CN114420277A - 一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，包括设置在每个医院的病床数据管理中心和病床数据收集终端，不同医院的病床数据管理中心与其他病床数据管理中心构成不同区块链节点，不同医院的病床数据管理中心共同构成一个分布式病床数据存储系统；使用raft算法实现不同病床数据管理中心之间数据的安全共享，raft算法将分布式病床数据存储系统中的病床数据管理中心通过分配和选举产生领导节点、备用领导节点、跟随节点和候选节点。本发明所述系统可以使得不同医院之间可以进行病床资源的共享，提高病床利用率。
Description
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，具体涉及一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统。
背景技术
传统的管理病床方法是将本院病床信息存储在医院本地，不同医院间无法进行病床数据共享。然而这种单点的本地储存方式存在病床信息上传不及时，医院间的病床信息无法共享，病床资源无法得到充分利用。
区块链技术在患者病历信息管理方面被应用，但是各医院之间如何实现病床资源的共享问题并没能很好地解决。目前绝大多数医院内的病床资源只可供医院内部进行调整、分配，各医院之间无法共享病床资源，会导致病人转院手续繁琐，在重大自然灾害时无法最大化利用现有病床资源等问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不同医院间无法进行病床数据共享的技术问题，而提供一种将Raft算法应用到数据的安全共享机制中，在传统raft算法基础上新增了备用领导节点，设计了基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统。
本发明技术方案如下：
一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，包括设置在每个医院的病床数据管理中心和病床数据收集终端，每个医院的病床数据收集终端由各医院拥有权限的工作人员进行操作，病床数据的收集与修改，都需由所述病床数据收集终端向相应病床数据管理中心提出请求，再由所述病床数据管理中心完成数据操作；所述病床数据管理中心负责对相应病床数据收集终端的数据进行采集和整理，不同医院的病床数据管理中心与其他病床数据管理中心构成不同区块链节点，实现对不同医院的病床数据的安全管理，不同医院的病床数据管理中心共同构成一个分布式病床数据存储系统；使用raft算法实现不同病床数据管理中心之间数据的安全共享，raft算法将分布式病床数据存储系统中的病床数据管理中心通过分配和选举产生领导节点、备用领导节点、跟随节点和候选节点。
进一步地，Raft算法能够实现病床数据的上链流程、备用领导节点的切换、领导节点的选举流程和基于改进Raft算法的病床数据的共享流程四个流程。
进一步地，病床数据的上链流程包括病床数据收集终端生成密钥、病床数据收集终端向所述病床数据管理中心请求标识、病床数据收集终端向病床数据管理中心提交病床数据上链请求、病床数据收集终端在进行数据上链和病床数据管理中心根据智能合约对病床信息进行上链五个流程。
跟随节点作为数据请求方通过所述领导节点提出数据使用申请，从而与其他作为数据提供方的跟随节点建立联系，进行病床数据共享。数据请求方向所述领导节点发送数据使用请求，所述领导节点先对所述数据请求方进行身份验证，再向所述数据提供方发送数据使用请求。所述数据提供方对所述领导节点身份进行验证，再回复数据是否可用。若数据可用，则所述领导节点转发回复给所述数据请求方，使所述数据请求方与所述数据提供方建立联系。所述数据请求方与所述数据提供方建立联系时，双方需协商通信模式，达成一致后，方可进行安全的数据共享。
进一步地，备用领导节点的切换包括：每个医院的病床数据管理中心之间通过选举产生一个领导节点和一个备用领导节点，所述分布式医院数据存储系统中所有的数据操作都需通过领导节点进行，当领导节点对所述分布式病床数据存储系统进行读写操作时，同时将数据日志发送给备用领导节点，使所述备用领导节点与领导节点的日志内容保持一致，当所述领导节点出现故障时，所述备用领导节点自动成为新一轮领导节点；当所述备用领导节点成为新一轮领导节点后，在此病床数据管理中心发起选举，从系统中的跟随节点中选举出新的备用领导节点，新的备用领导节点在选举完成后，其日志内容应与所述领导节点一致。
进一步地，领导节点的选举流程包括：候选节点发出申请成为备用领导者角色的请求、每个跟随节点在收到所述候选节点的申请信息后对其身份信息进行认证、收到超1/2赞成票的候选节点提交签名信息、跟随节点对签名信息进行确认和候选节点收到超1/2赞成票的成为备用领导节点五个过程。
进一步地，基于改进Raft算法的病床数据的共享流程包括数据请求方请求使用数据、领导节点验证所述数据请求方身份、领导节点向数据提供方发送使用请求、数据提供方对领导节点身份进行验证并回复是否可用、领导节点发送数据提供方身份信息给数据请求方、数据请求方验证数据提供方身份并与其建立连接写入数据六个流程。
本发明的有益效果在于：
本发明所述系统可以使得不同医院之间可以进行病床资源的共享，提高病床利用率。
附图说明
图1是本申请病床管理系统的整体结构。
图2是病床数据的上链流程图；
图3是备用领导节点的工作流程图；
图4是备用领导节点的选举流程图；
图5是改进Raft算法的病床数据的共享流程图。
具体实施方式
本申请提供了一种基于区块链的病床数据存储结构。
从现实角度考虑，不同医院间距离大多较远，因此要实现不同医院间病床信息的共享，应在不同医院分别设置病床数据管理中心。每个病床数据管理中心对某特定范围内的病床信息进行收集与整理，不同的病床数据管理中心共同构成一个分布式病床数据存储系统。
病床信息应具有较高安全性，不可为非法用户随意篡改，不同病床数据管理中心间的信息应能实现数据共享。基于以上几点要求，具有“不可篡改”、“分布式存储”特点的区块链技术做，可被应用于此，满足不同医院间的病床数据信息共享，提高病床利用率。
基于区块链的病床数据存储结构主要包括各个医院的病床数据管理中心和各医院的病床数据收集终端两个部分。病床数据收集终端主要由各医院拥有权限的工作人员进行操作，病床数据的收集与修改，都需由所述病床数据收集终端向所述病床数据管理中心提出请求，再由所述病床数据管理中心完成数据操作。所述病床数据管理中心主要负责对所述病床数据收集终端的数据进行采集、整理，并与各个病床数据管理中心构成不同区块链节点，实现对不同医院的病床数据的安全管理，如图1所示。
各个医院都可对其病床数据管理中心内的数据进行充分使用，但是不同医院间的病床数据则需通过安全的数据共享机制，才可保障病床数据的安全使用。
本文中使用raft算法这种具有高可靠性、可用性的共识性算法来实现不同病床数据管理中心数据的共识机制。
本文中对raft算法进行改进，主要包括4种角色，分别是领导节点、备用领导节点、跟随节点、候选节点。通过领导节点与备用领导节点的配合，提高系统的稳定性与持续性，通过4种角色的相互配合，实现所述区块链账本的一致性。
基于上述分析，本文为实现不同病床数据管理中心之间数据的安全共享，需要实现病床数据的上链流程、备用领导节点的切换、领导节点的选举流程、基于改进Raft算法的病床数据的共享流程4个流程。
本申请提供了一种病床数据的上链流程。
基于本文提出的基于区块链的病床数据存储结构，病床数据的上链流程主要包括病床数据收集终端生成密钥、病床数据收集终端向所述病床数据管理中心请求标识、病床数据收集终端向病床数据管理中心提交病床数据上链请求、病床数据上链5个流程。其过程如图2所示，具体流程如下。
1、所述病床数据收集终端需使用密钥生成算法生成一对公钥、私钥。
2、所述病床数据收集终端采用私钥对其身份信息进行数字签名，并提交给所述病床数据管理中心请求标识。
3、所述病床数据管理中心根据公钥审核所述病床数据收集终端后，若无误，则为其创建唯一的身份标识，以便于所述病床数据收集终端进行数据的上链存储。
4、所述病床数据收集终端在进行数据上链时，将自身身份信息与数据的哈希值交给所述病床数据管理中心。
5、所属病床数据管理中心根据智能合约，实现对病床信息的上链。
本申请提供了一种备用领导节点的切换方式。
当领导节点故障后，系统需耗费较长时间从众多跟随节点中选举出新一轮的领导节点，而在选举期间，由于新的领导节点的不确定性，所以分布式系统的读写操作均无法执行，因而会导致分布式系统的服务性能降低。为提高分布式系统服务性能，增强系统稳定性与可持续性，本文在传统raft算法的基础上增加了一个备用领导节点，当所述领导节点出现故障时，所述备用领导节点自动成为新一轮领导节点，从而节省了重新选举的时间，提高了分布式病床数据存储系统的稳定性与持久性。
为保障备用领导节点的可用性，所述领导节点在工作时需与所述备用领导节点保持强一致性。当领导节点对所述分布式系统进行读写操作时，同时将数据日志发送给备用领导节点，使所述备用领导节点与所属领导节点的日志内容保持一致，从而使得当所述领导节点故障后，所述备用领导节点可继续工作。
当所述备用领导节点成为新一轮领导节点后，应在此病床数据管理系统中发起选举，从系统中的跟随节点中选举出新的备用领导节点，新的备用领导节点在选举完成后，其日志内容应与所述备用领导节点一致。
当所述备用领导节点与所述领导节点的日志不能保持强一致性，或当所属备用领导节点发生故障时，应在所述分布式病床数据存储系统中发起选举，用于竞选出新的备用领导节点，新的备用领导节点在选举完成后，其日志内容应与所述领导节点一致。
其工作流程如图3所示。
本申请提供了一种备用领导节点的选举流程。
该流程包括候选节点发出申请成为备用领导者角色的请求、身份认证、投票决策、收到超1/2赞成票的候选节点提交签名信息、跟随节点对签名信息进行确认、最先收集到超1/2赞成票的成为新的备用领导节点五个过程。如图4所示，其具体实现流程如下。
1、只有拥有真实医院病床数据管理中心身份的候选节点才能申请成为领导节点，每个候选节点在向跟随节点发送申请时，应先用自身私钥对申请信息进行加密，并发布其公钥。此操作可以防止非法节点成为备用领导节点并篡改、窃取病床数据。
2、每个跟随节点在收到所述候选节点的申请信息后，根据其身份信息查找其公钥，对信息进行解密，若可成功解密，则投票给所述候选节点表示支持。否则，放弃投票。
3、当所述候选节点收到超过1/2来自跟随节点的支持票后，便将所有支持票进行聚合签名，并用自己的私钥对聚合签名信息进行签名后再发送。此操作可以防止所述支持票信息被篡改或窃取。
4、每个跟随节点再收到来自所述候选节点的聚合签名信息后，逐个对签名信息进行身份认证，使用公钥对签名信息解密，若无误，则向所述候选节点发送确认信息，表示同意其为所述分布式病床数据存储系统的备用领导节点。
5、所述候选节点收到超过1/2的来自跟随节点的确认信息后，则成为此轮选举中的备用领导节点。
本申请提供一种基于改进Raft算法的病床数据的共享流程。
此方式中利用哈希算法实现数据的真实性认证，防止领导节点对病床数据的篡改和窃取。此方法主要包括数据请求方请求使用数据、领导节点验证所述数据请求方身份、领导节点向数据提供方发送使用请求、数据提供方对领导节点身份进行验证并回复是否可用、领导节点发送数据提供方身份信息给数据请求方、数据请求方验证数据提供方身份并与其建立连接写入数据6个流程。如图5所示，其具体实现过程如下。
1、某医院的病床数据管理中心作为数据请求方向领导节点提出使用其他医院病床数据的申请，并在申请信息中附上自身身份信息，请求数据的标识信息。
2、所述领导节点收到申请后，基于身份信息验证数据请求方身份，以及该身份是否具有使用病床数据的权限。如所述数据请求方具有所述权限，则向数据请求方发回确认信息，表示同意。
3、所述领导节点将数据请求与自身身份信息共同生成请求信息，发送给所述数据提供方。
4、所述数据提供方基于公钥对领导节点的身份进行验证，验证通过后，分析请求信息中数据申请方的身份信息与数据操作请求，若确认无误，则向领导节点发送确认信息。
5、所述领导节点收到确认信息后，通知数据请求方。
6、所述数据请求方基于所述数据提供方的身份信息，与其建立连接，并协商通信模式。协商完成后，双方可实现数据的安全共享。因而可以实现某医院与其他医院进行病床资源的共享与共同分配。
通过以上流程，成功实现了各医院间进行病床资源的协调与分配，并确保了数据共享过程的安全性与可靠性。
Claims (6)
1.一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，包括设置在每个医院的病床数据管理中心和病床数据收集终端，每个医院的病床数据收集终端由各医院拥有权限的工作人员进行操作，病床数据的收集与修改，都需由所述病床数据收集终端向相应病床数据管理中心提出请求，再由所述病床数据管理中心完成数据操作；所述病床数据管理中心负责对相应病床数据收集终端的数据进行采集和整理，不同医院的病床数据管理中心与其他病床数据管理中心构成不同区块链节点，实现对不同医院的病床数据的安全管理，不同医院的病床数据管理中心共同构成一个分布式病床数据存储系统；使用raft算法实现不同病床数据管理中心之间数据的安全共享，raft算法将分布式病床数据存储系统中的病床数据管理中心通过分配和选举产生领导节点、备用领导节点、跟随节点和候选节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，Raft算法能够实现病床数据的上链流程、备用领导节点的切换、领导节点的选举流程和基于改进Raft算法的病床数据的共享流程四个流程。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，病床数据的上链流程包括病床数据收集终端生成密钥、病床数据收集终端向所述病床数据管理中心请求标识、病床数据收集终端向病床数据管理中心提交病床数据上链请求、病床数据收集终端在进行数据上链和病床数据管理中心根据智能合约对病床信息进行上链五个流程。
4.根据权利要求2所述的一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，备用领导节点的切换包括：每个医院的病床数据管理中心之间通过选举产生一个领导节点和一个备用领导节点，所述分布式医院数据存储系统中所有的数据操作都需通过领导节点进行，当领导节点对所述分布式病床数据存储系统进行读写操作时，同时将数据日志发送给备用领导节点，使所述备用领导节点与领导节点的日志内容保持一致，当所述领导节点出现故障时，所述备用领导节点自动成为新一轮领导节点；当所述备用领导节点成为新一轮领导节点后，在此病床数据管理中心发起选举，从系统中的跟随节点中选举出新的备用领导节点，新的备用领导节点在选举完成后，其日志内容应与所述领导节点一致。
5.根据权利要求2所述的一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，领导节点的选举流程包括：候选节点发出申请成为备用领导者角色的请求、每个跟随节点在收到所述候选节点的申请信息后对其身份信息进行认证、收到超1/2赞成票的候选节点提交签名信息、跟随节点对签名信息进行确认和候选节点收到超1/2赞成票的成为备用领导节点五个过程。
6.根据权利要求2所述的一种基于改进Raft算法的区块链医院病床管理系统，其特征在于，基于改进Raft算法的病床数据的共享流程包括数据请求方请求使用数据、领导节点验证所述数据请求方身份、领导节点向数据提供方发送使用请求、数据提供方对领导节点身份进行验证并回复是否可用、领导节点发送数据提供方身份信息给数据请求方、数据请求方验证数据提供方身份并与其建立连接写入数据六个流程。
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