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hyperledger fabric platform for healthcare trust relations—Proof-of-Concept

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Blockchain(Research and Applications) 2023年第4期4卷 63-74页

作者： Aleksandar Nedakovic Anton Hasselgren Katina Kralevska Danilo Gligoroski Department of Information Security and Communication Technology Norwegian University of Science and Technology(NTNU)7034 TrondheimNorway Department of Neuromedicine and Movement Science Norwegian University of Science and Technology(NTNU)7034 TrondheimNorway

In recent years,blockchain technologies have expanded from the finance field to other areas that rely on trustbased *** healthcare industry represents one such area,as digital transformation disrupts relationships between patients,healthcare professionals,and healthcare *** and healthcare institutes lack a proficient tool to verify the credentials of medical professionals in a digital ***,healthcare professionals lack a tool where they are in control over their *** first contribution of this paper is a proposal of a solution that leverages the private permissioned hyperledger fabric blockchain and smart contracts to provide a source of transparent trust for relationships within the healthcare ***,we pave the ground for GDPR compliance by storing only the hash values on the ***,we solve the problem of patient authentication by utilizing cryptographic ***,we prove the usability of the proposed solution by implementing a user interface and creating a live deployment.

关键词： Blockchain hyperledger fabric Health systems Distributed ledger

Privacy preserving transparent supply chain management through hyperledger fabric

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Blockchain(Research and Applications) 2022年第2期3卷 117-137页

作者： Deebthik Ravi Sashank Ramachandran Raahul Vignesh Vinod Ramesh Falmari M.Brindha Department of Electrical and Electronics Engineering National Institute of TechnologyTiruchirappalli620015Tamil NaduIndia Department of Computer Science and Engineering National Institute of TechnologyTiruchirappalli620015Tamil NaduIndia

The revolution of blockchain technology started in the form of a cryptocurrency called *** recent years,this decentralized technology has attained worldwide adoption and growth in multiple sectors,including egovernance,e-commerce,and asset *** disrupted these sectors,the choice of blockchain technology to solve real-world problems concerning supply chain seems to be an innovative *** this paper,an attempt is made to analyze blockchain's ability to improve the standards of supply chain *** paper includes a methodology to implement the suggested idea using a permissioned blockchain platform—hyperledger *** the paper's scope,the existing supply chain problems,such as data integrity,provenance transparency,privacy,and security,are given emphasis more specifically in the context of the coffee supply chain industry,while also concurrently attempting to generalize the solution to manage other supply chain activities ***,the final objective of this research is to identify whether permissioned blockchain platforms could help stakeholders in the supply chain industry engage in a less-corruptible alternative to traditional web technology and whether they could enable a more positively nuanced blockchain system that draws the best balance between traditional web technology and a public blockchain,including privacy protection and security.

关键词： Permissioned blockchain Supply chain hyperledger fabric Provenance Privacy protection Security Modularity

hyperledger fabric Blockchain: Secure and Efficient Solution for Electronic Health Records

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Computers, Materials & Continua 2021年第8期68卷 2377-2397页

作者： Mueen Uddin M.S.Memon Irfana Memon Imtiaz Ali Jamshed Memon Maha Abdelhaq Raed Alsaqour Faculty of Science Universiti Brunei DarusslamGadongBE1410Negara Brunei Darussalam CSE Department QUESTNawabshahPakistan School of Computing and Mathematics Ulster UniversityJordanstown CampusNewtownabbeyBT370QBUK Department of Information Technology College of Computer and Information SciencesPrincess Nourah bint Abdulrahman UniversityRiyadh84428Saudi Arabia Department of Information Technology College of Computing and InformaticsSaudi Electronic UniversityRiyadh93499Saudi Arabia

Background:Electronic Health Record(EHR)systems are used as an efficient and effective technique for sharing patient’s health records among different hospitals and various other key stakeholders of the healthcare industry to achieve better diagnosis and treatment of patients ***,the existing EHR systems mostly lack in providing appropriate security,entrusted access control and handling privacy and secrecy issues and challenges in current hospital ***:To solve this delicate problem,we propose a Blockchain-enabled hyperledger fabric Architecture for different EHR ***:In our EHR blockchain system,Peer nodes from various organizations(stakeholders)create a ledger network,where channels are created to enable secure and private communication between different stakeholders on the ledger *** patients and other stakeholders are identified and registered on the network by unique digital certificates issued by membership service provider(MSP)component of the fabric ***:We created and implemented different Chaincodes to handle the business logic for executing separate EHR transactions on the *** proposed fabric architecture provides a secure,transparent and immutable mechanism to store,share and exchange EHRs in a peer-to-peer network of different healthcare *** ensures interoperability,scalability and availability in adapting the existing EHRs for strengthening and providing an effective and secure method to integrate and manage patient records among medical institutions in the healthcare ecosystem.

关键词： Electronic health records blockchain hyperledger fabric patient data privacy private permissioned blockchain healthcare ecosystem

hyperledger fabric中广播加密算法的设计与实现

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Hyperledger Fabric中广播加密算法的设计与实现

作者：黄宗敏北京交通大学

学位级别：硕士

区块链技术具有分布式数据存储、共识机制确认等特性,从而使其在金融、医疗和公益等领域得到了广泛关注与应用,已经逐渐成为一种全新的去中心化基础架构和分布式计算范式。但是,区块链在确保账本数据透明性和共享性的同时,也对用户的数... 详细信息

区块链技术具有分布式数据存储、共识机制确认等特性,从而使其在金融、医疗和公益等领域得到了广泛关注与应用,已经逐渐成为一种全新的去中心化基础架构和分布式计算范式。但是,区块链在确保账本数据透明性和共享性的同时,也对用户的数据隐私安全带来极大挑战,此外用户数据隐私的过度保护也会带来一定的监管困难问题。论文针对当前hyperledger fabric联盟链中的数据隐私保护和交易监管需求,基于广播加密算法设计了交易群播模式下具有监管功能的数据隐私保护方案。根据不同的广播应用场景,设计了成员动态更新和基于身份匿名的两种广播加密方案。同时,在上述两种方案中引入监管方,通过构造非交互式零知识证明进一步提出广播内容监管可验证方案,从而在联盟链中实现了可监管的细粒度数据隐私保护方案。论文的主要研究工作如下:(1)针对广播用户集合动态更新的应用场景,提出一种成员动态更新的广播加密方案。方案结合了hyperledger fabric联盟链通道机制中成员管理的PKI(Public Key Infrastructure)体系的层级结构,改进了“子集-覆盖”框架的完备子树方法,使得用户集合中的成员可动态加入与退出系统。在标准模型下,基于DBDH(Decisional Bilinear Diffie-Hellman)困难问题对方案的语义安全性进行了证明。(2)针对广播授权用户完全匿名的应用场景,提出一种基于身份匿名的广播加密方案。方案使用拉格朗日插值多项式实现对广播接收者的身份信息的隐藏,使得任一用户只能检验自身是否为授权用户,而无法从广播密文中分析出其他授权用户的身份信息。在随机预言机模型下,基于DBDH困难问题对方案的语义安全性和匿名安全性进行了证明。(3)为了实现对广播内容的监管,在上述两种方案中引入监管方,进一步提出广播内容监管可验证方案。广播者在生成发送给授权用户的广播密文的同时,还需要生成发送给监管方的监管密文,用于内容监管。此外,为了防止广播者逃避监管而故意加密错误信息,广播者还需要构造非交互式零知识证明,以表明其在监管密文生成过程中没有进行欺骗行为。在标准模型下,基于DLIN(Decision Linear)困难问题对方案的语义安全性进行了证明,构造的整体方案满足监管可靠性。最后,在hyperledger fabric平台中对上述方案进行了实现。分析测试表明,论文设计的整体方案具有高效、安全、细粒度和可监管特性。同时,根据广播应用场景的不同,成员动态更新的广播加密方案具有用户集合动态更新性质;匿名基于身份的广播加密方案具有授权用户完全匿名性质。

关键词：联盟链 hyperledger fabric 广播加密数据隐私保护零知识证明

hyperledger fabric国密算法应用研究与实现

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Hyperledger Fabric国密算法应用研究与实现

作者：冯宇豪西安电子科技大学

学位级别：硕士

区块链技术自诞生之日起就成为业界关注的焦点,随着区块链应用的不断普及,其安全问题也越来越受到重视。hyperledger fabric是目前最流行的联盟链框架,可以帮助企业快速开发分布式账本应用。在fabric中,基础密码服务组件为平台提供密码... 详细信息

区块链技术自诞生之日起就成为业界关注的焦点,随着区块链应用的不断普及,其安全问题也越来越受到重视。hyperledger fabric是目前最流行的联盟链框架,可以帮助企业快速开发分布式账本应用。在fabric中,基础密码服务组件为平台提供密码算法支持,CA组件管理用户证书并提供区块链准入机制,传输安全组件保障点对点通信的私密性和数据安全性,这三个组件均是fabric平台安全体系的重要组成部分。一直以来,fabric在我国的推广和发展受制于两方面。其一,平台使用基于国际标准密码算法的安全组件和通信组件,这在基础算法和实现方案上存在着一定的安全风险。其二,在使用硬件安全模块时,平台缺乏对国密硬件接口的支持,这不符合区块链安全组件自主可控原则,不利于区块链平台在生产应用中的推广。本文基于hyperledger fabric平台,对其安全体系下的三个组件进行了研究与设计,实现了基于软件国密算法和硬件加密模块的高安全区块链平台。本文的主要工作如下:第一,设计了基于国密算法的密码组件改进方案,完善了密码服务模块的结构。根据算法实现类型可以将密码组件的实现分为软实现与硬实现。一方面,对于软实现,首先,拓展Go标准库使其支持国密算法;其次,对fabric平台密码服务模块进行拓展,使其兼容国密算法库。另一方面,对于硬件实现,首先,完成国密硬件接口的设计,其次,完成接口与密码服务模块的集成,为平台提供基于硬件安全模块的国密算法服务。第二,设计了支持国密算法的CA组件,为区块链平台提供国密证书管理能力。首先,在支持原有国际标准证书的基础上,拓展了密钥选项与证书格式,加入对国密算法的支持。其次,改进了CA服务端的证书生成与验证算法,使其支持国密证书的颁发、验证与解析。第三,设计符合国密标准的传输安全组件,使点对点通信在国密标准下进行。首先,对TLS协议中通信双方握手过程进行拓展,加入国密双证书支持。其次,向gRPC模块新增国密TLS配置,使节点间信息交换能够支持国密TLS证书。第四,基于上述设计方案,分别对三个安全组件进行实现,并对国密拓展后的fabric平台进行部署测试。测试结果表明,国密改造后的区块链平台不仅在通信、交易与身份管理等方面符合国家区块链发展要求,同时还提升了密钥存储与密码计算的安全性,有利于fabric在我国的推广。

关键词：区块链 hyperledger fabric 国密 SM2 SM3 SDF

hyperledger fabric并发冲突优化研究

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Hyperledger Fabric并发冲突优化研究

作者：王盛姣中国科学技术大学

学位级别：硕士

区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等优点,因此得到了广泛地应用。hyperledger fabric(fabric)是一个代表性的联盟区块链平台,采用高度模块化架构,兼具公有链去中心化和私有链性能优异的特点,适用于开发商业环境下的企业级应用... 详细信息

区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等优点,因此得到了广泛地应用。hyperledger fabric(fabric)是一个代表性的联盟区块链平台,采用高度模块化架构,兼具公有链去中心化和私有链性能优异的特点,适用于开发商业环境下的企业级应用。fabric交易处理流程(执行、排序、验证三个阶段)无需高计算量的工作量证明机制以达成共识,且执行阶段中交易能以并发方式执行,因此fabric在性能上优于比特币这类公有链平台。然而,相较于传统的分布式系统,fabric的性能仍存在较大的差距。尤其在交易出现并发冲突的情况下,fabric的性能将大幅度下降,该不足严重阻碍了 fabric在实际场景中的应用。因此,本文对fabric交易并发性的优化问题展开了一系列研究工作,提出了冲突检测和交易合并两种优化方法,来提升fabric性能。本文主要研究内容如下:1.本文针对fabric在验证阶段识别冲突交易导致系统效率过低的问题,详细分析了产生并发冲突的原因,提出了基于缓存机制的冲突检测方法。通过在背书节点维护一个未验证交易缓存,执行阶段可以提前进行交易冲突检测,并中止识别出的冲突交易,以避免冲突交易占用系统资源,使得有效交易能更快地被节点处理。实验结果表明,该方法能较好地提高fabric系统并发性能。2.本文针对资产转移场景下语义合法的冲突交易,分析了交易语义和状态更新过程,提出了基于合并机制的冲突优化方法。该方法以最大化合并交易数量为优化目标,通过预处理区块内只读交易和必然无效交易,减少区块内潜在冲突交易数量;通过合并交易算法获得最优合并交易子集的近似解,避免合法交易因并发冲突被标记为无效。实验结果证明,该方法在具有并发冲突的场景下,能显著提升fabric系统的吞吐量和交易成功率。

关键词： hyperledger fabric 区块链性能优化并发冲突

hyperledger fabric区块链交易性能优化研究

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Hyperledger Fabric区块链交易性能优化研究

作者：刘润德福建师范大学

学位级别：硕士

随着区块链技术的不断发展,hyperledger fabric(简称HLF)作为吞吐量性能最高的区块链系统之一,其在金融领域的发展被寄予厚望。但是,与现有的金融交易系统相比,HLF区块链系统的交易事务处理性能还是有很大的差距。特别是在处理并行化交... 详细信息

随着区块链技术的不断发展,hyperledger fabric(简称HLF)作为吞吐量性能最高的区块链系统之一,其在金融领域的发展被寄予厚望。但是,与现有的金融交易系统相比,HLF区块链系统的交易事务处理性能还是有很大的差距。特别是在处理并行化交易事务时,HLF区块链系统由于其不完善的事务隔离机制会产生大量的并发性问题,如“读-写”并发冲突问题、“写-写”并发冲突问题、序列化冲突问题等,这些并发性问题会严重影响系统的交易性能。为此,本文针对不同的并发性问题,设计了不同的事务隔离优化方案,用以提高系统的交易性能。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)针对HLF区块链系统交易并发控制机制存在的问题——极易产生“读-写”和“写-写”并发冲突问题,本文提出了一种基于多版本并发控制(Multi-Version Concurrency Control,MVCC)检查的无锁方案,并结合了一种基于冲突图的重排序算法。该方案利用MVCC多版本控制的思想,通过交易事务的版本号控制,将冲突事务在提交前就中止或移除交易队列。该方案有效地控制了并发冲突问题,提升了系统的事务并行处理能力。(2)针对HLF区块链系统排序机制存在的问题——极易产生序列化冲突问题,本文提出了一种基于对应比较图的图排序优化方案。利用对应比较图具有相关不变性质的图合并过程以及其算法运行时间短的特点,设计了一种基于交易重要度的拓扑排序算法。该方案有效缓解了系统的序列化冲突问题,减少了系统中无效事务的比例,提升了系统交易性能,节省了大量的计算与存储资源。(3)针对HLF区块链系统锁定机制的效率问题,提出了一种基于非常轻量级锁(Very Lightweight Locking,VLL)的事务隔离方案。利用VLL的事务抽象的思想,优化了传统锁的加解锁冲突事务跟踪思路,使系统不需要真正地对数据对象进行加解锁操作。该方案大大简化了事务隔离流程,且优化后的锁定方案开销极小,大大提升了系统地吞吐量性能。

关键词：联盟链 hyperledger fabric 事务隔离并发控制性能优化

hyperledger fabric性能优化方案研究与开发

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Hyperledger Fabric性能优化方案研究与开发

作者：石修泽西安电子科技大学

学位级别：硕士

区块链是当今密码学应用研究的重要领域,作为许可区块链的代表,hyperledger fabric如今已在金融领域有着许多成功的商业应用。然而,性能问题始终是限制hyperledger fabric进一步扩大应用场景的枷锁。尤其是在由大规模Peer节点构成的复... 详细信息

区块链是当今密码学应用研究的重要领域,作为许可区块链的代表,hyperledger fabric如今已在金融领域有着许多成功的商业应用。然而,性能问题始终是限制hyperledger fabric进一步扩大应用场景的枷锁。尤其是在由大规模Peer节点构成的复杂网络环境下的并发交易场景,大量由客户端发起的交易提案因交易模拟结果不一致或多版本并发控制验证失败等原因被hyperledger fabric判定为无效交易,导致有效交易在峰值交易吞吐量中的占比极低,有效交易吞吐量大幅下降。本文针对hyperledger fabric在复杂网络环境下的并发交易性能差,无效交易占比高,有效交易吞吐量低的问题,利用hyperledger fabric模块化、可插拔的特性,提出、设计并实现了两种改进方案。上述方案通过降低因并发冲突而产生的无效交易的数量,提高有效交易在峰值吞吐量中的占比,进而达到提高并发交易场景中有效交易吞吐量的目的。其中方案一针对hyperledger fabric在复杂网络下的区块分发延迟问题,为fabric设计了新的区块广播模块,使得区块分发延迟显著下降,有效降低了在背书阶段发生的无效交易的数量;方案二彻底解决了hyperledger Fabirc在并发场景下由交易间的“读-写”冲突造成的无效交易问题,显著提升了fabric在并发场景下的有效交易吞吐量。本文的主要工作如下:1.针对hyperledger fabric在大规模Peer节点环境下因区块广播延迟造成的无效交易问题,本文提出了基于对称局部视图的区块广播方案。该方案引入对称局部视图,显著提高了区块在大规模Peer节点场景下的分发效率,使区块分发延迟降低了约30倍,大大降低了在交易背书阶段由于交易模拟结果不一致导致的无效交易的数量。除此之外,通过动态调整策略进一步保证了对称局部视图的连通性和fabric账本的最终一致性。在高达90%的网络节点故障的情况下,该方案依然可以保证将全部区块分发给所有剩余的存活节点。2.针对hyperledger fabric在并发场景下由多版本并发控制验证冲突造成的有效交易吞吐量大幅下降的问题,本文提出了基于依赖分析的冲突交易提交方案。此方案使用基于并查集的依赖分析器,根据区块内交易的依赖关系,将冲突交易划分至同一子集,随后再通过交易合并器将不同子集内的交易并行化的进行合并和提交。除此之外,该方案还支持在合并前对交易结果进行有效性验证,有效阻止了“双花问题”的发生。上述方案彻底杜绝了hyperledger fabric在区块验证阶段由多版本并发控制验证冲突所产生的无效交易问题。同时,通过引入采用并行化设计的交易合并模块,进一步降低了交易过程的处理时间。3.设计、实现上述两种方案,并对其进行了详细的测试。测试结果表明,上述方案显著提高了hyperledger fabric在复杂网络环境下并发交易的性能。在相同峰值交易吞吐量的情况下,将有效交易占比提高了30倍,处理延迟降低了约24%,有效交易吞吐量提升了约41倍。

关键词：区块链 hyperledger fabric Gossip 并发性能 MVCC

hyperledger fabric分片优化研究

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Hyperledger Fabric分片优化研究

作者：董建亮中国科学技术大学

学位级别：硕士

区块链技术因为具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点,在近几年得到了广泛的应用。hyperledger fabric是应用广泛的开源联盟链项目,采用乐观并发控制策略设计了“执行-排序-验证”的交易模型,比常规联盟链拥有更高的交易并发度和性能... 详细信息

区块链技术因为具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点,在近几年得到了广泛的应用。hyperledger fabric是应用广泛的开源联盟链项目,采用乐观并发控制策略设计了“执行-排序-验证”的交易模型,比常规联盟链拥有更高的交易并发度和性能。但是目前fabric的性能与经典的交易处理平台仍旧存在极大的差距。因为节点在排序和验证阶段冗余工作的原因,fabric无法通过增加节点资源的方式有效提升吞吐量,这限制了 fabric在现实中的应用。分片技术通过划分多个处理集群并行处理fabric交易的方式改善fabric的水平可伸缩性,提升fabric的性能。但是现有fabric分片方法存在智能合约热点访问问题和交易冲突问题,这些问题限制了分片技术改善fabric性能的效果。因此本文对fabric分片的上述问题进行优化研究,提出细粒度键值状态分片方法解决智能合约热点访问问题,提出基于历史冲突频率缓存交易的冲突检测方法解决分片Fabirc下的并发交易冲突问题。本文的主要内容如下:1.本文针对fabric分片的智能合约热点访问问题,分析现有分片方案的缺陷,提出了一种基于fabric的细粒度键值状态分片方法。该方法将智能合约的键值状态通过分片技术划分到不同分片上,通过新增跨片排序节点对跨片交易排序来构建DAG全局账本结构,实现键值状态分片下的数据一致性;借鉴两阶段提交来设计高效的跨片交易验证机制保证跨片交易的原子性;设计启发式的交易提案路由表来降低跨片交易在模拟执行阶段的开销,避免跨片概率过高影响分片性能。实验结果表明这种分片方法有效地解决了热点访问问题和跨分片交易占比过高导致的性能退化问题。2.针对分片fabric交易发生冲突被无效化进而浪费系统资源的问题,本文分析fabric并发交易冲突的原因和全缓存机制检测交易冲突在分片fabric中的缺陷,提出一种基于冲突频率选择性缓存机制的分片fabric交易冲突检测处理方法。该方法通过构建历史冲突表筛选高冲突频率的键值数据,对涉及这些键值数据的未验证交易进行缓存,使用缓存检测冲突。最后通过性能测试实验证明,本方法能够在对分片fabric性能损失较小的情况下有效缓解交易冲突问题。

关键词： hyperledger fabric 区块链性能优化分片并发冲突