基于區(qū)塊鏈技術(shù)的空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享方案

徐 暢 陳煥新 李正飛 韓林志 朱 波 龔麒鑒

(華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430074)

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能的快速發(fā)展為各行各業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)[1]，“互聯(lián)網(wǎng)+”的模式也成為各行各業(yè)的研究熱點。有關(guān)空調(diào)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)和智能化已有很多研究成果[2-5]，但由于數(shù)據(jù)存儲和共享機制的不完善，使得很多珍貴的運行數(shù)據(jù)沒有得到及時的保存和共享流通，這是制約空調(diào)大數(shù)據(jù)和智能化進一步發(fā)展的重要因素。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)管理的底層技術(shù)，通過構(gòu)建一個去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，可以將存儲于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行全網(wǎng)共識，以達到對數(shù)據(jù)的完全可信、不可篡改和高度安全的有效管理。2008年，中本聰發(fā)表了《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，使得區(qū)塊鏈技術(shù)以比特幣的身份被大眾所認知[6-7]。2014年，以太坊平臺的搭建和智能合約的引入，標(biāo)志著區(qū)塊鏈2.0時代的到來，使得區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種更為先進的數(shù)據(jù)管理模式被引入各行各業(yè)，促進各行業(yè)的智能化發(fā)展。其中基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療系統(tǒng)電子病歷存儲平臺一直是近幾年的研究熱點之一。國內(nèi)最具代表性的是阿里健康區(qū)塊鏈與常州市合作醫(yī)聯(lián)體的試點項目[8]，它是國內(nèi)首個醫(yī)療場景的成功應(yīng)用案例，并在逐漸擴大其應(yīng)用范圍。在國外，“區(qū)塊鏈+醫(yī)療數(shù)據(jù)”的應(yīng)用層面則較為領(lǐng)先，A. Azaria等[9]利用以太坊區(qū)塊鏈，實現(xiàn)了名為MedRec的醫(yī)療、區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)相結(jié)合的醫(yī)療信息共享平臺。Z. Shae等[10]開發(fā)了一種用于臨床試驗和精準(zhǔn)醫(yī)療的區(qū)塊鏈平臺架構(gòu)，確定了4個需要在傳統(tǒng)區(qū)塊鏈之上構(gòu)建的新系統(tǒng)架構(gòu)組件，并討論了其在區(qū)塊鏈平臺上面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。在研究層面， Fan Kai等[11]提出了基于區(qū)塊鏈的信息管理系統(tǒng)MedBlock來處理患者的信息，該框架改進了共識算法，使其不存在較大的能耗和網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且結(jié)合了定制的訪問控制協(xié)議和對稱加密技術(shù)，具有很高的信息安全性。T. Mikula等[12]提出一個基于超級賬本區(qū)塊鏈的身份認證和訪問管理的系統(tǒng)原型去完成對醫(yī)患電子版病歷的授權(quán)和身份認證。H. Kaur等[13]將云環(huán)境與區(qū)塊鏈相結(jié)合，提出一種醫(yī)療電子病歷存儲和管理平臺，由醫(yī)生、患者和健康保險提供商三個主要元素組成。Yue Xiao等[14]介紹了一種健康數(shù)據(jù)控制通道，是一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新型健康體系結(jié)構(gòu)，使患者能夠輕松、安全地控制和共享他們的數(shù)據(jù)而不泄露。P. Zhang等[15]以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)，從技術(shù)角度提供了可行性和預(yù)期能力方面的分布式醫(yī)療保健應(yīng)用程序(DApps)評估指標(biāo)。

綜上可知，區(qū)塊鏈技術(shù)已初步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲，它的存在打破了企業(yè)與企業(yè)之間、企業(yè)與個人之間和個人與個人之間的數(shù)據(jù)信任隔閡，使數(shù)據(jù)能像資源一樣高效流轉(zhuǎn)。醫(yī)療電子病歷是將人的醫(yī)療關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行電子檔案記錄，而在空調(diào)故障診斷領(lǐng)域，也可以將空調(diào)產(chǎn)品故障關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄為電子檔案，我們將記錄空調(diào)產(chǎn)品故障關(guān)鍵數(shù)據(jù)的電子檔案稱為空調(diào)產(chǎn)品電子病歷。對于空調(diào)產(chǎn)品電子病歷而言，也需要一種能夠達到完全可信、不可篡改的數(shù)據(jù)存儲平臺，但目前并沒有針對該方面的研究。為此，本文首次提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享方案，使空調(diào)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以突破企業(yè)與企業(yè)之間的信任壁壘，最終形成企業(yè)與企業(yè)之間的數(shù)據(jù)完全信任流通。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈作為一種分布式存儲的底層技術(shù)，通過去中心化來保證數(shù)據(jù)不單只存儲在一個節(jié)點中，而是以一種超高冗余的方式存儲在所有共識節(jié)點當(dāng)中，所有節(jié)點對所存儲的數(shù)據(jù)達成共識，從而保證任何單一或少許的節(jié)點無法更改區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈的服務(wù)框架不同于傳統(tǒng)的中心化服務(wù)框架，而是提供了一個點對點(peer to peer，P2P)的服務(wù)體系，即每個節(jié)點都能在全節(jié)點共識的基礎(chǔ)上參與數(shù)據(jù)的存儲、封裝和調(diào)用。區(qū)塊鏈框架模式與中心化框架模式如圖1和圖2所示。

圖1 區(qū)塊鏈模式

圖2 中心化模式

除了P2P技術(shù)以外，區(qū)塊鏈還引入了哈希計算、非對稱加密和共識算法等技術(shù)，以保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)在流通中的絕對安全。

1.1 哈希計算

哈希算法又稱單向散列函數(shù)，該算法將任意長度的二進制值映射為較短的固定長度的二進制值，這個小的二進制值稱為哈希碼[16]。本文所使用的SHA256是SHA密碼散列家族的一種，通過一定的算法，可將任意二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為256位的二進制碼。其特點如下：

1) 對于任意長度的二進制文件，通過SHA256，均能生成一組256位的二進制碼。

2) 可以通過文本數(shù)據(jù)x推出哈希碼SHA256(x),但是SHA256(x)不能逆推出文本數(shù)據(jù)x。

3) 任何文本文件都僅有唯一的哈希碼作為標(biāo)識，哈希碼與文本數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。

由于哈希計算具有固定長度、計算不可逆和與輸入數(shù)據(jù)一一對應(yīng)的特點，當(dāng)我們將上傳至平臺的數(shù)據(jù)按照一定規(guī)律整合后輸入給哈希算法，最終得出的哈希碼可以作為該數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識，任何對數(shù)據(jù)微小的篡改均可使該哈希碼與之前大不相同，這樣就可極大提高數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)封裝流程

表1 不同Nonce下生成的哈希碼

1.2 非對稱加密

非對稱加密最早在1976年由W. Diffie等[17]提出，在傳統(tǒng)的對稱加密中，加密密碼和解密密碼是一致的，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件的密碼很容易在傳輸過程中被截取并破譯。非對稱加密是由一對公鑰和私鑰共同進行文件加密，將公鑰和私鑰通過特定的算法關(guān)聯(lián)后，將私鑰自我保存且不在網(wǎng)上流通，又將公鑰發(fā)布于網(wǎng)上，在進行重要的文件傳輸時，發(fā)送者將用接收方的公鑰加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方，接收方再用自己的私鑰進行解密，這樣，在整個數(shù)據(jù)流通過程中，私鑰都不會在網(wǎng)上流通，從而保證了數(shù)據(jù)在流通過程中的安全性。公私鑰加密傳輸流程如圖3所示。

圖3 公私鑰加密傳輸流程

1.3 共識算法

由于區(qū)塊鏈平臺并沒有一個中心化的服務(wù)端來處理信息，所以需要通過特定的共識算法“選舉”出一個節(jié)點，用于處理一段時間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)并封裝為一個區(qū)塊，然后廣播給全網(wǎng)進行共識。

本文所采用的共識算法是工作量證明(proof of work, POW)算法，POW算法會提前設(shè)定一個整體的難度系數(shù)n，然后在所有區(qū)塊信息整合后添加一個名為Nonce且初始值為0的變量，再計算整個區(qū)塊的哈希碼。如表1所示，相同文本下不同Nonce值可以得到完全不同的哈希碼，若得出的256位哈希碼前n(難度系數(shù))項均為0，則判斷挖礦成功，否則就更換Nonce的值，直到產(chǎn)生滿足該難度系數(shù)的哈希碼為止。第一個創(chuàng)建出滿足條件的哈希碼的節(jié)點將被授權(quán)參與這次區(qū)塊的封裝，按照圖4的流程封裝數(shù)據(jù)后會廣播全網(wǎng)絡(luò)使其達成全網(wǎng)共識。具體可參考文獻[18]。

2 空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享技術(shù)框架

2.1 區(qū)塊鏈種類選擇

當(dāng)前所有的區(qū)塊鏈大致可分為三類，即公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[19]，其特點分別如下：

1) 公有鏈：公有鏈的所有數(shù)據(jù)均向所有人公開，按照一定的規(guī)則，任何人均能隨時參與或退出公有鏈的封裝和數(shù)據(jù)共識的過程，任何人均有權(quán)限下載公有鏈上的所有數(shù)據(jù)，且整條鏈上的數(shù)據(jù)均經(jīng)過全網(wǎng)共識，保證了人與人之間在不相識的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)流通的絕對信任。

2) 聯(lián)盟鏈：聯(lián)盟鏈參與者追求公平和透明的協(xié)作模式，且各節(jié)點沒有必須互信的前提，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可信交換功能[20]。聯(lián)盟鏈的每個節(jié)點都與實體機構(gòu)單位一一對應(yīng)，授權(quán)成功后能加入或退出網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)許系統(tǒng)內(nèi)成員讀寫和交易的行為。

3) 私有鏈：私有鏈作為僅有少數(shù)節(jié)點能被允許參與的區(qū)塊鏈，被用來突破少數(shù)人之間的數(shù)據(jù)信任，適用場景遠沒有公有鏈和聯(lián)盟鏈廣泛。

由于私有鏈網(wǎng)絡(luò)僅在私有組織內(nèi)部使用，使用范圍較窄，所以私有鏈種類不做考慮。

公有鏈與聯(lián)盟鏈各有優(yōu)劣，聯(lián)盟鏈屬于半中心化的區(qū)塊鏈，被用于構(gòu)建聯(lián)盟內(nèi)部的信任映射，由于共識節(jié)點較少，所以存儲成本和共識消耗均遠小于公有鏈，且在聯(lián)盟大部分成員達成一致時可對聯(lián)盟鏈中的數(shù)據(jù)加以修改，但安全性沒有公有鏈高，且不可在聯(lián)盟鏈外進行信任映射。由于本空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享平臺是為了突破企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與個人、個人與個人之間的信任隔閡，所以采用公有鏈種類的區(qū)塊鏈框架。

圖5 空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享平臺框架

2.2 平臺構(gòu)架及功能

本文設(shè)計的區(qū)塊鏈平臺目前有三大功能模塊，分別是賬戶創(chuàng)建、空調(diào)產(chǎn)品電子病歷查詢和數(shù)據(jù)上傳，而由于本文的平臺是公有鏈，所以查詢電子病歷無需身份認證，在用戶需要上傳數(shù)據(jù)時，需先向服務(wù)端申請創(chuàng)建賬戶地址，創(chuàng)建后會獲取一個公鑰與一個賬戶地址，其中賬戶與公鑰對應(yīng)的私鑰相關(guān)聯(lián)，并由自己保管。在上傳數(shù)據(jù)時，除了要上傳電子病歷所需信息外，還需加入自己的地址信息，平臺將該地址信息進行合法性認證后，會調(diào)用其對應(yīng)私鑰，并將私鑰信息生成對應(yīng)的公鑰，接著將數(shù)據(jù)文件連同提交賬戶的公鑰信息一起進行哈希計算，生成數(shù)據(jù)哈希碼后再連同私鑰信息進行封裝，最終獲取該信息塊該賬戶下的數(shù)字簽名，以表示該電子病歷的信息真實由該賬戶上傳，具有不可偽造且不可否認的特性。其中一個完整的區(qū)塊和一組空調(diào)產(chǎn)品電子病歷所含數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 區(qū)塊和單組空調(diào)產(chǎn)品電子病歷所含數(shù)據(jù)

空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享平臺框架如圖5所示。在一定時間內(nèi)，整個平臺獲取的信息數(shù)將被統(tǒng)一收集起來，以數(shù)組的形式被暫存于節(jié)點中，當(dāng)該時段封裝區(qū)塊的節(jié)點被選出后，會將所有的數(shù)據(jù)連同時間、Nonce值、上一區(qū)塊哈希碼、該區(qū)塊哈希碼、區(qū)塊高度等信息進行封裝，并達到全網(wǎng)共識。

3 空調(diào)產(chǎn)品電子病歷平臺展示與性能測試

本空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享平臺采用GO+JavaScript+HTML進行前后端編寫，數(shù)據(jù)庫采用BoltDB數(shù)據(jù)庫。

3.1 平臺展示

本文所搭建的平臺的主頁面屬于引導(dǎo)頁面，分別導(dǎo)向注冊賬戶、查詢電子病歷信息和上傳數(shù)據(jù)三個功能模塊，主頁面如圖6所示。

圖6 空調(diào)產(chǎn)品電子病歷主頁

對于注冊賬戶模塊來說，由于該平臺屬于全網(wǎng)共享的區(qū)塊鏈平臺且不存在貨幣交易機制，所以本平臺簡化了賬戶注冊模塊，并將賬戶地址與私鑰信息相關(guān)聯(lián)，在使用賬戶地址時平臺會自動調(diào)用其私鑰信息進行驗證，帳戶注冊頁面如圖7所示。

圖7 賬戶注冊頁面

當(dāng)我們獲取一個賬戶信息后，就可開始進行數(shù)據(jù)上傳，在該時間段的區(qū)塊生成后，就可在信息查詢模塊中獲取該時間段的所有區(qū)塊信息，數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)查詢頁面如圖8和圖9所示，區(qū)塊詳細信息如圖10所示。

在空調(diào)產(chǎn)品電子病歷查詢界面，會顯示所有區(qū)塊的當(dāng)前哈希碼和上一區(qū)塊哈希碼，使得整個區(qū)塊信息哈希碼成鏈狀分布，且在查詢信息時對單組信息還會顯示發(fā)布者公鑰信息與電子病歷的整體哈希碼，在數(shù)據(jù)層面任何微小的改變都會使哈希碼與之前大不相同，這樣就保證了數(shù)據(jù)的不可篡改，大大提高數(shù)據(jù)的可信度。

圖8 數(shù)據(jù)上傳頁面

圖9 空調(diào)產(chǎn)品電子病歷信息查詢頁面

3.2 平臺性能測試

區(qū)塊鏈技術(shù)同傳統(tǒng)中心化服務(wù)框架相比，是通過犧牲算力和承擔(dān)高度冗余的存儲成本來換取數(shù)據(jù)的不可篡改和絕對安全可信的能力。所以對于任何區(qū)塊鏈平臺而言，其存儲成本和共識算法算力消耗一直是區(qū)塊鏈平臺研究的核心內(nèi)容。

著名的比特幣平臺的數(shù)據(jù)存儲量的規(guī)模從早些年的20 GB升至300 GB(2020年),而且目前依然保持著超高的增長速度。如此高額的數(shù)據(jù)存儲成本為每個共識節(jié)點帶來了巨大的存儲負擔(dān)。所以本文將對該空凋產(chǎn)品電子病歷共享平臺進行相關(guān)測試。其出塊時間和數(shù)據(jù)存儲成本如圖11和圖12所示。

圖11 難度系數(shù)16下POW出塊時間

圖12 平臺數(shù)據(jù)存儲成本分析

由圖11和圖12可知，難度系數(shù)16的POW算法出塊時間不穩(wěn)定，但是出塊時間范圍一般穩(wěn)定在10 s以內(nèi)，在數(shù)據(jù)存儲成本方面，由于不涉及貨幣交易等繁瑣的交易數(shù)據(jù)，而是單純的保存所上傳的電子病歷數(shù)據(jù)，所以存儲成本很低，在上傳電子病例數(shù)在105以上時，平均每個電子病歷數(shù)據(jù)所占空間約為2 kB，在保證數(shù)據(jù)絕對安全可信、不可篡改的基礎(chǔ)上，存儲成本依然較低。

4 結(jié)論

本文首次提出了一種基于區(qū)塊鏈的空調(diào)產(chǎn)品電子病歷共享方案，旨在構(gòu)建一個去第三方信任去中心化的數(shù)據(jù)平臺，得到如下結(jié)論：

1) 基于區(qū)塊鏈的空調(diào)產(chǎn)品電子病歷平臺上傳的任何數(shù)據(jù)都有唯一的哈希碼與其一一對應(yīng)，且所有區(qū)塊都通過哈希碼鏈接，做鏈狀排列，任何篡改的舉措都會使整個區(qū)塊鏈的哈希碼與之前大不相同，保障了數(shù)據(jù)不可篡改。

2) 該平臺是全網(wǎng)共識的數(shù)據(jù)平臺，任何人都只能按照平臺僅有的操作方法編寫查看區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)在共享過程中不會受到任意一方支配。它使空調(diào)故障的關(guān)鍵數(shù)據(jù)突破了個人、企業(yè)之間的信任隔閡，達到絕對真實、完全可信且不可篡改的空調(diào)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流通與存儲。

3) 由于本區(qū)塊鏈不涉及貨幣交易等繁瑣的交易數(shù)據(jù)，使其在存儲成本上遠小于包含交易內(nèi)容的區(qū)塊鏈平臺。