区块链电子病历系统中共识机制的研究与实现

发布时间：2020-09-16 07:13

　　目前,医疗机构使用的传统电子病历系统大多彼此独立,很难实现不同系统之间的信息交互。同时,传统电子病历系统中的医疗数据集中存储在医疗机构本地的数据库中,可能遭遇黑客攻击或者机构内部人员的窃取,数据安全难以保障。此外,医疗机构掌握着患者的医疗数据,带来了相应的隐私泄露问题。而区块链电子病历系统利用区块链技术能够在实现医疗数据安全存储与高效共享的同时,也充分保护病人的隐私权以及对医疗数据的所有权。共识机制是确保区块链上所有节点彼此同步并对事务的合法性、发生顺序以及结果达成一致性认可并添加到区块链中的协议。为避免区块链电子病历系统中医疗数据遭受恶意节点侵害,共识机制的设计必须保证安全性。另外,共识过程作为区块链系统的性能瓶颈,需要提升在吞吐量、延迟时间等方面的表现以满足系统的性能要求。本文旨在研究实现一种安全高效且适用于基于Hyperledger Fabric框架的区块链电子病历系统的拜占庭容错共识机制。本文对区块链中主流共识机制进行了对比与分析。公有链中常见的工作量证明POW与权益证明POS两种共识机制因其极低的吞吐量表现,完全无法达到区块链电子病历系统的性能要求。Kafka共识机制在吞吐量方面表现非常好,适合处理高频业务,但是无法容忍拜占庭错误,与该系统的安全性要求不符。实用拜占庭容错PBFT共识机制各方面表现较为均衡,但其复杂的通信过程仍存在优化的空间。针对PBFT共识机制的不足与系统要求,本文研究实现了一种应用于区块链电子病历系统的共识机制,动态模式拜占庭容错DMBFT共识机制。该共识机制在性能方面主要做出两点优化:一是针对系统节点特性将共识机制的单一模式优化为动态模式,加快无故障情况下共识的达成;二是将BLS聚合签名方案应用于共识流程,减少网络通信量,提高签名验证效率。在安全性方面同样做出两点优化:一是利用消息摘要与数字签名技术保护了交易数据的完整性与不可否认性,加强对共识过程的安全性保护;二是设计了依据信誉值的活动节点选取策略,降低了故障节点对系统共识过程的安全影响。为检验DMBFT共识机制优化效果,将该共识机制应用于区块链电子病历系统,设计了合理的系统架构,并对系统中与共识过程密切相关的病历提交、授权、病历交易等核心业务进行了实现。最后在区块链电子病历系统中发起上述核心交易对DMBFT共识机制进行测试。通过与PBFT共识机制的对比测试对DMBFT共识机制的优化能力进行评估与分析比较。在DMBFT共识机制的非故障模式下,相较于PBFT共识机制平均吞吐量提升了27%,满足系统的性能要求。在容错性方面,系统能够处理的最大故障节点数与预期相符,且故障处理过程带来暂时的性能下降在可接受范围内,满足系统的安全性要求。验证了DMBFT共识机制能够在区块链电子病历系统中有效工作,且在性能与安全性的方面表现达到了预期效果。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R-05;TP311.13

【相似文献】