区块链、物联网与人工智能融合：赋能医疗与智慧城市建设

# 区块链、物联网与人工智能融合：赋能智能城市与医疗健康 ## 1. 区块链角色与Exonum框架 ### 1.1 区块链参与者角色 在区块链系统中，存在不同类型的参与者，各自承担着重要的职责： - **外部审计员**：类似于维护者，但不积极参与共识过程。他们通过读取区块链数据来验证交易的正确性，并存储完整副本以证明交易的完整性。例如执法机构和非政府组织就可充当外部审计员。 - **客户端**：是区块链服务的客户，他们能够获取最少数量的数据，用于验证审计员和维护者提供的数据的准确性。 ### 1.2 Exonum框架介绍 Exonum是一个新的开源区块链框架，属于许可型区块链，能提供读取区块链数据的功能。它采用面向服务的架构（SOA），主要分为三个部分： - **客户端**：发起交易和读取请求，配备了加密数据处理工具，可触发交易并检查读取请求的响应。 - **服务**：包含应用的业务逻辑，同一服务可同时在多个区块链中重复使用。为了从区块链状态中获取准确信息，读取请求会被处理为交易，并在服务端点实现。 - **中间件**：作为客户端和服务之间的桥梁，它对交易进行排序，实现客户端和服务之间的互操作，管理服务生命周期，并通过控制辅助生成读取请求的响应。 ### 1.3 Exonum框架的优势 与其他许可型区块链框架相比，Exonum具有诸多优势： - 为客户端和审计员提供了易于审计的服务结构。 - 由于采用SOA，开发的服务可在其他Exonum应用中复用，还能添加新服务并重新配置应用中使用的服务。 - 允许第三方应用参与，并与其他基于Exonum的应用实现互操作性。 - 具有更高的功率输出和复杂交易逻辑的编码能力。 - Exonum共识算法不会接受单点故障。 - 区块链存储采用键值对系统。 ### 1.4 Exonum服务端点特性 | 特性 | 交易 | 读取请求 | | --- | --- | --- | | 局部性 | 全局 | 局部 | | 处理方式 | 异步 | 同步 | | 发起方 | 客户端 | 客户端 | | REST服务类比 | POST/PUT HTTP请求 | GET HTTP请求 | | 加密货币服务示例 | 加密货币转移 | 余额检索 | ### 1.5 Exonum的网络交互 在Exonum中，服务与外部世界的交互主要有两种方式： - **交易改变区块链状态**：只有交易能改变区块链状态，这些交易按顺序执行，结果遵循共识算法。所有传入的交易都会广播到参与网络的每个完整节点。 - **读取请求获取信息**：每个区块链状态会为读取请求提供信息，并附带存在证明。任何完整节点都可以在内部处理此类读取请求。 ### 1.6 Exonum的其他特性 - **传输层**：客户端在传输层验证交易后，有机会重新连接到同一节点。在存在恶意节点的情况下，它可能不会修改读取请求，但会延迟广播从客户端接收到的信息。中间件层负责将传输层功能从应用开发者中抽象出来，服务端点可根据本地方法调用进行映射。 - **认证和授权**：客户端作为交易的发起者，通过验证公钥数字签名来确保交易的完整性和实时可验证性。读取请求的认证和授权可借助网络签名或验证通信通道来完成，因为它们是本地的。为了提高安全性，服务端点可以声明为私有，这样便于控制访问并减少攻击面。 - **轻量级客户端**：Exonum中的轻量级客户端能够与完整节点进行通信，并对响应进行加密验证。它可以通过密钥管理功能对请求进行认证，还能报告不同读取请求响应之间的不可抵赖性和一致性。 - **共识算法**：Exonum使用基于领导者的拜占庭容错共识算法来维护账本中的交易，并在交易执行后记录结果。即使三分之一的验证者出现故障或被黑客攻击，Exonum仍能继续工作，不会出现单点故障，这是一个完全去中心化的过程。与其他BFT算法相比，Exonum使用的算法具有工作拆分、无界轮次和请求算法等特点。 ## 2. 区块链在医疗健康数据中的应用 ### 2.1 医疗健康数据面临的问题 医疗健康数据主要面临数据共享以及将数据用于研究和其他商业项目的问题。同时，必须保证数据的隐私和安全标准。 ### 2.2 基于区块链的医疗数据解决方案 区块链系统允许用户使用透明的价格公式直接访问系统中的信息，并有权在线出售自己的数据。数据使用活动的跟踪得到保证，用户对数据拥有完全所有权，可直接将数据出售给客户端。不过，使用实际货币进行购买存在问题。为此，引入了一种名为“生命英镑”的加密代币。当在支持区块链的市场上进行数据交易时，会创建或挖掘“生命英镑”代币。市场客户端的目标是保存用户的生物医学数据，供客户购买。数据验证者会对用户的数据进行分析和验证。 ### 2.3 生命英镑生态系统组成 生命英镑生态系统主要由以下部分组成： - **用户**：出售数据的用户可以保持匿名，并通过仅向购买者提供数据访问权限来私下保护自己的数据。 - **存储**：数据存储在云存储中，如亚马逊网络服务（AWS）。将数据存储在云端有助于实现链下存储，这对于CT扫描和MRI等通常使用的大量数据非常有益。对云存储的访问基于区块链市场的公钥基础设施（PKI），用户端使用阈值加密方案确保数据隐私和安全。 - **完整节点**：包含对区块链中数据的完全访问权限，分为三种类型： - **验证者**：验证并将新块链接到链上。 - **审计员**：检查市场情况。 - **密钥保管者**：通过阈值加密方案保护主份额。 ### 2.4 医疗数据质量保障 为了确保医疗数据的质量和一致性，可以使用深度学习方法： - **无监督模型**：最初使用旨在从数据集中检测异常的无监督模型进行医疗质量检查。无监督方法提供的数据通常用于重建数据，以识别异常。质量较差的数据会导致最高的重建误差。 - **基于时间的模型**：如RNNs等时间模型，它们首先从高质量样本中学习，然