīng)用方式。智能合約是在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)之上構(gòu)建的商業(yè)規(guī)則和計算方法，其為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的靈活編碼和操控數(shù)據(jù)提供了支持[6]。

1.3" 數(shù)字簽名

電子簽名又稱為數(shù)字簽名，其基本理念在于利用特定算法對數(shù)據(jù)進行“蓋章”，與實體簽名類似具備法令效力[7]。數(shù)字簽名的主要功能包括確認(rèn)信息源、確保傳遞過程中的數(shù)據(jù)完好無損。首先，通過散列算法發(fā)送方生產(chǎn)了交易信息M的摘要H，用私鑰Kpv對這個摘要進行簽名處理，最終得到的結(jié)果是S=Sig（Kpv，M），Sig為公鑰簽名算法。然后，將已經(jīng)簽署過的信息摘要S和信息M傳遞給接收者。接著，接收人利用發(fā)送者的公鑰Kpb來解碼信息摘要S，解碼后得到的信息摘要為H1。最后，若接收者使用哈希函數(shù)處理信息包M生產(chǎn)副本H2，接著對比它和第三步解析后得到的摘要是否一致：如若匹配則表示H1=H2，說明這個消息是授權(quán)人發(fā)布并已經(jīng)簽署認(rèn)證的，而接收到的許可證沒有被篡改，也沒有受到任何干擾或者變更。

2" 需求分析

本系統(tǒng)用戶主要有患者、醫(yī)生、藥劑師、護士、平臺管理員者及特藥廠商6種用戶類型。通過對需求的分析，患者在頁面上填寫申請信息，上傳相關(guān)附件，提交申請；同時可以檢索已經(jīng)采購或待售藥物清單，選擇特定藥品后能看到其具體詳細(xì)信息，并且能夠了解目前的需求狀況。醫(yī)生登陸后，可以通過查看患者的申請記錄來審查這個申請，若決定否決，需要給出具體的拒批原因，不然就需錄入允許購買的藥物配方信息。藥劑師登錄查看患者申請單和醫(yī)生開藥信息，準(zhǔn)備藥物交給患者。護士登錄查看患者申請單和醫(yī)囑用藥量給患者用藥。平臺管理員負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運維和查詢導(dǎo)出患者相關(guān)處方和用藥等信息。

權(quán)限方面本系統(tǒng)需要精細(xì)的權(quán)限管理，平臺管理員負(fù)責(zé)審查各個機構(gòu)注冊的管理人員，同時分配所有權(quán)限。每一位角色成員都有再次分配他們現(xiàn)有權(quán)限的權(quán)利，如此循環(huán)。

3" 系統(tǒng)設(shè)計

3.1" 總體功能流程

聯(lián)合藥企構(gòu)建區(qū)塊鏈協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，藥企利用自己的區(qū)塊鏈數(shù)字身份向特藥管理平臺提供最新、不可篡改的質(zhì)保書源數(shù)據(jù)，且藥企能夠通過電腦和App輸入藥品信息。用戶（患者、醫(yī)生、藥劑師、護士等）可以掃碼查驗區(qū)塊鏈藥品真?zhèn)?。圖1給出了特藥區(qū)塊鏈上鏈的總體功能流程。

特藥區(qū)塊鏈系統(tǒng)的總體功能流程。第一，藥廠為特藥資源提供數(shù)據(jù)：通過申請區(qū)塊鏈的數(shù)字身份，藥廠能夠?qū)⑦@些特藥數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈中。這樣做可以確保這些數(shù)據(jù)是真實且不會被篡改的。在區(qū)塊鏈環(huán)境下存儲這些特藥數(shù)據(jù)是加密的，這有助于防止數(shù)據(jù)泄露給與業(yè)務(wù)無關(guān)的人員。第二，車輛運輸藥品：車輛從藥廠裝藥并按照藥品對運輸環(huán)境要求（如溫度等）進行運輸，藥品運輸?shù)能囕v號牌、車內(nèi)環(huán)境信息、司機信息等數(shù)據(jù)上鏈。第三，藥房存儲藥品：收到藥廠發(fā)過來的藥品，存儲到藥房，藥房信息數(shù)據(jù)上鏈。第四，患者在線申請購買藥品：患者通過App或者電腦終端，登錄后填寫要購買的藥品信息，患者購買申請數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈。第五，醫(yī)生查看審批：醫(yī)生查看和審批患者的申請，并填寫用藥說明和醫(yī)囑，數(shù)據(jù)上鏈。第六，藥劑師配藥：藥劑師根據(jù)醫(yī)生醫(yī)囑，調(diào)配藥品給到患者，記錄藥品調(diào)配數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈。第七，護士用藥：護士根據(jù)醫(yī)囑，給患者使用注射，使用藥品、使用方式、護士信息等數(shù)據(jù)上鏈。

3.2" 系統(tǒng)架構(gòu)

利用聯(lián)盟鏈技術(shù)框架構(gòu)建的方案可以滿足文件處理過程中的多元化授權(quán)需求，同時對安全保障及隱私保護有較高的要求。與全然無中心化的公共鏈或受限于參與者數(shù)量的私人鏈相比，它更為適應(yīng)區(qū)塊鏈電子記錄系統(tǒng)的使用。在一致性協(xié)議方面，采用了密碼學(xué)方法，這使得特藥管理體系具備更高程度的安全性。

為適應(yīng)客戶需求與商業(yè)需要，利用區(qū)塊鏈技術(shù)來存儲特藥從制造至使用的所有數(shù)據(jù)，同時運用數(shù)字簽名對這些數(shù)據(jù)進行了認(rèn)證。借助智能合約，來保障授權(quán)信息的存儲、傳輸及檢索等操作的安全性和合法性，從而保證電子簽名的證據(jù)數(shù)據(jù)是可靠、合理且符合規(guī)定的。該體系主要包括3個層次：頂層客戶端、后臺系統(tǒng)和基礎(chǔ)存儲設(shè)備。

頂層客戶端是直接和用戶交互并提供服務(wù)的，支持用戶使用瀏覽器和App。Web端采用了HTML+CSS+JavaScript+VUE等多種應(yīng)用技術(shù)，而App則兼容Android和IOS，并且可以通過Restful接口與區(qū)塊鏈實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。后臺服務(wù)是連接用戶與分布式賬本平臺的中介，負(fù)責(zé)處理信息代碼轉(zhuǎn)換及傳輸，并向客戶設(shè)備供應(yīng)Restfull API接口功能。為了保障數(shù)據(jù)的安全，該系統(tǒng)采用加密技術(shù)來確保數(shù)據(jù)在存儲和傳輸過程中的安全性。

為了保證證書和權(quán)限的安全性以及不可篡改性，基礎(chǔ)系統(tǒng)采用以太坊區(qū)塊鏈來實現(xiàn)，并通過智能合約執(zhí)行主要的算法邏輯。圖2詳盡地描繪了以太坊的采礦方法、共識機制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及內(nèi)部應(yīng)用技術(shù)。

4" 系統(tǒng)實現(xiàn)和分析

4.1" 部署環(huán)境

本系統(tǒng)系統(tǒng)采用Go語言通過GoLand編譯器部署區(qū)塊鏈后臺環(huán)境，前端系統(tǒng)的Web應(yīng)用基于Vue框架構(gòu)建，后臺業(yè)務(wù)邏輯采用Spring和Mybatis，在MySQL數(shù)據(jù)庫中運行，Tomcat服務(wù)容器運行。利用Java編程語言并借助Intellij IDEA編譯工具來構(gòu)建本系統(tǒng)。本系統(tǒng)的電腦設(shè)備配備了以下參數(shù)：中央處理器為Intel（R） Xeon（R） CPU E5-2680 v3 @ 2.50 GHz，內(nèi)存容量為16 GB。

啟動服務(wù)器上的服務(wù)，利用智能合約和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)與用戶進行實時互動，從而創(chuàng)建可視化的界面。

4.2" 壓力測試

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特藥系統(tǒng)的可信賴性和穩(wěn)定性的重要作用是無法忽視的，其關(guān)鍵在于每回合中生成塊狀數(shù)據(jù)的比例（記為f）[3]，如式（1）所示。

式中：TransSp代表區(qū)塊鏈交易的傳播速度；BlockSize表示區(qū)塊的尺寸；區(qū)塊產(chǎn)生的時間間隔用BlockGenInt來描繪。式（2）揭示了區(qū)塊大小和生成時間之間的關(guān)系。

式中：Q表示每一秒內(nèi)發(fā)生的交易量，M指代每次交易的大致規(guī)模。對特藥系統(tǒng)而言Q是很龐大的，所以應(yīng)降低BlockGenInt以確保區(qū)塊生成速率足夠快。同時由于區(qū)塊大小BlockSize能夠維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，為保障該系統(tǒng)的安全性，必須提升傳輸速度TransSp至高水平。

為確保特藥管理系統(tǒng)功能能符合分析的安全性標(biāo)準(zhǔn)，本文以高負(fù)載環(huán)境作為背景進行了性能評估。該評估重點關(guān)注了特藥管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)獲取和輸入操作，衡量指標(biāo)涵蓋了各種并行處理情況下的響應(yīng)數(shù)量及平均反應(yīng)時長。在實驗期間，逐步增加系統(tǒng)的并發(fā)數(shù)量（每次加100個并發(fā)量），由零開始直至達到5 000的峰值。為了保證測量的精確度，將其重復(fù)執(zhí)行5遍，最后得出的結(jié)論是平均值。

從圖3所示的性能評估結(jié)果可知，系統(tǒng)在此并發(fā)信息獲取需求低于1 700個的情況下整體運行比較平穩(wěn)，未見顯著波動的現(xiàn)象。同時，每單位時間內(nèi)的回應(yīng)請求數(shù)量保持在1 400至1 600個區(qū)間內(nèi)。此種情況下，響應(yīng)請求所需的時間是2 s左右。

圖4展示了性能評估結(jié)果，如果系統(tǒng)的負(fù)載不超過1 500個并發(fā)請求，其總體運行狀況相對穩(wěn)定，每秒鐘處理的信息數(shù)量保持在約500條。一旦超過這個閾值達到2 000以上，處理請求數(shù)量會隨同負(fù)荷的提升而逐步降低，這表明系統(tǒng)的效率正在減弱。當(dāng)系統(tǒng)請求數(shù)量在2 000個時，完成請求處理需要大約4 s。

與比特幣每隔10 min生成一次區(qū)塊BlockGenInt不同，特藥系統(tǒng)的反應(yīng)速率明顯優(yōu)于它，其處理和傳輸交易的時間TransSp要短得多，并且保證了安全性和效率。此外該解決方案還引入了一個時間戳，這有助于防止惡意攻擊者實施重復(fù)攻擊。

本系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了特藥管理和特藥信息存證防偽的功能，確保了特藥使用信息的追蹤性，以及特藥使用和流轉(zhuǎn)結(jié)果的安全性和可靠性。通過對比傳統(tǒng)特藥管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)充分展示了去中心化系統(tǒng)的優(yōu)點，對比情況見表1。

5" 結(jié)束語

雖然特藥管理系統(tǒng)能便利地讓用戶了解和跟蹤藥品的信息狀態(tài)，但是其網(wǎng)絡(luò)通信中的安全隱患仍然令人擔(dān)憂，個人隱私安全的保障正面臨著巨大的壓力。本文提出了一種以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存證和安全訪問方案，這種方案融合了區(qū)塊鏈技術(shù)，旨在確?；颊哂盟幒吞厮幑芾矸矫姘踩院涂煽啃?，并具備追蹤功能，所以，此方案有助于解決患者用藥過程中的安全隱患并可防止數(shù)據(jù)被篡改。試驗證明，該方案比傳統(tǒng)的解決方案更快地回應(yīng)請求，并且提供了更為安全的服務(wù)。因為區(qū)塊鏈技術(shù)的信任機制能提供算法可信度、身份可信度、數(shù)據(jù)可信度和規(guī)則可信度的關(guān)鍵能力，所以在藥品管理的整個系統(tǒng)架構(gòu)中，區(qū)塊鏈的技術(shù)有著廣闊的前景，未來的工作重點應(yīng)放在區(qū)塊鏈各個藥品服務(wù)的子模塊上，以便為其在藥品管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供支持。

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