基于區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情管理系統(tǒng)

李節(jié)

（東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，江蘇南京，211100）

0 引言

2020年1月，新冠疫情爆發(fā)。為了應(yīng)對疫情，2020年2月11日浙江省杭州市率先啟用了健康碼防疫管理機制。健康碼是以真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由市民網(wǎng)上申報，再經(jīng)后端處理與移動通信校驗等手段生成屬于個人的二維碼。健康碼的推出旨在讓復(fù)工更加精準(zhǔn)有序。目前高校職工、學(xué)生需要每天在本校的健康管理系統(tǒng)上進行健康申報，以獲得進出校園的權(quán)限。在這類疫情防控系統(tǒng)中，一般要求用戶輸入涉及個人隱私的信息，但這些數(shù)據(jù)在一定程度上暴露了個人隱私。同時，網(wǎng)絡(luò)上也出現(xiàn)了偽造或篡改健康碼的事件報道。

近年來得到廣泛關(guān)注的區(qū)塊鏈技術(shù)通過密碼學(xué)技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的安全性，因此獲得了廣泛應(yīng)用。最新的區(qū)塊鏈技術(shù)引入了智能合約（Smart Contract）概念，可通過合約對區(qū)塊鏈進行編程。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情防控登記系統(tǒng)，可在保護個人隱私的情況下達(dá)到疫情防控的效果。

1 相關(guān)工作

為了用區(qū)塊鏈技術(shù)改進與優(yōu)化我國的傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，黃銳等通過區(qū)塊鏈技術(shù)將現(xiàn)行的傳染病預(yù)警系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、公共衛(wèi)生交換系統(tǒng)、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)整合成一條疫情監(jiān)測預(yù)警的協(xié)同鏈，建立兼顧實時性與準(zhǔn)確性的傳染病早期聯(lián)合預(yù)警監(jiān)測平臺；汪濤等建立利用健康碼區(qū)塊鏈對新型冠狀病毒肺炎疫情進行防控的模型，可通過該模型對疫情防控難易程度與成效進行評估；李龔亮等為更好地解決區(qū)塊鏈中所涉及的交易隱私問題，以超級賬本Fabric作為仿真平臺，研究一種運用零知識證明保護隱私的算法，測試結(jié)果表明該算法可廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈隱私保護場景中。如今隨著數(shù)以萬計的車輛接入車聯(lián)網(wǎng)，楊顏博等針對該問題進行分析，提出一種使用區(qū)塊鏈技術(shù)保護車聯(lián)網(wǎng)隱私的方案，該方案將車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲在分布式哈希存儲表中，利用區(qū)塊鏈實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲、訪問及用戶撤銷等功能，從而提高車輛接入效率。

本文根據(jù)以往研究成果，使用哈希算法與超級賬本作為區(qū)塊鏈框架，設(shè)計并實現(xiàn)了一個疫情防控系統(tǒng)，可實現(xiàn)前端將用戶隱私加密后發(fā)送到后端，后端根據(jù)相應(yīng)規(guī)則產(chǎn)生對應(yīng)的通行碼。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)具備可行性。

2 需求分析

隨著疫情防控的常態(tài)化，各高校采取健康申報的方式進行人員管理。各高校都開發(fā)了本校獨立的健康管理系統(tǒng)，學(xué)生與教職工每天在打卡系統(tǒng)上傳自身的健康狀況、行程計劃等。但由于各高校之間的信息并不共享，因而對師生之間的跨校學(xué)術(shù)交流產(chǎn)生了一定阻礙。各大高校的數(shù)據(jù)只存儲在自己內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫中，形成了數(shù)據(jù)孤島。但如果將數(shù)據(jù)全部外包給第三方服務(wù)器，用戶隱私往往得不到保證。例如A學(xué)生想去B學(xué)校參加學(xué)術(shù)交流活動，通常需要進行大量申請工作。因此，推出一個區(qū)域內(nèi)各大高校認(rèn)可的，便于師生在學(xué)校之間進行正常學(xué)術(shù)交流的疫情防控系統(tǒng)成為了當(dāng)務(wù)之急。

2.1 需求概述

本文設(shè)計的系統(tǒng)將加密技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，在不泄露用戶明文隱私的情況下，實現(xiàn)用戶行程軌跡等個人信息在各聯(lián)盟成員之中的共享。系統(tǒng)需各大高校與用戶相互合作以保證存儲到區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的真實性。如圖1所示。各大高校通過區(qū)塊鏈共享疫情防控信息，以實現(xiàn)高校之間互通互認(rèn)。

Fig.1 Structure of the epidemic management system圖1 疫情管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文應(yīng)用層設(shè)計了3個用戶實體，即系統(tǒng)維護員、用戶與高校管理員，各大高校通過共同合作組成了聯(lián)盟鏈。

由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲空間相對有限，本文使用了兩個數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)。MongoDB數(shù)據(jù)庫用于存儲不需要溯源的普通數(shù)據(jù)，如用戶數(shù)據(jù)等，架設(shè)在專門的服務(wù)器上。而需要溯源、防篡改的數(shù)據(jù)，如用戶行程、疫區(qū)信息等，則由“Fabric SDK”通過Goosip協(xié)議分發(fā)到架設(shè)在各高校的專用服務(wù)器上，用于同步與校驗區(qū)塊數(shù)據(jù)。系統(tǒng)維護員負(fù)責(zé)向區(qū)塊鏈中添加疫情、疫苗等相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶負(fù)責(zé)上傳自身行程，用于每天的健康打卡。同時用戶如果想去別的高校，可進行通行申請，系統(tǒng)通過校驗疫區(qū)數(shù)據(jù)與用戶行程數(shù)據(jù)判斷其是否具備權(quán)限進入指定高校。在本文系統(tǒng)中，用戶的行程隱私將會進行加密處理，以密文方式存儲在區(qū)塊鏈上。

2.2 系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)的用戶角色如圖2所示，主要分為普通用戶、維護管理員與高校管理員。本文假設(shè)用戶是誠實可信的，即用戶在知曉自身隱私數(shù)據(jù)會被加密保存后，將會誠實地上傳自身隱私信息。登錄后，用戶上傳自己的行程、個人身體狀況等信息。如果用戶想去其他學(xué)校，可在申請模塊進行申請，指定學(xué)校的管理員將進行審核。同時，由于國內(nèi)疫苗正在大規(guī)模接種中，各高校也正在向?qū)W生及教職工宣傳疫苗接種的必要性，因此系統(tǒng)也應(yīng)具備查詢疫苗接種地的功能，以便用戶獲得真實、可靠的疫苗相關(guān)信息。維護管理員負(fù)責(zé)向MongoDB寫入用戶信息，使用戶獲得一個賬號，而且可添加聯(lián)盟成員、疫情、疫苗接種地等信息。高校管理員通過查詢指定用戶的賬戶信息，查看用戶通行碼，即可知曉用戶通行狀態(tài)。

Fig.2 System function圖2 系統(tǒng)功能

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情管理系統(tǒng)各模塊詳細(xì)內(nèi)容如下：

（1）系統(tǒng)管理。該模塊可添加用戶與高校成員，數(shù)據(jù)將保存在MongoDB數(shù)據(jù)庫中。用戶在登錄時進行校驗，根據(jù)相應(yīng)屬性跳轉(zhuǎn)進入不同頁面。

（2）疫情模塊。該模塊為系統(tǒng)管理員維護區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)而設(shè)置，在該模塊中，管理員可添加疫情、疫苗等信息，也可根據(jù)關(guān)鍵碼查詢用戶行程軌跡。

（3）用戶模塊。用戶模塊包含4個子模塊，分別是行程申報、疫區(qū)查詢、疫苗查詢與通行認(rèn)證。行程申報模塊為用戶提供了個人隱私前端加密保存至區(qū)塊鏈的功能；疫區(qū)查詢模塊用于從區(qū)塊鏈中查詢當(dāng)前疫情信息；疫苗查詢模塊用于查詢當(dāng)前疫苗接種地情況；在通行認(rèn)證模塊中，用戶輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，如車次號、航班號等，經(jīng)過加密后與后端區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)進行匹配，生成通行狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)性能需求

本系統(tǒng)是高校之間分享數(shù)據(jù)的平臺，對系統(tǒng)的要求不需要太高。高校的在校人數(shù)相對穩(wěn)定，因此目前的區(qū)塊鏈超級賬本框架足以支持其并發(fā)量。在數(shù)據(jù)存儲方面，由于用戶上傳的大多是字符串等數(shù)據(jù)，不涉及文件上傳與下載，因此普通服務(wù)器足以承載。

針對系統(tǒng)的安全需求，首先為應(yīng)對用戶的隱私泄露問題，本系統(tǒng)使用了哈希散列技術(shù)［15］。本文假設(shè)用戶誠實、可信，且積極配合防疫工作。用戶信息并不會直接被服務(wù)端作為明文存儲，因此用戶沒有必要進行偽造。因此，通過在前端直接對用戶行程進行Hash 散列，傳遞到區(qū)塊鏈進行保存會取得更好的效果。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整體架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 System architecture圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用層：在基于區(qū)塊鏈的疫情管理系統(tǒng)中，應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)界面展示，包括行程上傳、疫情共享等模塊的用戶操作界面與服務(wù)接口界面。

接口層：接口層主要為應(yīng)用層提供調(diào)用智能合約的接口。所有需要寫入?yún)^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都需要在智能合約中進行定義，并利用超級賬本提供的API，通過智能合約與賬本交互。

服務(wù)層：在超級賬本中，服務(wù)層負(fù)責(zé)提供由Go 語言實現(xiàn)的智能合約服務(wù)、疫情錄入服務(wù)以及疫情追溯服務(wù)。此外，調(diào)用服務(wù)層需要通過證書管理體系對聯(lián)盟鏈中的成員進行身份管理與驗證。

共識層：在超級賬本中，共識的達(dá)成依賴于排序節(jié)點。超級賬本并不采用“工作量證明”（Pow）這種耗費資源的算法，而是采取背書擔(dān)保的共識算法。通過各節(jié)點對數(shù)據(jù)的校驗及簽名認(rèn)證，取得共識后將數(shù)據(jù)寫入賬本。

賬本層：存儲層負(fù)責(zé)存儲行程的密文數(shù)據(jù)。超級賬本提供歷史數(shù)據(jù)庫，可查詢數(shù)據(jù)的改動。根據(jù)最新的數(shù)據(jù)狀態(tài)（超級賬本中稱為世界狀態(tài)），即可查詢出最新的鍵值對。

3.2 功能模塊設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)管理模塊設(shè)計

系統(tǒng)管理模塊主要用來添加用戶與高校成員。本文采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB 存儲以上數(shù)據(jù)，得到如圖4所示的用戶E-R 圖。

Fig.4 The E-R diagram of user圖4 用戶E-R圖

Fig.5 The E-R diagram of school圖5 學(xué)校E-R圖

3.2.2 疫情維護模塊設(shè)計

疫情維護模塊主要用于維護管理員向區(qū)塊鏈中寫入的疫情相關(guān)數(shù)據(jù)，如疫情地區(qū)、疫情航班、車次號等。疫情E-R 圖如圖6所示。

Fig.6 The E-R diagram of epidemic圖6 疫情E-R圖

由于疫情信息需要寫入超級賬本中，因此需要設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。對于疫苗信息，為方便溯源，也設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。疫苗E-R 圖如圖7所示。

Fig.7 The E-R diagram of vaccine圖7 疫苗E-R圖

3.2.3 用戶模塊設(shè)計

對用戶而言，主要需要進行行程申報，疫區(qū)、疫苗查詢以及通行認(rèn)證。敏感信息將會被加密存儲至超級賬本中，用戶將在前端調(diào)用Jquery 提供的MD5 加密函數(shù)對明文直接進行加密，然后將密文發(fā)送到區(qū)塊鏈進行存儲。

對于通行認(rèn)證部分，服務(wù)端首先從超級賬本中取出疫情明文，然后同樣進行MD5 加密，再與用戶的明文進行匹配，得出狀態(tài)碼。高校管理員可根據(jù)用戶手機號查詢用戶通行狀態(tài)碼。用戶狀態(tài)認(rèn)證流程如圖8所示。

3.2.4 智能合約設(shè)計

Fig.8 User status authentication process圖8 用戶狀態(tài)認(rèn)證流程

所謂智能合約即鏈上代碼，其保證了結(jié)果的一致性。本文使用Go語言設(shè)計并實現(xiàn)了表1所列的智能合約函數(shù)，通過這些智能合約可實現(xiàn)用戶信息添加、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、用戶狀態(tài)查詢等功能。

國際阿爾茨海默病協(xié)會預(yù)計，在全球范圍內(nèi)，阿爾茨海默病患者的數(shù)量每20年將翻一番，到2050年，將有超過1.15億人患有此病。從今年開始，原本為期一天的“世界阿爾茨海默病日”將被延長至一個月。阿爾茨海默病帶來的人文主義思考，使今年的活動聚焦在減少對該病的歧視與恥辱感上。

Table1 Smart contract表1 智能合約

智能合約內(nèi)的相關(guān)結(jié)構(gòu)體已在前文作過介紹，智能合約的設(shè)計大部分只需調(diào)用超級賬本提供的3個API即可，分別是“GetState”、“PutState”、“GetHistoryState”，可向賬本寫入、讀取與查詢歷史數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

本文設(shè)計了4個peer節(jié)點與一個order節(jié)點作為區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)。由于超級賬本需要MSP證書才能加入網(wǎng)絡(luò)進行交易，而超級賬本中想要生成滿足MSP配置的證書，可通過“OpenSSL”或使用“Cryptogen”工具及“Hyperledger Fabric CA”組件，本文選擇第二種方式生成成員身份配置信息。為了使用Cryptogen工具，首先編寫“crypto-config.yaml”配置節(jié)點，接下來通過配置configtx.yaml文件指定區(qū)塊大小、出塊時間、創(chuàng)世區(qū)塊等，之后編寫Docker的配置文件“docker-compose.yaml”，在文件中指定了組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c對應(yīng)鏡像文件之間的映射關(guān)系。

最后編寫SDK，并完成如下內(nèi)容：①加載本地配置文件，嘗試發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的資源；②獲取用戶身份；③對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通道進行操作或加入通道；④注冊并監(jiān)聽指定通道內(nèi)的事件；⑤對通道內(nèi)的鏈碼進行操作。

4.2 系統(tǒng)展示

4.2.1 登錄界面

系統(tǒng)登錄界面如圖9所示。

Fig.9 System log-in interface圖9 系統(tǒng)登錄界面

根據(jù)前端用戶輸入的數(shù)據(jù)，服務(wù)端會從Mongodb中查找對應(yīng)卡號的用戶是否為管理員屬性。如果是管理員屬性則跳轉(zhuǎn)到管理員界面，如果是普通用戶屬性，則跳轉(zhuǎn)到普通用戶界面，如圖10所示。

Fig.10 Common user interface圖10 普通用戶界面

用戶數(shù)據(jù)上傳界面如圖11所示，數(shù)據(jù)將會通過服務(wù)端調(diào)用智能合約的Addregion函數(shù)，將其寫入超級賬本中。

Fig.11 User information uploading interface圖11 用戶數(shù)據(jù)上傳界面

4.2.2 通行認(rèn)證信息輸入界面

如圖12所示，在前端使用通行認(rèn)證功能需要填寫對應(yīng)信息。

根據(jù)前文所述的健康校驗流程，以用戶“l(fā)ijie”為例，系統(tǒng)可生成通行碼如圖13所示。

Fig.12 Pass certification information input interface圖12 通行認(rèn)證信息輸入界面

Fig.13 Access code圖13 通行碼

5 結(jié)語

本文通過將哈希函數(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情管理系統(tǒng)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)可有效保護用戶的個人隱私信息，同時達(dá)到防疫的效果。下一步本文將探索如何將零知識證明技術(shù)與防疫相結(jié)合，以達(dá)到更好的數(shù)據(jù)隱私保護效果。