[论文解读] Performance and Cost Evaluation of Smart Contracts in Collaborative Health Care Environments

Roben Castagna Lunardi, Henry Cabral Nunes+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出TokenHealth，一种基于区块链的系统，利用以太坊智能合约通过游戏化和代币奖励激励协作式医疗参与。该系统在Ropsten测试网和私有以太坊实例上评估了性能与成本，结果显示完整疫苗接种周期的执行时间低于一分钟，且私有部署的成本显著低于公共以太坊网络。

ABSTRACT

Blockchain emerged as a solution for data integrity, non-repudiation, and availability in different applications. Data sensitive scenarios, such as Health Care, can also benefit from these blockchain properties. Consequently, different research proposed the adoption of blockchain in Health Care applications. However, few are discussed about incentive methods to attract new users, as well as to motivate the system or application usage by existing end-users. Also, little is discussed about performance during code execution in blockchains. In order to tackle these issues, this work presents the preliminary evaluation of TokenHealth, an application for collaborative health practice monitoring with gamification and token-based incentives. The proposed solution is implemented through smart contracts using Solidity in the Ethereum blockchain. We evaluated the performance of both in Ropsten test network and in a Private instance. The preliminary results show that the execution of smart contracts takes less than a minute for a full cycle of different smart contracts. Also, we present a discussion about costs for using a Private instance and the public Ethereum main network.

研究动机与目标

• 通过引入基于代币的激励机制和游戏化，解决协作式医疗保健系统中用户参与度低的问题。
• 评估智能合约在以太坊上真实医疗监测场景中的性能表现。
• 比较公共以太坊主网与私有以太坊实例在医疗保健应用中的财务成本差异。
• 评估使用区块链实现安全、不可篡改且具备激励机制的医疗活动追踪的可行性。

提出的方法

• 该系统TokenHealth使用Solidity智能合约在以太坊区块链上实现。
• 性能评估在Ropsten测试网络和托管于Google Cloud的私有以太坊实例上进行，配置为2个vCPU、8GB内存和80GB存储。
• 模拟了包含Checkin、Vaccination Confirmation和Checkout三个智能合约的完整疫苗接种周期。
• 执行时间经过10次运行测量，性能分析采用中位数结果。
• 成本分析比较了公共以太坊主网（基于Gas费用）与私有实例（固定基础设施成本），使用2019年9月26日的以太币汇率。
• 系统利用区块链的不可篡改性、不可否认性和去中心化执行等特性，确保数据完整性和信任。

实验结果

研究问题

• RQ1 在医疗保健场景下，公共测试网络与私有以太坊实例中的智能合约执行时间有何差异？
• RQ2 在公共以太坊与私有以太坊部署中，医疗监测应用的智能合约部署与执行成本分别是多少？
• RQ3 游戏化与代币激励是否能有效促进协作式医疗保健系统中的用户参与度与持续使用？
• RQ4 网络负载或网络不稳定（如分叉解决）如何影响公共测试网络中智能合约的性能？

主要发现

• 在私有以太坊实例上，包含三个智能合约的完整疫苗接种周期执行时间为44,273.5毫秒（44.3秒）。
• 在Ropsten测试网络上，同一周期耗时69,899.5毫秒（69.9秒），相比私有实例性能下降57.8%。
• 在私有实例上添加新成员的智能合约耗时8,906毫秒，而在Ropsten上耗时69,533.5毫秒，性能差异达680%。
• 私有实例在性能相近的情况下成本显著更低，1,000次完整疫苗接种周期在公共以太坊上成本为123.75美元，被认为不足以支持可扩展的医疗应用。
• Ropsten上的性能与主网相近，表明Ropsten可作为性能评估的有效代理。
• 研究结论认为，私有以太坊实例在高吞吐量医疗保健应用中具有更高的成本效益，而公共以太坊则面临每笔交易的高额可变成本。