[论文解读] BlockColdChain: Vaccine Cold Chain Blockchain

Ronan D. Mendonça, Otávio Santos Gomes+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

IoT-based Smart Home Systems被引用 6

一句话总结

本文提出 BlockColdChain，一种基于区块链的系统，利用物联网温度传感器和私有以太坊网络上的智能合约，为疫苗冷链全程创建不可篡改、透明且可审计的温度历史记录。该系统确保了数据完整性和可追溯性，实验结果表明，平均交易验证时间为11秒，数据检索时间为0.05秒，证实了其在实时疫苗监控中的可行性。

ABSTRACT

In this paper, we propose a blockchain-based cold chain technology for vaccine cooling track. The COVID-19 pandemic has caused the death of millions of people. An important step towards ending the pandemic is vaccination. Vaccines must be kept under control temperature during the whole process, from fabrication to the hands of the health professionals who will immunize the population. However, there are numerous reports of vaccine loss due to temperature variations, and, currently, people getting vaccinated have no control if their vaccine was kept safe. Blockchain is a technology solution that can provide public and verifiable records. We review the World Health Organization (WHO) cool chain and Blockchain technology. Moreover, we describe current IoT temperature monitoring devices and propose Blockcoldchain to track vaccine cold chain using blockchain, thus proving an unalterable vaccine temperature history. Our experimental results using smart contracts demonstrate the system's feasibility.

研究动机与目标

• 解决因储存和运输过程中温度异常导致疫苗失效的关键问题。
• 为患者、医疗提供者和监管机构提供疫苗冷链数据的端到端透明性与可验证性。
• 利用区块链技术创建不可篡改、去中心化的疫苗温度历史记录，防止数据被篡改。
• 通过智能合约将物联网传感器与区块链集成，实现实时监控和自动数据记录。
• 通过在私有以太坊网络上实现系统，验证其性能与可行性。

提出的方法

• 系统使用物联网温度与湿度传感器，在疫苗供应链的每个阶段收集实时数据。
• 传感器数据通过安全通信模块传输至区块链网络，确保端到端可追溯性。
• 在私有以太坊区块链上，智能合约负责管理数据访问，实施访问控制策略，并仅存储数据的加密哈希值以确保不可篡改性。
• 系统架构包括后端应用程序用于数据提交，以及移动端应用程序用于终端用户追踪疫苗状态和温度历史。
• 共识机制经过优化，具备低延迟和高可靠性，性能在真实负载条件下进行评估。
• 通过仅在区块链上存储数据哈希值来确保数据完整性，而完整数据则保留在安全的链下数据库中，以实现高效检索。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链技术能否为整个冷链提供可验证、不可篡改且透明的疫苗温度历史记录？
• RQ2 将物联网传感器与基于区块链的智能合约集成，如何提升疫苗分发过程中的数据完整性和问责性？
• RQ3 在疫苗冷链背景下，基于区块链的数据提交与检索存在多大的性能开销？
• RQ4 该系统能否支持实时监控，并在时间敏感的疫苗处理中实现可接受的延迟？
• RQ5 该系统如何防止数据伪造，并确保疫苗供应链中各利益相关方之间的信任？

主要发现

• 在区块链上验证数据提交交易的平均时间为11秒，最长时间为71秒，证实其在现实部署中具备可接受的延迟。
• 数据检索（查看操作）平均仅需0.05秒，最长时间为0.28秒，表明读取性能高效。
• 通过智能合约的实现，系统成功证明了利用区块链实现安全、可审计且透明的疫苗冷链追踪的可行性。
• 在区块链上使用加密哈希值确保了数据不可篡改性，同时保持了高效的存储与检索性能。
• 通过允许对供应链每个阶段的温度数据进行完整审计，系统支持事后推断与故障检测。
• 通过提供公开、可验证且去中心化的疫苗处理记录，该解决方案降低了数据篡改风险，并增强了各利益相关方之间的信任。