胡繼圓，于 瓅

(安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 概述

2008年11月1日，中本聰?shù)热税l(fā)表了《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文，標(biāo)志著區(qū)塊鏈的誕生．區(qū)塊鏈技術(shù)是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，其內(nèi)容主要有分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制及加密算法等．在數(shù)據(jù)量激增的時(shí)代，人們處理數(shù)據(jù)不僅要考慮對數(shù)據(jù)的操作，也要看重其安全和保密情況．基于比特幣的底層技術(shù)，區(qū)塊鏈以其數(shù)據(jù)不可篡改、公開透明、可溯源和去中心化等特點(diǎn)迅速發(fā)展起來并投入市場運(yùn)用，為數(shù)據(jù)的安全提供了保障．區(qū)塊鏈由許多區(qū)塊構(gòu)成，每個(gè)區(qū)塊包括塊頭和塊體兩部分，其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

圖1表示區(qū)塊頭中主要存儲當(dāng)前區(qū)塊的哈希值及時(shí)間戳等信息，區(qū)塊體中主要存儲一些記錄，每個(gè)記錄包括主體描述、記錄發(fā)生時(shí)間和數(shù)據(jù)價(jià)碼等信息．如今人們參與數(shù)據(jù)管理的機(jī)會增多，數(shù)據(jù)本身的可復(fù)制性和可傳遞性常導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露，由此引發(fā)數(shù)據(jù)確權(quán)難、數(shù)據(jù)貶值等問題，將區(qū)塊鏈技術(shù)與數(shù)據(jù)處理結(jié)合起來，可使這類問題得到一定的解決[1]．區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理中，提高效率的同時(shí)也有效保護(hù)數(shù)據(jù)安全，而它的不足之處在于目前區(qū)塊鏈參與數(shù)據(jù)處理時(shí)并非貫穿整個(gè)過程，并且就數(shù)據(jù)處理本身而言仍存在數(shù)據(jù)攻擊、銜接不合理等問題[2]．為解決上述問題，本文對當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制進(jìn)行了修改和完善，使完善后的機(jī)制貫穿于數(shù)據(jù)處理的全過程，提高了數(shù)據(jù)的安全性．將改進(jìn)后的機(jī)制運(yùn)用在醫(yī)療領(lǐng)域，可解決目前醫(yī)療行業(yè)面臨的數(shù)據(jù)安全問題．

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制

2.1 目前數(shù)據(jù)處理流程

目前存儲數(shù)據(jù)時(shí)一般采用分布式存儲，系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)較易，對數(shù)據(jù)處理時(shí)常采用安全與可解釋人工智能技術(shù)．基于這一技術(shù)，區(qū)塊鏈進(jìn)行處理數(shù)據(jù)的流程為：數(shù)據(jù)請求方向系統(tǒng)發(fā)出請求消息，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)供應(yīng)方上傳并保存在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)，將密鑰在數(shù)據(jù)供應(yīng)方和需求方之間傳輸，通過對哈希值檢測以及交易中簽名的驗(yàn)證將數(shù)據(jù)傳遞給接收方，傳遞完成后將系統(tǒng)內(nèi)部臨時(shí)存儲的數(shù)據(jù)銷毀并釋放空間[3]．其流程如圖2所示.

圖2 原始數(shù)據(jù)處理流程

從圖2中可以看出原始的數(shù)據(jù)處理過程只涵蓋從數(shù)據(jù)請求方向系統(tǒng)發(fā)送請求時(shí)數(shù)據(jù)供應(yīng)方按要求提供數(shù)據(jù)這一階段，并且安全與可解釋人工智能技術(shù)對操作人員、環(huán)境配置等方面要求比較高，其自身也尚處于“弱人工智能”狀態(tài)，對樣本小的數(shù)據(jù)集并不適用．

2.2 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理機(jī)制

2.2.1 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理流程

為解決上述問題，現(xiàn)對目前的數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行改進(jìn)，核心是在數(shù)據(jù)處理過程中使用智能合約和時(shí)間戳技術(shù)．智能合約為系統(tǒng)提供了可計(jì)算性，與傳統(tǒng)合約相比它更高效，無需第三方仲裁；時(shí)間戳是使用數(shù)字簽名產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，它可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否發(fā)生過更改，保障數(shù)據(jù)的安全[4]．交易開始時(shí)系統(tǒng)發(fā)布數(shù)字化合同，區(qū)塊鏈內(nèi)部以共同的合約規(guī)則進(jìn)行交易，以時(shí)間戳作為電子憑證進(jìn)行交易數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，直至過程結(jié)束并釋放緩存區(qū)內(nèi)容．完善后的流程不僅涵蓋了數(shù)據(jù)處理的全過程，還包括對數(shù)據(jù)處理方式和每次對多少數(shù)據(jù)進(jìn)行操作等方面的規(guī)劃．改進(jìn)后區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的機(jī)理如圖3所示．

圖3 改進(jìn)后數(shù)據(jù)處理的機(jī)理

由圖3看出針對未改進(jìn)前機(jī)制存在的數(shù)據(jù)壁壘、信息失真等問題，利用區(qū)塊鏈特性可使其得到一定的解決，由改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理機(jī)理設(shè)計(jì)出基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)處理路徑如圖4所示．

圖4 改進(jìn)后數(shù)據(jù)處理路徑

圖4表明區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合目前的數(shù)據(jù)處理平臺可對數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行優(yōu)化，其中智能合約、共識機(jī)制等技術(shù)可解決數(shù)據(jù)處理過程中面臨的大量問題，且改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理機(jī)制在不同階段進(jìn)行的操作方式和不同場景下的應(yīng)對方案都有所規(guī)劃．利用區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)化處理過程，使得系統(tǒng)在數(shù)據(jù)丟失時(shí)產(chǎn)生預(yù)警以防后續(xù)步驟出錯(cuò)，對區(qū)塊鏈中的惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定的懲罰或隔離，逐步完善數(shù)據(jù)處理體系．

2.2.2 數(shù)據(jù)處理機(jī)制設(shè)計(jì)原則及改進(jìn)

數(shù)據(jù)處理機(jī)制關(guān)乎系統(tǒng)的合理性和運(yùn)行效率，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理機(jī)制時(shí)使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)可方便技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，提高效率的同時(shí)也能減少系統(tǒng)維護(hù)成本．?dāng)?shù)據(jù)傳遞時(shí)采用非對稱加密技術(shù)，基于這種技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理機(jī)制的原則時(shí)需要考慮的條件有：①數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系方式.如線性、幾何，或按照數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)分為一對一、一對多等；②數(shù)據(jù)的安全性.根據(jù)具體的場景和要求選擇具有不同功能的哈希函數(shù)和算法，再選擇數(shù)據(jù)適配的處理方式以保障數(shù)據(jù)的安全可靠；③限定一個(gè)合適的閾值．閾值的設(shè)定要考慮到整體效率、安全性和操作性，應(yīng)針對不同的情境來設(shè)定．圖5展示了數(shù)據(jù)處理機(jī)制的設(shè)計(jì)原則．

圖5 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)原則

圖5表明設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理的原則時(shí)，不僅要滿足上述基本條件，衍生出的額外條件也要考慮在內(nèi)，如系統(tǒng)的擴(kuò)展性.由于數(shù)據(jù)傳遞后要對傳遞的信息進(jìn)行驗(yàn)證，這會增加系統(tǒng)工作時(shí)間，對系統(tǒng)存儲性能是一個(gè)考驗(yàn)，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度一定程度上影響了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，而良好的擴(kuò)展性可保證數(shù)據(jù)驗(yàn)證時(shí)其他操作不會受到干擾，因此系統(tǒng)的擴(kuò)展性是一個(gè)重要條件．?dāng)?shù)據(jù)隱秘性能否得到保障關(guān)乎著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡量保障匿名化操作，提高數(shù)據(jù)的安全性，以防泄漏用戶的隱私數(shù)據(jù)．同一時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)過于頻繁，不僅會降低效率，也會給系統(tǒng)帶來巨大開銷．?dāng)?shù)據(jù)傳遞的效率高低決定著系統(tǒng)性能的好壞．因此，系統(tǒng)工作時(shí)在保證數(shù)據(jù)銜接的情況下應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)互通，防止花費(fèi)過多，并且建立區(qū)塊鏈時(shí)盡可能多地使用公有鏈也可減少系統(tǒng)開銷[5]．

3 改進(jìn)機(jī)制在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)處理技術(shù)在銀行、金融和路況等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，這里將建立的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)中，解決其目前面臨的問題，分析架構(gòu)的效果和功能．

3.1 醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理機(jī)制及架構(gòu)設(shè)計(jì)

就醫(yī)在人們的日常生活中占了很大一部分的比重，隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的發(fā)展，患者病歷、治療過程、治療效果及治療方案等信息都是醫(yī)療行業(yè)中有價(jià)值的數(shù)據(jù)．目前醫(yī)療行業(yè)面臨的問題主要是病例數(shù)據(jù)量過多，中大型醫(yī)院的數(shù)據(jù)處理效率往往較低，且泄露病人隱私信息導(dǎo)致的醫(yī)療事故層出不窮，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)保障醫(yī)療數(shù)據(jù)安全并提高數(shù)據(jù)的處理效率有利于促進(jìn)醫(yī)療行業(yè)的快速進(jìn)步[6]．將改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，其數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示．

圖6 醫(yī)療數(shù)據(jù)處理流程

當(dāng)獲取病人輸入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)使用智能合約建立交易規(guī)則，并為系統(tǒng)提供一個(gè)綁定時(shí)間戳，再輸入數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)時(shí)間戳都把前一個(gè)綁定時(shí)間戳歸入其自身的哈希值中，依次進(jìn)行下去，形成一條完整的區(qū)塊鏈[7]．系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)后結(jié)合具體情境提取醫(yī)療領(lǐng)域中數(shù)據(jù)間對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)需要將收集而來的信息記錄到區(qū)塊鏈上，可有效防止源信息被篡改．分析數(shù)據(jù)后可大致確定哪些醫(yī)院對哪種病癥的治療效果好，對于相似病癥應(yīng)該采用什么樣的治療方法等信息，繼而將信息公布，便于病人選擇．通過以上步驟生成的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖7所示．

圖7 醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

醫(yī)院中涉及到的數(shù)據(jù)關(guān)系包括：每位醫(yī)生可以救治多個(gè)病人，一位病人只有一份病例，一所醫(yī)院可以有多位醫(yī)生等，把這些關(guān)系按照實(shí)際需要進(jìn)行劃分，按照信息的重要性先將一部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上，再將剩余信息存儲在醫(yī)療組織的服務(wù)器中，實(shí)行鏈上鏈下對數(shù)據(jù)分開管理．系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞時(shí)，使用同態(tài)加密和智能合約技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行保密，之后跟蹤數(shù)據(jù)的去向，防止其泄露和被盜用．?dāng)?shù)據(jù)傳遞完成后系統(tǒng)將其內(nèi)部臨時(shí)存儲的數(shù)據(jù)銷毀，釋放存儲空間．在整個(gè)過程中區(qū)塊鏈對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行審查、跟蹤和驗(yàn)證，記錄惡意節(jié)點(diǎn)并給予懲罰，保護(hù)了醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私性和匿名性．

3.2 功能評價(jià)

基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)處理機(jī)制包括了從病人輸入病例信息到選擇醫(yī)院再到數(shù)據(jù)銷毀全過程，這有效保障了數(shù)據(jù)的安全性及完整性．針對醫(yī)療數(shù)據(jù)在使用時(shí)需要保障數(shù)據(jù)來源可靠和穩(wěn)定的問題，因?yàn)閰^(qū)塊鏈本身具有不可篡改特性，可以有效防止數(shù)據(jù)被惡意破壞，其分布式工作方式使得當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)，整體的工作進(jìn)程不會受到影響；針對醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大導(dǎo)致處理速度緩慢的問題，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理可提高系統(tǒng)的效率和延展性．?dāng)?shù)據(jù)輸入后，系統(tǒng)接收有關(guān)病人、醫(yī)院、醫(yī)生等數(shù)據(jù)，利用智能合約和時(shí)間戳技術(shù)有效保障了信息的規(guī)范性和可驗(yàn)證性，公私鑰對加密解密的方法相比于之前的數(shù)據(jù)處理方式極大保障了醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全．對于數(shù)據(jù)處理的開銷問題，數(shù)據(jù)上鏈時(shí)一般采用的都是公有鏈，使用到的私有鏈、聯(lián)盟鏈很少，并且需要對數(shù)據(jù)維護(hù)的情況也比較少，分析醫(yī)療關(guān)系時(shí)只需驗(yàn)證關(guān)系是否成立，因此在一定程度上節(jié)約了開銷，故基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制在醫(yī)療領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用．

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)有基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)和完善，保證了數(shù)據(jù)的可靠和嚴(yán)密，在數(shù)據(jù)存儲過程中提高了數(shù)據(jù)的安全性和不可篡改特性，在數(shù)據(jù)傳遞和分發(fā)過程中，該機(jī)制在保障數(shù)據(jù)隱私性的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在用戶間共享．基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)處理技術(shù)除了與金融、銀行、電網(wǎng)等領(lǐng)域有互聯(lián)貫通的地方，將其應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，也有著較好的反饋．但其目前還存在一些不足，如區(qū)塊鏈的“不可能三角”問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理速度和效率較慢，采用鏈上和鏈下數(shù)據(jù)分開管理的方式雖在一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的速度，但漸漸不能滿足人們對效率和響應(yīng)時(shí)間的要求[8]．雖然當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)還有需要改進(jìn)的地方，但按照其發(fā)展趨勢，可以預(yù)見到未來它將會與更多的行業(yè)交叉融合，共同構(gòu)建和諧高效的信任社會．