CN110866067B - 基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，包括：建立雾计算层，所述雾计算层由体域网网关节点和其它雾节点组成；部署内区块链，将体域网网关节点和与体域网网关节点直接连接的其它雾节点作为内区块链的节点；部署外区块链，将其它雾节点作为外区块链的节点；其中，获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息。本发明利用两层区块链和雾计算层结合的方式处理健康数据，有效提高了健康数据的安全性，降低了健康数据，特别是紧急健康数据的时延。

Description

基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法及系统
技术领域
本发明涉及体域网智能医疗领域。更具体地说，本发明涉及一种基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法及系统。
背景技术
作为一种特殊类型的无线传感器网络，体域网在智能医疗等领域获得了社会各界的广泛关注。体域网一般由部署在体内、体表或体表附近的传感器构成，通过这些传感器获取人体的体温，血压，脑电图，心电图等各项生理参数。传统应用中，这些生理参数一般通过人体网关节点比如手机进行收集，并进行简单分析显示以及用户通告，或者发送到远端云进行进一步分析，从而为用户提供人体健康数据的全面监测和分析。然而，由于因特网的开放性，上述基于云的远程智能医疗系统正面临着越来越多的安全威胁。此外，由于远端云的地理位置较远，会导致较大的通信往返时延，且由于因特网网络性能的不可预期性，如网络拥塞或网络不可达等情况，将会造成体域网数据在紧急情况下无法进行实时传输，从而对病人生命安全造成严重威胁。因此，传统的基于云计算的体域网智能医疗系统在安全性和实时性指标方面亟待提高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法及系统，其针对现有技术的诸多安全性和可能的时延问题，提出了利用两层区块链和雾计算层结合的方式处理健康数据，有效提高了健康数据的安全性，降低了健康数据，特别是紧急健康数据的时延。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，包括：
建立雾计算层，所述雾计算层由体域网网关节点和其它雾节点组成；
部署内区块链，将体域网网关节点和与体域网网关节点直接连接的其它雾节点作为内区块链的节点；
部署外区块链，将其它雾节点作为外区块链的节点；
其中，获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，还包括：
检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传健康数据至内区块链。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，还包括：
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。
本发明还提供了基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，包括：
体域网网关节点；
单元网关节点，其与体域网网关节点连接，并与体域网网关节点组成内区块链；
其它雾节点与体域网网关节点共同组成雾计算层，其它雾节点还与单元网关节点组成外区块链；
其中，体域网网关节点获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息；若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其它雾节点包括单元网关节点、与单元网关节点连接基站、与基站连接的路由器以及与路由器连接的中心网关。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，每个病人对应一个体域网网关节点，每个病房的多个体域网网关节点对应一个单元网关节点。
单元网关节点和其它雾节点上均部署有智能合约；
若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔。
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，单元网关节点判断体域网网关节点是否为恶意节点，若不是，则将体域网网关节点的健康数据广播。
优选的是，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传健康数据至内区块链。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明采用基于雾计算和区块链的双去集中化的分布式系统架构。雾计算是指利用网络边缘的分布式设备进行计算的技术，区块链节点同样是去中心化的分布式网络安全技术，因此雾层和区块链都是分布式架构，具有天然的相容性，因此，基于雾计算的区块链安全机制实现容易，极具优势。
2、本发明基于雾计算实现体域网实时数据处理。相对于传统的双层架构的体域网+ 云的远程智能医疗系统，采用体域网+雾(+云)的两层或三层架构，并且重点解决体域网数据利用雾计算进行实时传输及处理功能。此方案采用雾计算相对于云计算的主要优势在于雾计算在地理位置上靠近终端设备，因此传输时延较低，对于医疗应用尤其是紧急情况下的应用具有很大优势。而云计算由于地理位置远离终端设备，因此数据传输往返传输时延很大，同时由于需要internet连接，而internet网络性能不确定，有的时候有拥塞甚至网络瘫痪不可达，将会造成极大的丢包率及包无效率(包的到达时延大于阈值)，导致整个系统尤其在紧急时无法可靠工作。因此，本方案基于雾，数据首先在雾节点进行处理，得到的处理结果可以直接进行通告病人，如果后期不需要进行进一步大数据深入处理，处理结果可以不用上传到云，如果需要进一步处理则将结果上传到云，这样做除了可以降低时延，还可以降低上传到云的数据量，降低大数据传输时由于internet带宽限制带来的额外传输时延。
3、本发明基于区块链基础架构+CA管理功能实现信息传输安全。区块链系统在各个区块链节点上部署智能合约完成数据加密安全处理及传输功能，智能合约保证网络分布式安全，在条件达到时可以自动完成交易，而不需要任何第三方信任机制，可以有效预防针对第三方信任机构的攻击，以及第三方在不诚实时带来的体域网安全隐患。同时，由于区块链所采用的链式数据结构的特性、哈希运算机制及非对称加密方法，可以保证数据的可追溯性，不可篡改性，不可抵赖性，防伪造性，这些安全特性可以很好的满足体域网的安全要求。同时，通过CA管理实体可以对恶意节点进行排查。并且，通过统计方法，可以对不诚实的BS进行惩罚。因此，本方案所实现的系统不仅具有极高的安全性，而且可以大幅降低欺诈行为的概率。
4、本发明采用新的共识机制PoI保证资源受限的体域网网关节点的公平性。在本系统中，引入PoI(Power of identifier)，参与维护区块链的节点即矿工节点，通过计算下式：
Hash(prev hash+data+identifier+timestamp)≤Given value
prev hash为上一个区块内容的hash值，data为本区块中的交易内容，identifier为当前雾节点的设备标识信息，timestamp当前时间戳。由此，每个矿工节点挖矿成功的几率相同。同时，由于PoI对算力的要求远远低于PoW，因此各矿工节点具有相同的挖矿成功概率，尤其对于资源受限的MS来说可以提供公平性。在PoI算法中，通过限制时间戳的差值，使得同样时间内共识节点进行哈希运算的速率一定，避免了恶意用户通过提高算力垄断记账权的情况，进而避免恶意节点破坏系统，同时降低记账节点的计算速率，降低能耗。系统对第一个挖矿成功的节点给予奖励。
5、本发明采用基于内链+外链的双链系统架构。采用的双链机制可以保证时延按需动态可调，内链由同一科室的所有体域网网关节点、单元雾节点构成，外链由单元雾节点、基站、雾层路由器，各中心网关构成，双链同时运行。在非紧急情况下，双链按照提前设定的区块生成速度运行；在紧急情况时，可以提高内链区块产生速度，以此降低时延，使得达到紧急情况的数据可及时通告。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
在一种技术方案中，如图1所示，基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，包括：
建立雾计算层，所述雾计算层由体域网网关节点和其它雾节点组成，见图1雾计算层框线；
部署内区块链，将体域网网关节点和与体域网网关节点直接连接的其它雾节点作为内区块链(内链)的节点，见图1内区块链框线；
部署外区块链(外链)，将其它雾节点作为外区块链的节点，见图1外区块链框线；
其中，获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息。
健康数据是指生理数据和其它与健康相关的数据，由病人周围的体域网网关节点采集。健康数据写入内区块链和外区块链。将健康数据发送到内链，在内链通过运用POI共识算法从单元网关雾节点之中选出内链记账节点以后，按照提前部署的智能合约将数据打包添加到内链区块链上；同时，这些生理数据通过单元网关雾节点发送至外链雾层，同样通过 POI共识算法选举记账节点，并且按照提前部署的智能合约进行数据打包上链。传统的选取记账节点的方法一般为PoW算法。针对PoW算法(寻找合适的随机数nonce)算力开销大、浪费电力的缺陷，利用PoI算法来选取记账节点，PoI算法是将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和时间戳信息，当用PoI算法得到的哈希值满足预设的要求，则将相应的竞争记账权的节点作为记账节点。PoI算法优选的计算式为： Hash(prevhash+data+identifier+timestamp)，prev hash为上一个区块内容的hash值，data 为本区块中的交易内容，identifier为当前节点的设备标识信息，timestamp为当前时间戳。由此，每个矿工节点挖矿成功的几率相同。同时，由于PoI对算力的要求远远低于PoW，因此各矿工节点具有相同的挖矿成功概率，尤其对于资源受限的MS(体域网网关节点)) 来说可以提供公平性。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。这里，提供了选取记账节点的一种优选方式，简单易行，比如可以是小于某一预设值，减少算力和电力的浪费。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔。即加快在紧急情况下的内区块链的区块产生速度，降低时延，使得达到紧急情况的数据可以及时通告。比如，心脏病人病情发作的时候，心率传感器采样速率提高，提高的越多，病情越严重，可以判断以采样率为依据的病情紧急程度，设定阈值，高于阈值则区块链可以降低区块生成间隔。本技术方案并不对预设紧急条件作具体限定，用户可根据实际需要确定。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，还包括：
检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传至内区块链。该技术方案可以减少不诚信的节点占用资源，造成资源浪费。比如一个体域网网关节点(手机)为了任何情况下(即使没有出现紧急情况)都让自己的体域网数据得到优先处理，可能会声称自己的数据紧急程度比较高，即向单元网关节点进行不实汇报。但是，当医务人员发现并没有出现汇报的紧急情况，这时该手机被记录一次不诚实行为。可以设置阈值，即出现多少次这样的不诚实行为的时候，禁止数据上链。本技术方案并不对预设不诚实条件作具体限定，用户可根据实际需要确定。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，还包括：
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。这里，当活跃且合法的体域网网关的数量较少，则增大生成区块的时间间隔，减少资源浪费。
本发明基于与体域网实时数据处理方法相同的发明构思，还提供了基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，包括：
体域网网关节点；
单元网关节点，其与体域网网关节点连接，并与体域网网关节点组成内区块链；
其它雾节点与体域网网关节点共同组成雾计算层，其它雾节点还与单元网关节点组成外区块链；
其中，体域网网关节点获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息；若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
本技术方案与体域网实时数据处理方法的发明构思相同，可参见相应部分的描述。将健康数据发送到内链，在内链通过运用POI共识算法从单元网关雾节点之中选出内链记账节点以后，按照提前部署的智能合约将数据打包添加到内链区块链上；同时，这些生理数据通过单元网关雾节点发送至外链雾层，同样通过POI共识算法选举记账节点，并且按照提前部署的智能合约进行数据打包上链。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其它雾节点包括单元网关节点、与单元网关节点连接基站、与基站连接的路由器以及与路由器连接的中心网关。这里，提供了优选的硬件连接架构。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，每个病人对应一个体域网网关节点，每个病房的多个体域网网关节点对应一个单元网关节点。
单元网关节点和其它雾节点上均部署有智能合约；
若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔。
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。
这里，提供了优选的硬件配置方式，方便统一实时监控每个病房内病人的健康数据。多个体域网网关节点对应一个单元网关节点按照地理位置最近优先的原则对应。并且通过检测是否满足紧急条件或数量条件，调节生成区块的时间间隔，优化资源的分配，减少浪费。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，单元网关节点判断体域网网关节点是否为恶意节点，若不是，则将体域网网关节点的健康数据广播。单元网关节点上部署认证中心管理实体，过滤恶意节点的上传行为。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传健康数据至内区块链。该技术方案可以减少不诚信的节点占用资源，造成资源浪费。
在另一种技术方案中，所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，包括以下操作步骤：
第一步，某医院部署m(m≥n)个体域网(每个体域网对应一个病人)，每个体域网配有一个体域网网关节点MS(最常见的设备是手机)。本地部署n个单元网关节点(对应 n个病房，每个病房对应医院的一个科室，如图1中的room1～roomn)，m个体域网(即m 个病人)按照病人类型分到n个不同的room，每个room内的体域网网关节点MSj与相应的单元网关节点构成区块链内链。
第二步，部署一个基站节点BS。各单元网关节点、基站BS及各边缘雾节点构成的分布式雾层，构成区块链外链。
第三步，在此n个单元网关雾节点上分别部署相应的认证中心CAi(i＝1…n)管理实体, 每个CAi负责对对应科室内部的体域网网关节点MSj(j≥1)进行认证、管理、统计。在CA 实体上初始化体域网网关节点的黑名单及灰名单数据库(对于灰名单设置对应的诚信度阈值)。
第四步，在各雾节点上部署智能合约，根据网络吞吐量需求在智能合约中设置区块链生成时间间隔。
第五步，体域网中各个传感器开始工作并收集人体生理参数，各体域网网关节点MS 对这些生理参数进行收集后发送到相应的单元雾节点。接着，单元雾节点根据一定的机制判断MS是否为恶意节点，如果是恶意节点则将其加入黑名单。否则，雾节点将接收的生理数据进行全网广播。所有雾节点根据PoI不断地进行共识运算，最终将人体生理参数数据上传至区块链。同时各单元雾节点同时进行两项监测：第一，不断监测是否有紧急数据；第二，按照固定周期统计合法且活跃的体域网网关节点数量。
第六步，当单元网关节点发现有紧急生理数据产生时，单元雾节点对内链的区块生成速度进行调整，提高区块生成速度(减小区块生成间隔)以降低时延，从而满足紧急情况下的应急处理需求。
第七步，若医护人员发现数据有不实报告(数据并非紧急，但是由于体域网网关节点 MS的自私性，为了降低自身数据被处理的时延而声称其数据是紧急的)，则单元雾节点对其进行惩罚，若惩罚值超过既定阈值，将其列入灰名单，禁止其数据上外链)。
第八步，若统计的MS合法且活跃的节点数量低于某个阈值，则增大共识间隔，从而降低对能耗较为敏感的MS节点能耗。
第九步，重复第五步-第八步。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法及系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，其特征在于，包括：
建立雾计算层，所述雾计算层由体域网网关节点和其它雾节点组成，其它雾节点包括单元网关节点、与单元网关节点连接基站、与基站连接的路由器以及与路由器连接的中心网关；
部署内区块链，将体域网网关节点和与体域网网关节点直接连接的其它雾节点作为内区块链的节点；
部署外区块链，将其它雾节点作为外区块链的节点；
其中，获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息；
将健康数据发送到内区块链，内区块链通过运用POI算法从单元网关节点之中选出内区块链记账节点，按照提前部署的智能合约将数据打包添加到内区块链上；同时，将这些健康数据通过单元网关节点发送至外区块链，同样通过POI算法选举记账节点，并且按照提前部署的智能合约进行数据打包上链。
2.如权利要求1所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，其特征在于，若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
3.如权利要求1所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，其特征在于，若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔。
4.如权利要求1所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，其特征在于，还包括：
检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传健康数据至内区块链。
5.如权利要求1所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理方法，其特征在于，还包括：
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。
6.基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其特征在于，包括：
体域网网关节点；
单元网关节点，其与体域网网关节点连接，并与体域网网关节点组成内区块链；
其它雾节点与体域网网关节点共同组成雾计算层，其它雾节点还与单元网关节点组成外区块链，其它雾节点包括单元网关节点、与单元网关节点连接基站、与基站连接的路由器以及与路由器连接的中心网关；
其中，体域网网关节点获取健康数据，并将健康数据上传至内区块链和外区块链，内区块链和外区块链使用PoI算法选取记账节点，所述PoI算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的设备标识信息和当前时间戳信息；若一竞争记账权的节点得到的哈希值符合预设条件，则选取该竞争记账权的节点为记账节点；
将健康数据发送到内区块链，内区块链通过运用POI算法从单元网关节点之中选出内区块链记账节点，按照提前部署的智能合约将数据打包添加到内区块链上；同时，将这些健康数据通过单元网关节点发送至外区块链，同样通过POI算法选举记账节点，并且按照提前部署的智能合约进行数据打包上链。
7.如权利要求6所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其特征在于，每个病人对应一个体域网网关节点，每个病房的多个体域网网关节点对应一个单元网关节点；
单元网关节点和其它雾节点上均部署有智能合约；
若体域网网关节点获取的健康数据满足预设紧急条件，则减小相邻两个区块的生成时间间隔；
检测体域网网关节点的活跃数量，若满足预设数量条件，则增大相邻两个区块的生成时间间隔。
8.如权利要求6所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其特征在于，单元网关节点判断体域网网关节点是否为恶意节点，若不是，则将体域网网关节点的健康数据广播。
9.如权利要求6所述的基于雾计算和区块链的体域网实时数据处理系统，其特征在于，检测体域网网关节点的行为，若满足预设不诚实条件，则禁止该体域网网关节点上传健康数据至内区块链。
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