CN113221159A - 一种基于区块链的疫情上报系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种疫情上报系统，属于信息技术领域，具体是涉及一种基于区块链的疫情上报系统。本发明以微服务架构作为系统基本架构，在数据库存储的基础上，实现健康数据、位置信息、人员信息上链存证，并根据Merkle树模型实现历史数据验证、溯源。同时，为了保证上链的效率，采用了基于任务队列的异步上链技术，提高了上链的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种疫情上报系统，属于信息技术领域，具体是涉及一种基于区块链的疫情上报系统。
背景技术
现有技术中信息采集、健康数据上报的形式多以小程序、人工上报为主，数据存储在数据库或本地磁盘文件中。这种数据管理方式在一定程度上收集了大量数据，解决了数据管理问题，同时也存在着数据篡改风险。数据一旦篡改，其作为人员动向、健康状态依据的可信度大大减弱。
区块链作为一种去中心化的分布式数据库，具有不可篡改、公开透明、不可伪造等特点，为区块链奠定了信任的基础。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种基于区块链的疫情上报系统。该系统以微服务架构作为系统基本架构，在数据库存储的基础上，实现健康数据、位置信息、人员信息上链存证，并根据Merkle树模型实现历史数据验证、溯源，采用了基于任务队列的异步上链技术保证上链的效率。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种基于区块链的疫情上报系统，包括：
区块链层模块，用于数据存证，能够保证数据不被篡改，为数据溯源提供可信保障；
数据层模块，存储用户健康信息、位置信息、用户与区块链钱包的映射关系及其他业务数据；
服务层模块，用于提数据上链、查询、校验的区块链服务以及用于疫情数据处理业务的疫情上报服务；
展现层模块，用于提供疫情数据的展示，接收用户的疫情上报信息。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，所述展现层模块接收用户的身份注册信息后，所述数据层模块根据用户身份证号注册钱包，并生成公钥、私钥对，钱包地址和私钥存储到本地数据库；所述数据模块将用户的健康信息上报作为区块链上完成的一笔交易，将该交易信息记录到对应用户钱包地址下。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，所述数据层模块基于以下步骤建立用户基本信息模型：
步骤301，将用户的身份证号码经过SHA256加密算法生成长度为256bit的信息摘要，作为私钥；
步骤302，将私钥经过SECP256K1椭圆曲线算法生成公钥；
步骤303，将公钥通过SHA256算法和RIPEMD160算法生成公钥哈希；
步骤304，将公钥哈希经过两次SHA256加密得到的结果取前4字节与公钥哈希构成一数据结构；
步骤305，将步骤304中得到的数据结构经过BASE58编码得到钱包地址。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，所述数据层模块基于用户的身份标识、健康状态、体温及测量时间、位置信息建立健康数据存证模型，将所述健康数据存证模型作为一个整体，以JSON格式实现上链交易，将且将交易hash作为当前交易的唯一标识。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，在数据上链时，所述服务层模块基于以下步骤保证所有记账节点的一致性和正确性：
步骤501，区块链服务发送交易信息到任一区块链节点，该节点根据各节点同步存在的主节点信息判断接收节点是否为主节点，若则进入步骤502，否则转发给其它节点直到找到主节点；
步骤502，主节点接收到交易信息后，打包交易，生成batch验证，剔除无效交易；
步骤503，主节点构造预准备信息，并广播到其他节点；
步骤504，其他节点接收到PrePrepare信息后，构造Prepare准备信息，并广播；
步骤505，其他节点接收到n-1个Prepare信息后，与PrePrepare信息对比验证；验证通过进入步骤506，否则切换主节点，其中n标识区块链节点个数；
步骤506，验证通过后，广播确认信息，代表接收主节点交易信息；
步骤507，区块链各节点将交易信息写入区块，即记录账本。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，所述服务层模块中的疫情上报服务创建并维护一疫情上报队列，当所述疫情上报服务接收到用户的疫情上报信后，新建一疫情上报任务并提交至疫情上报队列进行处理。
优选的，上述的一种基于区块链的疫情上报系统，在健康状态数据验证时，根据用户信息和上报时间从数据库获取交易哈希，所述服务层模块遍历待验证节点的区块获取目标哈希，若未找到目标哈希，则验证为数据被篡改；若找到目标哈希，则获取哈希列表中的所有交易；将交易依次求hash值，然后相邻的两个hash值相加再求hash，新的hash再与相邻hash相加求hash，这样逐层向上计算，直至只存在一个hash值为止，该hash值则是新构建的Merkle树的root hash值；将所述hash树获得的root值与当前区块头中的Merkle roothash对比，一致说明数据未被篡改；否则数据被篡改。
因此，相对于现有技术，本发明的优点是：本发明在数据库存储的基础上，实现健康数据、位置信息、人员信息上链存证，并根据Merkle树模型实现历史数据验证、溯源。同时，为了保证上链的效率，采用了基于任务队列的异步上链技术，提高了上链的效率。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1例示了本发明实施例中的总体架构图；
图2例示了本发明实施例中的用户信息模型算法流程图；
图3例示了本发明实施例中的健康数据存证存储模型示意图；
图4例示了本发明实施例中的区块链区块结构示意图；
图5例示了本发明实施例中的BRPT共识实现流程示意图。
图6例示了本发明实施例中的基于任务队列的异步上链流程示意图。
图7例示了本发明实施例中的数据上链存证示意图。
图8例示了本发明实施例中的数据校验流程示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
本实施例的总体架构如图1所示。本发明实施例的系统分为区块链层、数据层、服务层和展现层。区块链层作为一种去中心化的分布式数据库，为上层应用提供可信的基础，在系统中担任数据存证的角色，能够保证数据不被篡改，为后期数据溯源、溯源提供可信保障。数据层存储用户健康信息、位置信息、用户与区块链钱包的映射关系及其他业务数据。服务层采用微服务架构，包括注册中心、API网关，其中API网关、区块链服务和疫情上报服务注册到注册中心。API网关提供负载均衡功能，转发对外接口。区块链服务和疫情上报服务之间通过Restful接口调用。区块链服务直接和区块链交互，是数据上链、查询、校验的桥梁。疫情上报服务处理业务相关内容，并调用区块链服务接口，实现数据上链存证、校验、溯源。展现层包括Web和微信小程序两种，用户通过微信小程序上报健康信息，管理员通过Web端管理用户数据、健康数据等。
总体来讲，用户通过微信小程序首次健康上报时，根据用户身份证号注册钱包，并生成公钥、私钥对，钱包地址和私钥存储到本地数据库；健康信息上报时，在区块链上完成一笔交易，并将交易信息记录到对应用户钱包地址下；管理员根据交易hash、时间、钱包地址等信息查询校验，追溯历史信息。
如图2-3所示，为本实施例的数据模型。
从应用角度上讲，区块链是一个分布式的共享账本和数据库，实现交易记账及数据存储。因此，数据上链实现存证溯源的基础是数据模型的设计。通过数据模型的设计，得到标准化的数据结构。基于此，本文提出了用户基本信息模型、存证数据模型。用户基本信息模型是用户信息和区块链公私钥、钱包地址之间的映射关系。健康数据存证存储模型是上链数据的基本数据结构，包含健康关键信息，也是数据溯源的目标数据。
本文采用用户身份证号码作为数据源，生成公钥、私钥、钱包地址。具体流程如图2所示。其步骤包括：
(1)身份证号码经过SHA256加密生成长度为256bit的信息摘要，作为私钥；
(2)私钥经过SECP256K1椭圆曲线算法生成公钥；
(3)公钥通过SHA256和RIPEMD160等到公钥哈希；
(4)公钥哈希经过两次SHA256加密得到的结果取前4字节，连接到公钥哈希后；
(5)(4)中得到的结果经过BASE58编码得到钱包地址。
通过以上算法过程，实现了用户身份标识到钱包地址、公钥、私钥三元组的映射。其中，用户标识、钱包地址、私钥持久化到数据层，便于交易、查询等。
用户健康数据随着用户增加、时间推移呈线性增长。如图3所示，是健康数据存证存储模型，包含了身份标识、健康状态、体温、当前位置、位置信息、经纬度坐标、填报时间等信息。这些信息作为一个整体，以JSON格式实现上链交易。交易hash作为交易内容的数据指纹，是当前交易的唯一标识。
如图4所示，为本实施例的数据上链存证与溯源流程图。
数据上链本质上是区块链系统完成一笔交易的过程，包含交易生成、达成共识和写入账本等过程。本文采用RBFT共识算法，达成共识后，写入区块；交易在区块中以Merkle树的形式组织数据，新的交易加入时，逐层向上重新计算hash值，直到Merkle根节点，达到最终一致性。区块结构如图4所示。
本实施例采用如图5所示的RBFT共识算法。
区块链作为去中心化的分布式存储系统，各个节点在区块链系统中是平等的，在交易过程中必须保证所有记账节点一致性和正确性，保障系统公平性。同时，在某些节点出现故障时，能够保障系统的正常运行。因此，需要一种机制来解决以上提出的问题，即共识机制。这也是区块链系统防篡改的基础。
系统采用高鲁棒拜占庭容错算法RBFT(Robust Byzantine Tolerance)算法实现共识机制。该算法作为PBFT算法的一种改进，在保留原有的三阶段处理流程的基础上，增加了交易验证环节。
RBFT算法达成共识的基本流程，具体说明如下：
(1)客户端发送交易信息到任一节点，判断接收节点是否为主节点，是进入b)，否则转发给主节点；
(2)主节点接收到交易信息后，打包交易，生成batch验证，剔除无效交易；
(3)主节点构造PrePrepare信息，并广播到其他节点；
(4)其他节点接收到PrePrepare信息后，构造Prepare信息，并广播；
(5)其他节点接收到n-1个Prepare信息后，与PrePrepare信息对比验证；验证通过进入f)，否则通过ViewChange切换主节点，其中n标识区块链节点个数；
验证通过后，广播Commit信息，代表接收主节点交易信息；其中，其中ViewChange是指视图更换，是在主节点宕机或者失效的情况下，顺序轮换产生新的主节点的过程。
(6)将交易信息写入区块，即记录账本。
数据上链存证存在延迟现象，同时受到TPS瓶颈影响。为提高数据上链存证效率并保证上链成功，本文采用基于任务队列的异步上链技术，如图6所示。用户通过小程序上报健康数据、位置数据等；疫情上报服务持有数据上链所需的任务队列，服务根据用户数据创建任务，在任务中调用区块链服务上链接口，最终达到数据上链目的。
数据上链的基本流程如图7所示。具体说明如下：
(1)用户通过小程序上报健康数据；
(2)判断任务队列是否存在，是进入3)，否则创建任务队列，然后进入3)；
(3)创建任务；
(4)新建任务提交到任务队列；
(5)根据任务返回结果判断是否上链成功；是，存储交易结果，否则返回3)，直至上链成功。
本实施例采用基于Merkle树的数据验证溯源。
Merkle树是一棵hash二叉树，父节点的值是左右两个子节点相加求hash的结果。叶子节点是交易内容的hash值，如图4所示。Merkle树的根节点叫做Merkle tree root，是该区块下所有交易的数字指纹，任何交易的变动都会逐层向上影响根节点的值。
如图8所示，是健康状态数据的验证流程，具体说明如下：
(1)遍历某节点区块；
(2)在区块交易hash列表中查找目标hash；
(3)判断时候查找到目标hash，是，进行5)，否则进行4)；
(4)区块是否遍历完毕？是，数据被篡改，否则进行1)；
(5)获取hash列表中的所有交易；
(6)构建Merkle树，获取root值；
(7)与当前区块头中的Merkle root hash对比，一致说明数据未被篡改；否则数据被篡改。
在健康状态数据验证过程中，如果发现数据被篡改，需要检索对应的交易数据，这个过程称为健康状态溯源。通过溯源结果得到原始数据。交易检索的过程是对Merkle树的节点逐层对比的过程：1)数据验证过程中构建的Merkle树的左右子树与区块Merkle roothash的左右子树，若左子树不同，则篡改数据存在于左子树；2)对比左子树的两个子节点，若左节点不同，则左节点下的交易是被篡改的数据，取其叶子节点得到原始数据。
通过健康数据溯源得到原始数据，作为用户位置、健康状态的依据，保证了数据的安全性。
通过以上描述可知，本实施在数据库存储的基础上，实现健康数据、位置信息、人员信息上链存证，并根据Merkle树模型实现历史数据验证、溯源。同时，为了保证上链的效率，采用了基于任务队列的异步上链技术，提高了上链的效率。
本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (7)
1.一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，包括：
区块链层模块，用于数据存证，能够保证数据不被篡改，为数据溯源提供可信保障；
数据层模块，存储用户健康信息、位置信息、用户与区块链钱包的映射关系及其他业务数据；
服务层模块，用于提数据上链、查询、校验的区块链服务以及用于疫情数据处理业务的疫情上报服务；
展现层模块，用于提供疫情数据的展示，接收用户的疫情上报信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，所述展现层模块接收用户的身份注册信息后，所述数据层模块根据用户身份证号注册钱包，并生成公钥、私钥对，钱包地址和私钥存储到本地数据库；所述数据模块将用户的健康信息上报作为区块链上完成的一笔交易，将该交易信息记录到对应用户钱包地址下。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，所述数据层模块基于以下步骤建立用户基本信息模型：
步骤301，将用户的身份证号码经过SHA256加密算法生成长度为256bit的信息摘要，作为私钥；
步骤302，将私钥经过SECP256K1椭圆曲线算法生成公钥；
步骤303，将公钥通过SHA256算法和RIPEMD160算法生成公钥哈希；
步骤304，将公钥哈希经过两次SHA256加密得到的结果取前4字节与公钥哈希构成一数据结构；
步骤3055，将步骤304中得到的数据结构经过BASE58编码得到钱包地址。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，所述数据层模块基于用户的身份标识、健康状态、体温及测量时间、位置信息建立健康数据存证模型，将所述健康数据存证模型作为一个整体，以JSON格式实现上链交易，将且将交易hash作为当前交易的唯一标识。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，在数据上链时，所述服务层模块基于以下步骤保证所有记账节点的一致性和正确性：
步骤501，区块链服务发送交易信息到任一区块链节点，该节点根据各节点同步存在的主节点信息判断接收节点是否为主节点，若则进入步骤502，否则转发给其它节点直到找到主节点；
步骤502，主节点接收到交易信息后，打包交易，生成batch验证，剔除无效交易；
步骤503，主节点构造预准备信息，并广播到其他节点；
步骤504，其他节点接收到PrePrepare信息后，构造Prepare准备信息，并广播；
步骤505，其他节点接收到n-1个Prepare信息后，与PrePrepare信息对比验证；验证通过进入步骤506，否则切换主节点，其中n标识区块链节点个数；
步骤506，验证通过后，广播确认信息，代表接收主节点交易信息；
步骤507，区块链各节点将交易信息写入区块，即记录账本。
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，所述服务层模块中的疫情上报服务创建并维护一疫情上报队列，当所述疫情上报服务接收到用户的疫情上报信后，新建一疫情上报任务并提交至疫情上报队列进行处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的疫情上报系统，其特征在于，在健康状态数据验证时，根据用户信息和上报时间从数据库获取交易哈希，所述服务层模块遍历待验证节点的区块获取目标哈希，若未找到目标哈希，则验证为数据被篡改；若找到目标哈希，则获取哈希列表中的所有交易；将交易依次求hash值，然后相邻的两个hash值相加再求hash，新的hash再与相邻hash相加求hash，这样逐层向上计算，直至只存在一个hash值为止，该hash值则是新构建的Merkle树的root hash值；将所述hash树获得的root值与当前区块头中的Merkle root hash对比，一致说明数据未被篡改；否则数据被篡改。
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