基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統研究

禹 忠，郭 暢，謝永斌，薛 棟

西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安710121

1 引言

醫藥溯源是指對藥品的生產加工、物流運輸、零售使用等過程進行記錄追蹤，這個工作需要藥品供應鏈上下游各方的廣泛參與。2018年由“有點甜”阿司匹林引出的21省份特大假藥案暴露了目前醫藥防偽溯源系統的一大弊端，即目前醫藥防偽溯源系統的所有數據都存在中心數據庫內，溯源認證采用中心記賬模式，數據在上傳、存儲、查詢等一系列操作中有被篡改的可能[1]。除此之外，目前醫藥防偽溯源系統還有兩點不足：一是存儲的數據信息不完整，消費者無法通過查詢藥品溯源碼得到藥品的物流信息及使用信息；二是數據信息的私密性無法保證，藥品流通過程中參與者與最終消費者查詢會得到相同的信息，容易造成消費者個人信息泄露。

區塊鏈技術的出現為解決目前醫藥防偽溯源系統存在的數據易篡改、信息不完整以及信息私密性等問題提供一個新的思路[2]。首先，區塊鏈所具有的去中心化的性質就是它的核心優勢[3]。再結合密碼學技術，將每一個區塊通過區塊頭內的前一個區塊的哈希值串聯成鏈，且區塊鏈上的每個節點都保存一份相同的賬本，保證存儲在區塊鏈上的數據很難被篡改[4]；其次，藥品流通過程中的每個參與者都可以通過鏈碼功能對藥品信息進行記錄，得到藥品從生產到使用的全部信息，保證數據流的可靠性與完整性[5]；最后，區塊鏈中聯盟鏈具有用戶非授權不能接入的特點，作為聯盟鏈代表的Fabric區塊鏈平臺具有基于證書認證的賬號體系，各組織的賬號是根據PKI（公鑰基礎設施）規范生成的一組證書和秘鑰文件，在查詢者發起查詢請求時，Fabric側會發起對提案消息的驗證，包括對組織賬號、通道信息及鏈碼地址的認證，賬號體系結合鏈碼功能可以保證數據信息的私密性[6]。

本文提出的基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統以藥品作為溯源對象，以Fabric區塊鏈平臺為基礎。首先，依據系統的功能需求將醫藥廠、經銷商、醫院作為組織加入到Fabric網絡中，使用文件配置的方法完成Fabric環境的多機部署，使其具有鏈碼的運行環境。然后開發并部署鏈碼，在終端或者客戶端將藥品的生產、銷售及使用信息通過各組織內經過認證的用戶賬號加密后上傳到區塊鏈。最后，開發客戶端程序，消費者經由客戶端通過藥品溯源碼發起查詢請求，實現藥品溯源信息在網頁的查詢。

2 相關工作

區塊鏈技術自2008年因一個名為“中本聰”的學者發表的一篇有關比特幣的文章開始出現至今[7]，經歷了區塊鏈1.0“可編程貨幣”、區塊鏈2.0“可編程金融”、區塊鏈3.0“可編程社會”3個發展階段[8]，其應用場景也從最初的數字貨幣擴展到醫療、金融、教育、物流供應鏈等更多的領域[9]。2018年Caro等人提出一種集成區塊鏈技術和物聯網的可用于農產品供應鏈管理的完全分散式可追溯系統AgriBlockIoT，此系統設計并部署一個“從農場到餐桌”的經典食品可追溯場景，分別使用Ethereum和Hyperledger Sawtooth兩種不同的區塊鏈平臺實現，并根據延遲、CPU負載和網絡的使用情況對兩種系統性能進行分析評估和比較。此系統將整個農產品供應鏈中物聯網設備產生的有效數據信息存儲到底層的區塊鏈中，利用區塊鏈技術保證交易記錄的容錯性、不變性、透明性和可追溯性[10]。同年Figorilli等人結合RFID傳感器技術和區塊鏈技術實現一個區塊鏈架構內的木材鏈追溯系統，此系統將可追溯信息及木材質量相關信息整合到一個在線系統中，利用區塊鏈技術去中心化和分布式存儲的特點安全存儲數據信息及交易記錄，實現木材從立木到最終用戶的電子溯源[11]。2019年Lin等人提出并在以太坊上開發了一種基于區塊鏈和EPC信息服務的食品安全溯源系統，此系統利用區塊鏈技術可追溯、時間戳及防篡改的特點結合智能合約和共識機制對整個食品供應鏈中的有效數據進行準確記錄、共享及特定追蹤，防止信息交互過程發生數據篡改和信息泄露等問題，用于有效檢測和預防食品安全問題并追究責任[12]。

相比以上對農產品、木材及食品溯源的重視，醫藥產品的重要性也不容置疑，所以一個安全可靠的醫藥防偽溯源系統是必需的。2010年Huang等人提出的基于RFID的監管可追溯系統，其具有的電子譜系和可追溯性不僅有益于醫療管理人員和患者，而且有益于供應鏈上的其他參與者[13]。2016年蔡勇等提出一種基于二維碼的中藥質量可追溯系統，此系統能對藥品的生產、加工及流通過程等外在信息和中藥內在質量變化進行追溯[14]。2018年Benatia等人通過對幾種產品追溯工作的比較研究，提出一種基于大數據技術的數據采集、存儲、分析和可視化的數據管理系統，可以確保不同供應鏈參與者之間的系統互操作性[15]。以上關于醫藥的溯源系統都有自己的優勢，但不能同時滿足數據存儲去中心化、信息全面且防篡改以及信息私密性這三個要求。而區塊鏈技術在溯源系統的應用中具有獨特優勢：（1）區塊鏈技術的去中心化和分布式存儲特性可保證數據信息的公開透明性和數據流的完整可靠性；（2）區塊鏈技術可追溯和數據防篡改的特點可以有效解決供應鏈中的假冒偽劣問題；（3）區塊鏈技術數據防篡改和時間戳的特點可以實現舉證和追責，解決各參與方的糾紛。結合區塊鏈的技術優勢和目前醫藥防偽溯源系統的不足，本文提出了一種基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統。

此系統針對目前醫藥防偽溯源系統的不足之處有如下創新：（1）利用區塊鏈技術解決傳統醫藥溯源系統存在的數據存儲中心化易篡改問題，保證藥品數據的可靠性。（2）結合區塊鏈技術和鏈碼功能加入藥品的流通信息和使用信息，保證藥品數據流的完整性。（3）利用Fabric基于證書認證的賬號體系結合鏈碼功能保證數據信息的私密性。

3 系統模型

3.1 系統流程

圖1展示的是系統的總體設計流程：包括Fabric網絡環境搭建、鏈碼開發、客戶端開發及藥品信息的上傳與查詢。其中具體流程如下：

①Fabric環境多機部署及鏈碼開發：根據系統的功能需求部署Fabric環境，系統環境配置有三個組織，分別對應醫藥廠、經銷商和醫院三個現實場景，且三個組織的節點加入同一個通道，每個組織的節點上安裝不同的鏈碼以實現不同組織對藥品不同操作功能的需求。

②藥品信息上傳：藥品在醫藥廠被生產和包裝，出廠時藥品包裝上會有唯一的藥品溯源碼。在藥品流通到醫藥廠、經銷商和醫院三個組織時，根據各組織節點上安裝鏈碼的功能，以藥品溯源碼為鍵，在終端或客戶端用各個組織內經過認證的用戶賬號分別將藥品的生產信息、流通信息及使用信息上傳到Fabric區塊鏈。

③藥品溯源信息查詢：消費者在購買或使用藥品后，使用經過組織3認證的用戶賬號登錄區塊鏈醫藥防偽溯源平臺，輸入藥品溯源碼，即可跳轉至藥品溯源信息顯示界面，得到藥品從生產到使用各個階段的溯源信息，此過程仍通過鏈碼3實現。

3.2 系統架構

本文系統架構模型包括Fabric網絡環境模塊、智能合約模塊和Web服務及客戶端開發模塊三個部分[16]。具體架構設計如圖2所示。

圖1 系統流程圖

圖2 系統架構模型

Fabric網絡環境模塊包括數據層和網絡層，它的功能是對數據采集部分采集到的藥品數據進行存儲。其中數據層是區塊鏈的核心部分，用于將藥品流通過程中產生的數據加密后上傳到區塊鏈[17]；網絡層是Fabric區塊鏈平臺信息傳輸的基礎，包括共識機制、P2P網絡及網絡中的數據驗證機制[18]；數據采集部分需要采集的數據包括藥品的生產信息、物流信息及使用信息，其采集數據的具體分類如圖3所示。此處顯示的藥品信息即為系統需要上傳和查詢所得的信息。

圖3 采集數據的具體分類

智能合約模塊指的是合約層，是系統的核心，封裝的是能夠實現系統功能的智能合約[19]。Fabric上的智能合約又被人稱為鏈碼（Chaincode），是一段可以在Fabric區塊鏈平臺上進行驗證，存儲和執行等操作的代碼，而且鏈碼還有與Fabric網絡進行交互的功能。

Web服務及客戶端開發模塊包括應用層和用戶層，使消費者及藥品流通過程的各參與者與Fabric區塊鏈平臺進行交互，為用戶提供簡潔的互動界面[20]。其中應用層包括輸入接口和各種信息查詢入口；用戶層面向用戶或商家，包括藥品流通過程中各個參與者。

4 系統功能實現

醫藥防偽溯源系統的完成需要Fabric網絡環境、智能合約和Web服務及客戶端開發三個模塊功能的協同實現，下文將會詳細介紹各個模塊功能。

4.1 Fabric網絡環境模塊

Fabric網絡環境模塊的主要功能是創建系統所需的組織節點，具有鏈碼的運行環境，并將藥品數據信息上傳至區塊鏈。根據圖1所示的系統流程圖部署Fabric環境，使用配置文件的方法創建組織節點，并通過Fabric的模塊生成證書和數據文件以及系統和通道的創始塊，最后開啟orderer節點和peer節點，創建通道并將節點加入通道，完成醫藥防偽溯源系統的Fabric網絡環境多機部署，以便用來實現藥品數據的存儲及查詢，確保數據的真實性及完整性。根據系統需求，其配置信息中的組織標識符和組織ID及后續所安裝的鏈碼名字如表1所示。

表1 醫藥防偽溯源系統組織信息表

4.2 智能合約模塊

基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統的智能合約模塊封裝的是藥品數據存儲和查詢的鏈碼。一段完整的鏈碼包含鏈碼代碼和鏈碼管理命令兩部分。鏈碼代碼是功能業務的承載體，負責具體的業務邏輯與身份認證。鏈碼管理命令負責鏈碼的部署，安裝，調用等工作，命令中包含操作對象的數據信息；通過整體分析，運用在醫藥防偽溯源系統上的鏈碼具體結構如圖4所示[21]。

圖4 鏈碼結構圖

其中代碼層中的信息管理是為了與同一通道中的其他節點上的鏈碼進行通信，并與客戶端傳來的命令進行交互，使鏈碼中提供的節點地址被發現并通知；功能實現是根據系統功能需求編寫代碼實現藥品信息的上傳及查詢。

管理命令層包含每一個操作對象的數據信息，鏈碼名和通道名是此次操作命令需要指定的鏈碼和通道；身份證明是指驗證此次操作的用戶身份，保證發起此次命令的用戶是經過組織證書認證的；關鍵溯源信息則包括此藥品從生產到使用的所有上傳到區塊鏈上的信息，或者是查詢所需要提交的藥品溯源碼。

4.2.1 鏈碼功能流程

Fabric的鏈碼是客戶端與Fabric網絡之間的橋梁，本次醫藥防偽溯源系統設計中的鏈碼使用Go語言開發。三個鏈碼分別安裝在不同組織的節點上，鏈碼的功能包括上傳藥品信息、獲取藥品信息以及獲取藥品的交易記錄。且安裝在組織3節點上的鏈碼還具有調用安裝在組織1和組織2節點上鏈碼的功能，以此來完成藥品信息的溯源。

圖5展示的是部署在組織3節點上的鏈碼功能流程圖。在鏈碼部署成功后的實例化過程中會用到系統初始化Init方法，接下來是系統Invoke方法，主要功能是發起交易。在本次鏈碼開發的Invoke方法下定義了功能類型functiontype、藥品名稱medicalname、藥品數據medicaldata三個參數，功能類型對應以下四種接口的存儲管理方法，針對此次系統設計所需要的四種功能：

（1）如果functiontype=putdata，則會使用Chaincode-StubInterface接口的PutState方法，此方法的功能是存儲數據到Fabric賬本中，負責接收并存儲從客戶端傳遞過來的藥品使用信息的相關數據。

（2）如果functiontype=getdata，則會使用Chaincode-StubInterface接口的GetState方法，此方法的功能是從Fabric賬本中獲取指定數據，并將獲取的數據交給鏈碼處理，可以負責驗證通過功能（1）存儲的數據是否存在于Fabric賬本中。

（3）如果functiontype=gethistory，則會使用Chaincode-StubInterface接口的GetHistoryForKey方法，此方法的功能是獲取指定鍵的歷史記錄，此系統中以某個藥品溯源碼為指定鍵進行查詢來獲取此藥品的歷史記錄。

（4）如果functiontype=getmedicalhistory，則會使用ChaincodeStubInterface接口的GetHistoryForKey方法和調用其他鏈碼InvokeChaincode方法，前者功能與功能（3）一樣，后者的功能是調用安裝在組織1和組織2節點上的鏈碼，以保證通過執行功能（4）就可以得到指定藥品從生產到使用的全部數據信息。

圖5 鏈碼功能流程圖

如果功能方法不是以上四種，則直接返回空值；功能（3）和功能（4）執行后得到的鍵值數組切片要通過json.Marshal函數轉換成json數組輸出，以便后續數據在網頁端的顯示。

4.2.2 鏈碼執行過程

系統功能的實現離不開鏈碼的執行，藥品的關鍵溯源信息也需要通過鏈碼來存儲和查詢，在鏈碼安裝及實例化完成后，需要在終端或者客戶端輸入命令來調用鏈碼。圖6是鏈碼執行的示意圖，展示了在客戶端發起藥品溯源查詢時鏈碼具體的執行過程。

圖6 鏈碼執行示意圖

①消費者通過客戶端發起藥品溯源查詢請求。

②客戶端的Fabric-SDK獲取消費者（查詢發起者）的身份認證證書。

③客戶端與peer節點建立連接。

④客戶端發送交易提案給Fabric的peer節點，背書節點顯示查詢流程提案開始。Fabric側發起對提案消息的驗證，包括對組織身份、通道信息及鏈碼地址的認證。首先驗證通道報頭信息，其次檢查發起者的簽名信息，包括對發起者組織身份是否合法的認證以及對簽名存在是否正確的認證。最后驗證鏈碼信息，包括對報頭信息及鏈碼名稱的驗證。

⑤背書節點提供流程提案交易號txid，Fabric側按交易號檢索事務并構建新的交易模擬器，背書節點開始模擬提案并提供交易號txid及通道id。隨后啟動鏈碼（若鏈碼正在運行，則不需要重新啟動），其包括執行、設置鏈碼提議、發送執行消息、Fabric側處理鏈碼消息及發送狀態消息事務等一系列操作。

⑥啟動的鏈碼根據交易提案查詢對應的賬本，從緩存中獲取鏈碼所需要的數據，獲取完成后通知并退出。

⑦peer節點退出鏈碼的調用過程，Fabric側完成事務模擬/查詢執行，退出查詢流程提案。區塊鏈上的節點返回相應的信息，完成查詢過程。

4.3 Web服務及客戶端開發模塊

基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統的前端界面主要包括查詢入口界面及信息顯示界面。其中模塊開發程序的主要功能是負責處理消費者在客戶端發送的請求，并與Fabric區塊鏈進行交互?？傮w來說，Web服務及客戶端開發模塊的兩個主要功能就是在后臺進行邏輯處理并收集數據以及在前端界面合理簡潔的顯示數據。

鏈碼部署完成之后，通過編寫客戶端演示程序來模擬一個客戶端發起交易請求，演示程序由Node.js來編寫。其中Node.js提供的http模塊主要作用就是搭建http服務端和客戶端。此次客戶端開發指定http服務啟動在3000端口，在終端輸入命令開啟瀏覽器，啟動成功之后在瀏覽器中輸入指定網址來進行醫藥溯源。

以一次藥品查詢為例，消費者在客戶端發起查詢請求，客戶端會根據查詢發起者的地址信息進行服務器請求，服務器端在接收請求后會運行Web服務代碼調用Fabric區塊鏈上的鏈碼進行數據查詢。此時還會對登錄客戶端的用戶賬號進行認證，經過認證的具有不同的賬號的請求指令會指向不同的鏈碼地址，得到不同的查詢結果。之后服務器端會把處理得到的藥品溯源信息數據返回到客戶端，將查詢結果顯示給消費者。

5 結果與分析

5.1 溯源信息的查詢

圖7展示的是醫藥信息的查詢入口界面，此時并未輸入查詢藥品的藥品溯源碼medical_id，顯示信息為“please enter the medical_id”。

圖7 藥品信息的查詢界面

本次查詢發起者的身份信息為“username：‘Admin’，mspid：‘Org3MSP’”，且發起請求所在的節點為peer0org3，當添加藥品溯源碼后再次發起溯源請求，部署在組織3節點上的鏈碼就會啟動，進而調用部署在前兩個組織節點的鏈碼，就能得到藥品從生產到使用的全部溯源信息。此處以藥品“香菊膠囊”為例，假設香菊膠囊的藥品溯源碼為0000001，按照圖8所示在瀏覽器發起medical_id=0000001藥品的查詢請求，就可以得到香菊膠囊的溯源信息，具體數據如圖8所示，可以看到查詢結果中的藥品溯源碼與輸入的藥品溯源碼是一致的。

5.2 系統性能分析

本次醫藥防偽溯源系統設計的環境搭建部分在虛擬機vmware中完成，操作系統為ubuntu16.4。虛擬機設置如下：內存為1 GB，處理器為2，硬盤為30 GB。圖9展示的是查詢命令發出后Fabric的響應時間，以其中50次查詢結果為例。圖中橫坐標i表示第i次查詢，縱坐標t表示每次查詢Fabric的響應時間，具體響應時間處于動態變化中，與查詢命令發出時刻的網絡速率有關，其平均響應時間為22 ms，符合網絡時延要求。當消費者在客戶端進行藥品溯源信息查詢時，其結果顯示界面不會出現卡頓或崩潰，可以獲得較好的用戶體驗。

圖8 藥品的溯源信息顯示界面

圖9 查詢時Fabric的響應時間

為了保證數據的隱私性，使消費者的個人信息不被泄露，基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統可以根據查詢發起者不同的身份信息來確定此次查詢者可以調用的鏈碼，并根據鏈碼功能來獲得不同的數據信息。被組織1和組織2認證的用戶不能得到組織3節點存儲的藥品使用信息，以身份信息為“username：‘Admin’，mspid：‘Org2MSP’”的被組織2認證的查詢者為例，此節點發出的信息查詢只能調用部署在組織2節點上的鏈碼，得到的是藥品的流通信息，具體數據如圖10所示。

圖10 藥品流通信息顯示界面

基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統具有較為簡單的查詢操作，較短的時間響應，非常完整的溯源信息以及非常高的隱私性。將此系統與相關工作中基于其他技術的三篇有關醫藥溯源的系統作比較可以得出如表2所示的結果。從表2可以看出，四篇文章中所設計的系統都能完成基本功能，即信息可追溯，參考文獻[14]與本文所設計的系統具有更好的信息完整性。而且本文設計的基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統借助于區塊鏈技術所具有的去中心化、基于證書認證的賬號體系等特性，使此系統在存儲分散化程度及信息隱私性方面具有獨特的優勢。

表2 系統性能對比表

6 結論

本文從藥品的實際應用場景出發，設計了一個基于區塊鏈的醫藥溯源系統，以藥品為溯源對象，以Fabric區塊鏈平臺為基礎，對藥品生產加工、物流運輸及零售使用等過程進行數據記錄追蹤。通過客戶端使用藥品溯源碼進行查詢，得到此藥品的溯源信息，且Fabric響應時間平均為22 ms，驗證了設計方案的可行性與有效性。區塊鏈技術與溯源技術的結合應用，進一步完善了醫藥防偽溯源系統的性能，利用區塊鏈技術去中心化、數據難以篡改及交易可追溯的特點保證藥品數據的可靠性，實現藥品的全過程可追溯，且可追溯到鏈上的每一個參與者，提高醫藥防偽溯源信息的透明度，保證消費者能通過查詢藥品的溯源碼了解到藥品從生產到使用的全部信息。而且Fabric中基于證書認證的賬號體系結合鏈碼功能可以保證數據的隱私性，使消費者的個人信息不被泄露。另外在商業應用中，結合區塊鏈技術的醫藥溯源系統可以為品牌背書，為醫藥企業增加信任值，提高醫藥企業競爭力，帶來額外收益。除了對醫藥的溯源，區塊鏈技術還可以與電子病歷信息儲存、共享慢性疾病診療、醫療欺詐與理賠方面相結合，為醫療衛生的良好發展提供更有利的保障。