華大基因2018區(qū)塊鏈白皮書

1、華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0前言大千世界的萬物生長和生老病死都受控于生命的遺傳基因組?；?，記錄了地球生命幾十億年的演化歷史，基因資源的多樣性是生命進(jìn)化和物種分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。億萬物種的多樣化基因信息就是最天然的、高度壓縮的，包合了時(shí)空維度的分布式數(shù)據(jù)庫，海量生命數(shù)據(jù)的相互融合、變異與傳承，共同造就了紛繁復(fù)雜的生物多樣性?？茖W(xué)家們正是通過基因測序技術(shù)將物種數(shù)字化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和價(jià)值挖掘，用硅基比特記錄和分析碳基生物滄海桑田的變遷，從而認(rèn)知人類自身與地球萬物。1999 年 9 月 9 日，華大基因伴隨著國際人類基因組計(jì)劃“中國部分”的正式啟動(dòng)而誕生。2001 年，由美、英、法、德、日和中國 6

2、個(gè)國家超過 3000 名科學(xué)家共同參與的第一個(gè)人類基因組草圖繪制完成，耗時(shí) 13 年，所用總資金超過30 億美元。十幾年來，基因測序的成本以“超摩爾定律”的速度下降。2015 年以來，華大基因?qū)崿F(xiàn)了核心測序工具的突破，相繼推出多款國產(chǎn)自主測序平臺(tái)，以 600 美元的低價(jià)引領(lǐng)個(gè)人全基因組測序進(jìn)入百元美金時(shí)代。目前全球已測序的高等動(dòng)植物中（含未公布）約 70%由華大基因和合作者共同完成。2018年 4 月，被譽(yù)為生物“登月計(jì)劃”的地球生物基因組計(jì)劃（Earth BioGenome Project，EBP）正式對(duì)外發(fā)布，華大基因也是該項(xiàng)目聯(lián)合發(fā)起單位，計(jì)劃在 10 年內(nèi)對(duì) 1000 萬至 1500

3、萬種的已知真核生物基因組進(jìn)行破譯，總經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)需要 47 億美元。通過數(shù)字化地球，全面破譯解讀億萬物種的遺傳，推動(dòng)人類在認(rèn)知、理解、利用和保護(hù)生物多樣性等方面邁上全新起點(diǎn)。2版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0隨著測序技術(shù)及多種生命數(shù)字化工具的突破，以大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 “精準(zhǔn)醫(yī)療”和“精準(zhǔn)健康”時(shí)代正在來臨。生命是一個(gè)多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，在時(shí)空中動(dòng)態(tài)演變。華大基因創(chuàng)造性地提出了以“大人群生命組學(xué)大數(shù)據(jù)（2B4D）”的方法論來認(rèn)知生命，即從 DNA 開始，遵循生命中心法則，從基因組到蛋白組到跨組學(xué)貫穿，從微觀到宏觀、從生到死的跨尺度、度、多模態(tài)、全方位、全周期的海量全景式生命大數(shù)

4、據(jù)解讀。從國家層面看，2016 年 6 月，發(fā)布關(guān) 數(shù)據(jù)共享的互操作性，最大化發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，都成為了剛性迫切的需求。 區(qū)塊鏈作為一種集合分布式存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等技術(shù)。3版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司并將數(shù)據(jù)資源資產(chǎn)化，形成生命價(jià)值可定價(jià)、可流通、可交換的全新生態(tài)體系。構(gòu)、國家基因庫、企業(yè)等）共有、共為、共享，在生命時(shí)代將個(gè)人生命數(shù)據(jù)確權(quán)民生普惠、科學(xué)探索和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，使相關(guān)主體（個(gè)人、政府、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科研機(jī)護(hù)為前提，以數(shù)據(jù)共享為目的，確保全流程可控制、可審計(jì)、可監(jiān)管，從而支撐業(yè)伙伴共同搭建基于區(qū)塊鏈及學(xué)技術(shù)的數(shù)據(jù)流通生產(chǎn)級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施，以隱私保（Hyperledger），由內(nèi)

5、外部實(shí)際場景驅(qū)動(dòng)，逐步推動(dòng)技術(shù)落地，最終目標(biāo)是與行華大基因自 2018 年起開始布局區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用并加入了超級(jí)賬本的組合式創(chuàng)新應(yīng)用，為個(gè)人數(shù)據(jù)自治和跨機(jī)構(gòu)共享交換，提供了嶄新的解決方案傳輸及計(jì)算分析等各流程都涉及到公民的隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全問題，提升跨機(jī)構(gòu)域一直面臨協(xié)同開放程度不高、權(quán)屬不明確等問題，數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)、存儲(chǔ)、強(qiáng)調(diào)發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療大數(shù)據(jù)、培育健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用新業(yè)態(tài)。然而，該領(lǐng)升到國家戰(zhàn)略層面。同年 10 月發(fā)布的“健康中國 2030”規(guī)劃綱要，也特別于促進(jìn)和規(guī)范健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展的指導(dǎo)意見，首次將健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)提華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0人類社會(huì)正由工業(yè)、信息時(shí)代加速邁向生

6、命時(shí)優(yōu)病少、健康長壽、溫飽不愁、環(huán)境友好”，是美好生活與命運(yùn)共同體的基礎(chǔ)，是人類發(fā)展的最大剛需和終極目標(biāo)。華大追求終極、挑戰(zhàn)極限，依托生命“讀寫存”高效低成本工具，聚焦生命的解讀、編寫與合成，把“基因科技造福人類”的偉大目標(biāo)轉(zhuǎn)化為從我做起的內(nèi)生動(dòng)力。萬物相形以生,眾生互惠而成?；蚴侨巳伺c生俱來的數(shù)據(jù)資源，存在即合理，人與人之間 0.1%的基因差別定義了人類的多樣性，核心正是萬物共生與協(xié)同，這與區(qū)塊鏈所倡導(dǎo)的分布式價(jià)值交換不謀而合。與工業(yè)、信息時(shí)代單純追求效率、成本的極限不同，生命時(shí)代的價(jià)值評(píng)估更加度與多樣化。為推動(dòng)區(qū)塊鏈在生命大數(shù)據(jù)行業(yè)的應(yīng)用，加速行業(yè)伙伴對(duì)其應(yīng)用理解， 區(qū)塊鏈項(xiàng)目組編寫了華

7、大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0。白皮書總結(jié)了華大對(duì)于區(qū)塊鏈的理解及相關(guān)核心技術(shù)積累，分享了區(qū)塊鏈及學(xué)在生命大數(shù)據(jù)共享。 如果說生物技術(shù)（BT）的突破實(shí)現(xiàn)了生命大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)量化，以區(qū)塊鏈等為代表的新一代的信息技術(shù)（IT）則為生命價(jià)值的定價(jià)與交換提供了必須的基礎(chǔ)設(shè)施。我們堅(jiān)信，“BT+IT”，兩者深度耦合與互相反饋，必將共同構(gòu)建生命時(shí)代全新的多方協(xié)作體系，進(jìn)而推動(dòng)人類“健康長壽”終極追求的實(shí)現(xiàn)。華大區(qū)塊鏈團(tuán)隊(duì)2018 年 5 月 27 日4版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司內(nèi)部各體系及外部合作機(jī)構(gòu)，共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展，打造基于區(qū)塊鏈的共贏生態(tài)部署、開發(fā)測試等一系列流程后，華大逐步將生產(chǎn)級(jí)的聯(lián)盟鏈 BaaS

8、 平臺(tái)開放給設(shè)施建設(shè)到最終大規(guī)模應(yīng)用，沒有捷徑可走，在經(jīng)過基礎(chǔ)研發(fā)、概念驗(yàn)證、節(jié)點(diǎn)內(nèi)容詳盡、分析透徹、落地場景扎實(shí)，具有較好的參考價(jià)值。我們認(rèn)為，從基礎(chǔ)能計(jì)算、個(gè)人健康激勵(lì)等實(shí)際應(yīng)用場景的實(shí)踐案例，并提出了相關(guān)建議。白皮書、生物智華大華大區(qū)塊鏈白皮書V1.0編委會(huì)成員策劃顧問：陳芳、單日強(qiáng)、侯勇、蔣慧、金鑫、李波、劉健、劉靚、劉娜、苗繼業(yè)、宋浩、伍利、徐軍民、張勇、張玉良、宗洋研究撰寫：楊夢(mèng)、潘光明、趙宏德、李艷、潘遠(yuǎn)航、周童、唐強(qiáng)、李華平、李航、謝青、程、曹威、吳家勝、肖鵬、田巍、李亞星視覺設(shè)計(jì)：劉斌、鄒康5版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0目錄前言2導(dǎo)論81區(qū)塊鏈

9、簡介101.1 區(qū)塊鏈興起與演變之路區(qū)塊鏈主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)11區(qū)塊鏈核心關(guān)鍵技術(shù)12區(qū)塊鏈未來發(fā)展趨勢(shì)152區(qū)塊鏈在健康醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用當(dāng)前健康醫(yī)療行業(yè)數(shù)據(jù)問題概述18精準(zhǔn)醫(yī)療 VS 隱私保護(hù)20國內(nèi)外健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)狀212.3.1 國外健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用212.2.2 國內(nèi)健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用223華大區(qū)塊鏈233.1華大區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)目標(biāo).23.1.3華大區(qū)塊鏈技術(shù)展望24華大區(qū)塊鏈用來解決什么問題26設(shè)計(jì)原則263.2華大區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)2..43.2.5共識(shí)機(jī)制27學(xué)算法30

10、基因數(shù)字 ID31碎片分布式存儲(chǔ)33安全多方計(jì)算353.3華大區(qū)塊鏈優(yōu)勢(shì)特色383.3.1 隱私保護(hù)383.3.2 安全共享386版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.03.3.3 價(jià)值交互393.4 華大區(qū)塊鏈應(yīng)用場景3...6區(qū)塊鏈+跨組學(xué)數(shù)據(jù)：個(gè)人生命數(shù)據(jù)的價(jià)值流動(dòng)39區(qū)塊鏈+注冊(cè)申報(bào)：醫(yī)療器械申報(bào)全流程管理42區(qū)塊鏈+罕見病公益：許一個(gè)沒有罕見病的未來43區(qū)塊鏈+互助保險(xiǎn)：HPV 檢測保障計(jì)劃44區(qū)塊鏈+深度學(xué)習(xí)：從技術(shù)融合到生物智能45區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈：農(nóng)產(chǎn)品智慧防偽溯源平臺(tái)464擁抱生命大數(shù)據(jù)時(shí)代47術(shù)語與縮略

11、語49參考文獻(xiàn)51咨詢與合作 ： CHAIN.GENOMICS.CN7版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0導(dǎo)論近年來，人類基因組計(jì)劃催生的高通量測序儀，結(jié)合質(zhì)譜儀、高分辨率影像系統(tǒng)等生命組學(xué)工具的日益成熟，人們不僅可以將對(duì)生命的解讀從微米、納克的尺度推進(jìn)到納米、道爾頓的分子和原子級(jí)別的微觀觀察極限，更可以遵從生命中心法則，從基因組到蛋白組到多組學(xué)貫穿，實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀、從生到死的跨尺度、度、多模態(tài)、全方位全周期的海量全景式生命大數(shù)據(jù)解讀和研究，因此以基因組學(xué)為基礎(chǔ)的個(gè)人生命跨組學(xué)大數(shù)據(jù)將迎來爆發(fā)式增長。以全基因組測序?yàn)槔?，一個(gè)人的全基因組包含 30 多億個(gè)堿基對(duì)，折算成

12、測序數(shù)據(jù)量至少需要100GB，如果考慮跨組學(xué)數(shù)據(jù)，預(yù)估未來每人每年的數(shù)據(jù)量將達(dá)到 1TB，終生數(shù)據(jù)量將超過 10TB。生命大數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，需要百萬大人群的數(shù)據(jù)積累和比較才能總結(jié)規(guī)律和得出可靠認(rèn)知，70 億人的跨組學(xué)數(shù)據(jù)將形成最龐大的數(shù)據(jù)資源。從健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)角度看，IDC 預(yù)測到 2020 年，數(shù)據(jù)量將達(dá)到 40 萬億 GB，是2010 年的 30 倍。生命大數(shù)據(jù)的發(fā)展不僅會(huì)原有醫(yī)療保健模式，更將推動(dòng)循證醫(yī)學(xué)向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)變，為政府公共衛(wèi)生決策提供支持，促進(jìn)個(gè)人精準(zhǔn)健康管理。海量生命大數(shù)據(jù)的安全共享和高效應(yīng)用是精準(zhǔn)醫(yī)療的基礎(chǔ)和生命時(shí)代的剛數(shù)據(jù)采集和處理能力的醫(yī)療或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行集中管理。這種管理方

13、式造成了兩類問題：其一，個(gè)人對(duì)于自己的數(shù)據(jù)沒有實(shí)際控制權(quán)，即便機(jī)構(gòu)有將數(shù)據(jù)用于科研或交予藥廠、保險(xiǎn)公司進(jìn)行商業(yè)變現(xiàn)等行為，數(shù)據(jù)所有者也無從知曉；其二，由于信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差異與利益格局的障礙，不同的醫(yī)療、科研單位、政府、商業(yè)機(jī)8版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0構(gòu)之間無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全交換與高效共享。不僅導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的孤立分散，也無法充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，盡管每天都有大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，但通常無法被整合形成完整的跨組學(xué)數(shù)據(jù)集合并加以分析，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的健康干預(yù)。深圳國家基因庫于 2011 年由國家發(fā)改委等四部委，并于 2016 年正式對(duì)外運(yùn)營?；驇煲劳腥A大基因研究院組建、運(yùn)營

14、，目前已初步建成“三庫兩平臺(tái)”的結(jié)構(gòu)和功能，包括生物樣本資源庫、生物信息數(shù)據(jù)庫、生物庫以及數(shù)字化平臺(tái)、基因合成與編輯平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物資源和信息的“讀寫存”，其規(guī)模、結(jié)構(gòu)、布局和內(nèi)容不僅具有世界領(lǐng)先性，更具有唯一性。國家基因庫聚全球之力，以“共有、共為、共享”的宗旨和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)基因及數(shù)據(jù)資源的共享利用，為物種多樣性提供保障，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供大數(shù)據(jù)支持，在生命時(shí)代引領(lǐng)健康人生。華大基因作為全球最大的基因組學(xué)研發(fā)機(jī)構(gòu)，肩負(fù)著促進(jìn)生命數(shù)據(jù)價(jià)值流動(dòng)的責(zé)任，華大基因重視個(gè)人數(shù)據(jù)的安全共享與隱私保護(hù)，前瞻性地將新興的區(qū)塊鏈及現(xiàn)代學(xué)等技術(shù)架構(gòu)應(yīng)用于生命大數(shù)據(jù)的流通中。從技術(shù)角度來講，區(qū)塊鏈可以保障數(shù)據(jù)信息不可被任

15、何中心化平臺(tái)非法使用、篡改和刪除，使得數(shù)據(jù)交互方可以不依賴第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行價(jià)值傳遞，并保證交易記錄公開透明、不可篡改，極大地降低信任成本，提高交易效率，形成高效的多方利益分配體系，并為數(shù)據(jù)共享進(jìn)行安全、透明的追溯審計(jì)。而以安全多方計(jì)算為代表的現(xiàn)代學(xué)技術(shù)可確保在保護(hù)數(shù)據(jù)所有者利益和隱私的前提下，實(shí)現(xiàn)多方數(shù)據(jù)可信交換和協(xié)同計(jì)算，聯(lián)合挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。華大區(qū)塊鏈的目標(biāo)是搭建 2B4D 數(shù)據(jù)的共享開放及價(jià)值實(shí)現(xiàn)的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施，支撐科學(xué)探索和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，最終形成一個(gè)信任、高效、安全、多方協(xié)作的大數(shù)據(jù)應(yīng)用生態(tài)體系。9版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.01 區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈?zhǔn)抢脡K鏈?zhǔn)綌?shù)

16、據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用學(xué)的技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問控制的安全 、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。目前，區(qū)塊鏈被很多大型機(jī)構(gòu)稱為徹底改變業(yè)務(wù)乃至機(jī)構(gòu)運(yùn)作模式的重大突破性技術(shù)。在金融、物聯(lián)網(wǎng)、公益慈善、醫(yī)療健康、供應(yīng)鏈 等領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)機(jī)構(gòu)開始探索區(qū)塊鏈在行業(yè)中的應(yīng)用前景，規(guī)劃基于 區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)流通路線圖。1.1 區(qū)塊鏈興起與演變之路區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰（Satoshi Nakamoto）的學(xué)者在 2008 年發(fā)表的奠基性論文比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)。文章提出，希望可以創(chuàng)建

17、一套“基于學(xué)原理而非基于信用“的電子支付系統(tǒng)，任何人可以在不知道對(duì)方背景信息的情況下進(jìn)行交易，且不需要第三方的介入。這篇文章催生了比特幣，標(biāo)志著人類社會(huì)的貨幣體系的全新實(shí)驗(yàn)。眾所周知，比特幣在沒有任何中心化機(jī)構(gòu)運(yùn)營和管理的情況下，多年來運(yùn)行非常穩(wěn)定。其原因就在于比特幣的發(fā)行方式都是由程序和加密算法預(yù)先設(shè)定后，在全世界的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，沒有任何人和機(jī)構(gòu)可以篡改，不受任何單一用戶控制。后來，人們把這種基于學(xué)與分布式存儲(chǔ)的底層技術(shù)抽象提取出來，稱之為區(qū)塊鏈技術(shù)。10版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.02013 年，19 歲的 Vitalik Buterin 發(fā)布了題為“以太坊

18、白皮書：下一代智能合約與去中心化應(yīng)用平臺(tái)”的白皮書，提出基于通用的編程語言來創(chuàng)建各種各樣的分布式應(yīng)用，被稱為“世界計(jì)算機(jī)”。2015 年，Linux發(fā)起 Hyperledger（“超級(jí)賬本”）開源項(xiàng)目，眾多金融機(jī)構(gòu)及 IBM、英特爾等巨頭加入合作。2016 年起，區(qū)塊鏈技術(shù)開始從加密數(shù)字貨幣向更多應(yīng)用場景擴(kuò)展，引發(fā)了全球區(qū)塊鏈應(yīng)用浪潮 劃，2017 年工信部發(fā)布中國首個(gè)區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)區(qū)塊鏈參考架構(gòu)。區(qū)塊鏈根據(jù)應(yīng)用場景和設(shè)計(jì)不同，主要分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈： 公有鏈：以比特幣、以太坊和所有數(shù)字貨幣為代表，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自（1） 由進(jìn)入或廿出區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)； 聯(lián)盟鏈：各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常代表實(shí)體組織機(jī)構(gòu)或個(gè)人，

19、通常需要經(jīng)過授權(quán)（2） 后加入或廿出網(wǎng)路。由于各機(jī)構(gòu)間通常存在相關(guān)利益，因此需要各方 共同參與和維護(hù)； 私有鏈：各個(gè)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入和廿出權(quán)限均由內(nèi)部控制，通常是在特定機(jī)（3） 構(gòu)內(nèi)用于內(nèi)部數(shù)據(jù)管理與審計(jì)。1.2區(qū)塊鏈主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)主要包含以下四個(gè)特點(diǎn)：11版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司。2016 年底，區(qū)塊鏈技術(shù)首次被列入 “十三五”國家信息化規(guī)華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0（1）去中心化：無需第三方介入，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易、協(xié)調(diào)和協(xié)作。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，沒有任何一個(gè)機(jī)構(gòu)或個(gè)人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的控制，而任一節(jié)點(diǎn)停止工作都不會(huì)影響系統(tǒng)整體運(yùn)作，這種去中心化的網(wǎng)絡(luò)將極大地提升數(shù)據(jù)安全性。

20、不可篡改性：區(qū)塊鏈利用加密技術(shù)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式共（2）識(shí)算法來新增和更新數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈需要各節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證交易和出塊； 修改任一數(shù)據(jù)需要變更所有后續(xù)記錄，修改單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)難度極大。（3）公開透明與可溯源性：寫入的區(qū)塊內(nèi)容將備份復(fù)制到各節(jié)點(diǎn)中，各節(jié)點(diǎn)都擁有最新的完整數(shù)據(jù)庫拷貝且所有的記錄信息都是公開的，任何人通過公開的接口都可查詢區(qū)塊數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈中的每一筆交易通過鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)固化到區(qū)塊數(shù)據(jù)中，同時(shí)通過學(xué)算法對(duì)所有區(qū)塊的所有交易記錄進(jìn)行疊加式 HASH 摘要處理，因此可追溯到任何一筆交易歷史。（4）集體維護(hù)性：區(qū)塊鏈去中心化的特征決定了它的集體維護(hù)性。傳統(tǒng)中心化機(jī)構(gòu)通常要身兼三職：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)者、數(shù)

21、據(jù)管理者和數(shù)據(jù)分析者，區(qū)塊鏈則以對(duì)等的方式由各參與方共同維護(hù)，各方權(quán)責(zé)明確，無需向第三方機(jī)構(gòu)讓渡權(quán)利，實(shí)現(xiàn)共同協(xié)作。1.3 區(qū)塊鏈核心關(guān)鍵技術(shù)從技術(shù)角度來講，區(qū)塊鏈并不是一個(gè)全新的技術(shù)，而是集成了多種現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的組合式創(chuàng)新，涉及到以下幾個(gè)方面：12版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0（1）共識(shí)機(jī)制： 等（圖 1-3-1）。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中沒有一個(gè)中心，因此需要有一個(gè)預(yù) 設(shè)的規(guī)則來指導(dǎo)各方節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理上達(dá)成一致，所有的數(shù)據(jù)交互都 要按照嚴(yán)格的規(guī)則和共識(shí)進(jìn)行；圖 1-3-1（2）學(xué)技術(shù)：學(xué)技術(shù)是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一，目前的區(qū)塊鏈應(yīng)用中采用了很多現(xiàn)代學(xué)的經(jīng)典算法，主要包括

22、：哈希算法、對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、數(shù)字簽名等。 HASH 摘要算法：HASH 算法的目的是針對(duì)不同輸入，產(chǎn)生一個(gè)唯一的固定長度的輸出。HASH 算法有 3 個(gè)特點(diǎn)：一是不同的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)必定不同；二是輸入數(shù)據(jù)的微小變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出的較大不同；三是給定已知輸出數(shù)據(jù)，無法還原出原始的輸入數(shù)據(jù)。常用的 SHA-256 算法就是針對(duì)任意長的數(shù)據(jù)數(shù)列輸出 256 位數(shù)據(jù)，實(shí)際使用中 SHA256 用于對(duì)區(qū)塊鏈的每個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行 HASH 摘要后防止篡13版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司常用的共識(shí)機(jī)制主要有 PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0改, 同時(shí)結(jié)合

23、Merkle Tree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)部分區(qū)塊數(shù)據(jù)的 HASH 值驗(yàn)證。 理，然后將加密后的密文發(fā)開給接收者，接收者利用同一密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行，才能使其恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)。在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和，這就要求方事先必須知道加密密鑰。區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的對(duì)稱加密算法有 AES。 非對(duì)稱加密算法：非對(duì)稱加密算法需要兩個(gè)密鑰：公開密鑰Key）和私有密鑰（Private Key）。公開密鑰與私有密鑰是一對(duì)，如果用公開密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有用對(duì)應(yīng)的私有密鑰才能；如果用私有密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有用對(duì)應(yīng)的公開密鑰才能。其實(shí)現(xiàn)信息交換的基本過程

24、是：甲方生成一對(duì)密鑰并將其中的一把作為公用密鑰向其它方公開；得到該公用密鑰的乙方使用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密后再發(fā)開給甲方；甲方再用自己保存的另一把專用密鑰對(duì)加密后的信息進(jìn)行。 數(shù)字簽名算法： 區(qū)塊鏈技術(shù)中使用到的數(shù)字簽名技術(shù)用于驗(yàn)證息的完整性和真實(shí)性，基本流程如下：發(fā)開者將需要簽名的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行 HASH 摘要，然后對(duì)摘要信息用私鑰加密后與原始數(shù)據(jù)一起傳開給接收者。接收者只有用發(fā)開者的公鑰才能被加密的摘要信息，然后用同樣 HASH 函數(shù)對(duì)收到的原文產(chǎn)生一個(gè)摘要信息，如果與14版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0的摘要信息對(duì)比相同則說明收到的信息是完整的，在傳輸過程中沒有被

25、修改，否則說明信息被修改過，因此數(shù)字簽名能夠驗(yàn)證信息的完整性。此外，信息發(fā)開者擁有私鑰且不公開，因此只有發(fā)開者本人才能構(gòu)造基于其私鑰的簽名信息，可以確保簽名真實(shí)性。ECDSA 是區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的數(shù)字簽名技術(shù)。（3）分布式存儲(chǔ)：區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的分布賬本，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都將獨(dú)立完整地存儲(chǔ)寫入?yún)^(qū)塊數(shù)據(jù)信息。分布式存儲(chǔ)區(qū)別于傳統(tǒng)中心化存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一、每個(gè)節(jié)點(diǎn)上備份數(shù)據(jù)信息，避免了由于單點(diǎn)故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。二、 每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)都獨(dú)立存儲(chǔ)，有效規(guī)避了惡意篡改歷史數(shù)據(jù)。（4）智能合約：智能合約允許在沒有第三方的情況下進(jìn)行可信交易，只要一方達(dá)成了協(xié)議預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，合約將會(huì)自

26、動(dòng)執(zhí)行交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。具有透明可信、自動(dòng)執(zhí)行、強(qiáng)制履約的優(yōu)點(diǎn)。1.4 區(qū)塊鏈未來發(fā)展趨勢(shì)面對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，全球各行各業(yè)都在進(jìn)行積極布局，試圖通過這一“組合式創(chuàng)新”技術(shù)改變?cè)械臉I(yè)務(wù)與管理模式，構(gòu)建一個(gè)多方參與安全信任的新型生態(tài)體系。區(qū)塊鏈的未來發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：15版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司、華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0（1）產(chǎn)業(yè)滲透：雖然區(qū)塊鏈的底層架構(gòu)源于比特幣，但作為一種通用技術(shù)，區(qū)塊鏈正加速從數(shù)字貨幣向其他領(lǐng)域滲透，和各行各業(yè)創(chuàng)新融合。目前，金融服務(wù)區(qū)塊鏈 應(yīng)用的探索中，利用日志存證、信息追溯等特點(diǎn)，改變行業(yè)內(nèi)原有的 交易不公開透明等問

27、題。相信在未來，區(qū)塊鏈將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作 用。諸如醫(yī)療健康等涉及到大規(guī)模數(shù)據(jù)交互的行業(yè)，必將通過區(qū)塊鏈 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可信交易，破除現(xiàn)有的利益壁壘，打造一個(gè)全新的數(shù) 據(jù)行業(yè)內(nèi)外安全共享生態(tài)體系； 多中心化：區(qū)塊鏈的核心并不是“為了去中心化而拋棄中心化管理”，（2）而是構(gòu)建多方信任機(jī)制。在未來，隨著跨鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈的架構(gòu)將演變?yōu)槎喾焦餐瑓⑴c的可信任體系。即在多方信息不對(duì)稱、背景不清晰的情況下，構(gòu)建多方賴以信任與合作的新生態(tài)。未來在多中心化和去中心化之間，將會(huì)存在一個(gè)中間區(qū)域，而不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)根據(jù)特定場景需求，將呈現(xiàn)不同的非中心化程度。 技術(shù)融合：以云計(jì)算（3）16版權(quán)所有 深圳華大基

28、因科技有限公司體的共識(shí)機(jī)制，制定交互規(guī)則，構(gòu)建去中心化控制的交易網(wǎng)絡(luò)。因此，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，具有分布式異構(gòu)特征，天然弁合于在物聯(lián)網(wǎng)中建立各主機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品與物品之間的信息交換與通信。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是典型的與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合為例，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)體經(jīng)濟(jì)中的延伸，通過計(jì)算決單一技術(shù)的不足與難點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用場景，降低應(yīng)用成本。以區(qū)塊鏈透進(jìn)各行各業(yè)。未來區(qū)塊鏈的發(fā)展必將以技術(shù)融合為切入點(diǎn)，共同解、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)正滲、數(shù)字資產(chǎn)、慈善公益等行業(yè)紛紛投入到華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0 如何通過區(qū)塊鏈與其他技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，將成為區(qū)塊鏈未 來發(fā)展的重要課題。（4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：企業(yè)應(yīng)用在未來將是區(qū)塊

29、鏈的主戰(zhàn)場，聯(lián)盟鏈將成為主流方向。與公有鏈不同，在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，人們不僅關(guān)注通過軟件和算法來構(gòu)建信任基礎(chǔ)，更重要的是如何從用戶體驗(yàn)與業(yè)務(wù)需求出發(fā)，構(gòu)建一套基于共識(shí)機(jī)制 對(duì)不斷演進(jìn)的區(qū)塊鏈技術(shù)，同步考慮相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)，增 加區(qū)塊鏈的可信程度，建立區(qū)塊鏈的應(yīng)用準(zhǔn)則加強(qiáng)監(jiān)管，防范風(fēng)險(xiǎn)。17版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司、權(quán)限管理、智能合約等 度的生態(tài)規(guī)則。面華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.02區(qū)塊鏈在健康醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用2016 年，美國國家衛(wèi)生信息技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室（ONC）發(fā)起了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng) 用挑戰(zhàn)賽，向全球征集將區(qū)塊鏈應(yīng)用于下一代醫(yī)療健康數(shù)據(jù)IT 系統(tǒng)的建設(shè)方案。 奧巴馬精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃向 ONC

30、 資助 5 百萬美元用于制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)和要求，以 保護(hù)隱私和跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換安全。另外，據(jù) IBM 報(bào)告預(yù)測,全球 56%的醫(yī)療機(jī)構(gòu) 將在 2020 年前投資區(qū)塊鏈技術(shù)。在我國發(fā)展健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的背景下，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于健康醫(yī)療產(chǎn)業(yè)鏈中的數(shù)據(jù)交互，確保個(gè)人數(shù)據(jù)不被，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)國家和省級(jí)人口健康信息平臺(tái)的互聯(lián)互通，形成跨部門健康醫(yī)療數(shù)據(jù)資源共享共用格局。同時(shí)，區(qū)塊鏈所采用的分布式存儲(chǔ)技術(shù)可避免單點(diǎn)故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)庫整體性，減少以往由于中心化存儲(chǔ)所帶來的大規(guī)模數(shù)據(jù)泄漏事故，為健康醫(yī)療行業(yè)帶來最高級(jí)別的數(shù)據(jù)安全保障。2.1 當(dāng)前健康醫(yī)療行業(yè)數(shù)據(jù)問題概述（1）數(shù)據(jù)所有權(quán)問題：個(gè)人在接受醫(yī)療機(jī)構(gòu)診療和接

31、受健康管理服務(wù)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被相關(guān)機(jī)構(gòu)收集后，往往會(huì)在個(gè)人不知情的情況下被用于科研，或被用于與藥廠進(jìn)行聯(lián)合新藥研發(fā)，或與保險(xiǎn)公司聯(lián)合變現(xiàn)。大部分機(jī)構(gòu)依靠非完全透明的知情同意獲得數(shù)據(jù)授權(quán)，或使用去識(shí)別化的脫敏數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用，但大數(shù)據(jù)組合挖掘技術(shù)的發(fā)展依然可能重新識(shí)別出個(gè)人信息。2013 年，英國曾啟動(dòng) Care.data 計(jì)劃，旨在建立一個(gè)全國性醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以促進(jìn)醫(yī)療和研究。但項(xiàng)目18版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0僅僅實(shí)施了三年，就被 NHS 叫停，原因在于該項(xiàng)目在共享和使用病人數(shù)據(jù)時(shí)，并未征得病人同意，與保險(xiǎn)公司合作數(shù)據(jù)的商業(yè)用途也被質(zhì)疑。因此，為個(gè)人

32、健康醫(yī)療數(shù)據(jù)確權(quán)，對(duì)數(shù)據(jù)訪問者和使用者進(jìn)行細(xì)粒度權(quán)限控制和全流程行為透明可追溯，合理合法地約束個(gè)人數(shù)據(jù)使用至關(guān)重要。（2）數(shù)據(jù)安全問題：現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式大多是中心化的，中心化的健康醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式既面臨由于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、硬件的故障風(fēng)險(xiǎn)和安全漏洞，也可能因個(gè)人惡意或誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫泄露。鑒于個(gè)人健康醫(yī)療數(shù)據(jù)的高度敏感性和高價(jià)值性，一旦發(fā)生泄漏，后果將難以挽回。2015 年 2 月，美國第二大醫(yī)療保險(xiǎn)服務(wù)商 Anthem 被攻破，近 8000 萬員工和客戶資料被盜。僅 2015 年一年，在美國遭受到入侵的醫(yī)療記錄就高達(dá) 1.12 億條。據(jù)報(bào)告，美國每年因此造成的經(jīng)濟(jì)損失超過 62 億元。而基

33、因數(shù)據(jù)的全局唯一性和其蘊(yùn)藏的度敏感信息，更加增強(qiáng)了數(shù)據(jù)安全保護(hù)需求。2017 年頒布的福州市健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)資源管理暫行辦法是首個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)管理辦法，其中著重強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)安全和隱私。（3）數(shù)據(jù)共享問題 : 在現(xiàn)有健康醫(yī)療數(shù)據(jù)管理模式下，由于信息系統(tǒng)的差異與利益格局的壁壘，不同機(jī)構(gòu)之間難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。這種模式不僅導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的分散，也大大降低了數(shù)據(jù)的利用效率。以中國為例，三甲醫(yī)院目前使用的醫(yī)院管理信息系統(tǒng)（Hospital ManagementInformation System，HIS）多由自主開發(fā)，不同 HIS 系統(tǒng)間如要共享數(shù)據(jù)，往往涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)安全等問題，導(dǎo)19版

34、權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0致數(shù)據(jù)傳輸困難。因此，如何推動(dòng)不同機(jī)構(gòu)間數(shù)據(jù)的安全交互降低共享成本，最大化地發(fā)揮數(shù)據(jù)的科研與產(chǎn)業(yè)價(jià)值，將是健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)時(shí)代亟待解決的關(guān)鍵問題。2.2 精準(zhǔn)醫(yī)療 VS 隱私保護(hù)精準(zhǔn)醫(yī)療強(qiáng)調(diào)以個(gè)人的組學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)的個(gè)體化診療和健康管理，海量個(gè)人組學(xué)數(shù)據(jù)的收集和挖掘?qū)⒋呱豢上蘖康目蒲谐晒彤a(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成全新的醫(yī)療保健范式。但以基因組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的生命大數(shù)據(jù)普及應(yīng)用也同樣帶來了巨大的個(gè)人隱私保護(hù)挑戰(zhàn)?；驍?shù)據(jù)，特別是全基因組數(shù)據(jù)，具有高度敏感性，是具有全局唯一標(biāo)識(shí)的生物特征數(shù)據(jù)，且蘊(yùn)藏著大量度的敏感信息。例如人們可以從基因組數(shù)據(jù)中推斷出關(guān)于

35、種族、祖源、藥物代謝能力、疾病風(fēng)險(xiǎn)、健康和行為、面部特征等信息，同時(shí)還涉及相關(guān)親緣關(guān)系個(gè)體的遺傳數(shù)據(jù)暴露。因此實(shí)現(xiàn)基因數(shù)據(jù)的完全脫敏化異常困難，美國 NIH 和英國 Wellcome Trust 近年也更新了其數(shù)據(jù)共享政策，嚴(yán)格限制對(duì)單個(gè)基因型和聚合基因型頻率數(shù)據(jù)的訪問?；驍?shù)據(jù)的泄露還可能導(dǎo)致基因歧視等社會(huì)問題。1993 年的畢爾巴鄂首次譴責(zé)了與基因或生物學(xué)特征相關(guān)的社會(huì)歧視案例。2008 年美國頒布的遺傳信息反歧視法案（GINA）禁止雇主或保險(xiǎn)公司查詢個(gè)人基因檢測結(jié)果，以做出對(duì)當(dāng)事人不利的選擇。20版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司、效率低下華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0全球各國政府積極制定了

36、數(shù)據(jù)保護(hù)條例來保護(hù)個(gè)人基因數(shù)據(jù)的隱私。美國的經(jīng)濟(jì)和臨床健康信息技術(shù)法案（HITECH）要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)者實(shí)施物理、行政與技術(shù)解決方案保護(hù)生物數(shù)據(jù)免遭泄漏。歐盟于 2018 年 5 月 25 日起全面實(shí)施號(hào)稱“史上最嚴(yán)數(shù)據(jù)安全法規(guī)”的通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例（GDPR），旨在對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)生產(chǎn)與應(yīng)用的各環(huán)節(jié)加以安全規(guī)范，最大限度保護(hù)個(gè)人數(shù)據(jù)隱私。GDPR 把遺傳數(shù)據(jù)（基因數(shù)據(jù)）和生物特征數(shù)據(jù)定義為“敏感個(gè)人數(shù)據(jù)”，將受到最嚴(yán)格的安全監(jiān)管，該條例強(qiáng)調(diào)即使是的基因數(shù)據(jù)，也只有在數(shù)據(jù)主體同意的前提下才能被處理?；驍?shù)據(jù)的永久不可篡改性及親緣群體暴露風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該按照比金融數(shù)據(jù)更高的安全等級(jí)嚴(yán)格保護(hù)。我們需要切實(shí)地保護(hù)個(gè)人

37、隱私，但同時(shí)也需要通過大數(shù)據(jù)的共享挖掘來推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步。如何在組學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用的合理性與隱私保護(hù)的必要性間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)共享對(duì)科研與社會(huì)的貢獻(xiàn)超過其應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，需要 監(jiān)管者、科學(xué)家、醫(yī)療人員和企業(yè)共同努力，建立基于規(guī)范與技術(shù)解決方案 的數(shù)據(jù)共享框架。2.3 國內(nèi)外健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)狀2.3.1 國外健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用2016 年，Linux主導(dǎo)的超級(jí)賬本開源項(xiàng)目成立了區(qū)塊鏈醫(yī)療工作小組。同年愛沙尼亞宣布啟動(dòng)基于區(qū)塊鏈的全國醫(yī)療健康安全共享項(xiàng)目。2017 年，美國衛(wèi)生與公共事業(yè)部（HHS）公布了相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)提交的 70 多份區(qū)塊鏈醫(yī)21版權(quán)所有 深圳華大基因科

38、技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0療應(yīng)用提案。其中 MIT 的 MedRec 區(qū)塊鏈電子病歷系統(tǒng)采用基于以太坊的智能合約，為跨機(jī)構(gòu)創(chuàng)建分布式的醫(yī)療數(shù)據(jù)授權(quán)系統(tǒng)，以滿足患者、社區(qū)和科研人員的各方需求。2017 年，Google Deepmind 使用英國 NHS 的病人數(shù)據(jù)開發(fā)監(jiān)測腎病 APP，被英國數(shù)據(jù)保護(hù)監(jiān)管機(jī)構(gòu)指控違反數(shù)據(jù)保。緊接著谷歌即宣布其正開發(fā)基于區(qū)塊鏈的“醫(yī)療數(shù)據(jù)審核系統(tǒng)”，確保將來在把數(shù)據(jù)用于 AI 應(yīng)用開發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)所有者具有完全的數(shù)據(jù)知情權(quán)和控制權(quán)。同年，IBM Watson Health（健康醫(yī)療項(xiàng)目）和美國食品藥品管理局（FDA）簽署了一份合作研究計(jì)劃，旨在用區(qū)塊鏈技術(shù)研

39、發(fā)一種安全、高效、可擴(kuò)展的醫(yī)療數(shù)據(jù)交易方式。2013 年以來，歐盟委員會(huì)就區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)已投入了超過 3000 萬歐元?？?。此外，海見在發(fā)達(dá)國家，區(qū)塊鏈技術(shù)已被視為醫(yī)療行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心元素外也出現(xiàn)了應(yīng)用于醫(yī)療健康和基因組領(lǐng)域的公有鏈項(xiàng)目，如 ，Nebula Genomics（https:/www.nebulagenomics.io），MediBloc（/en/），MedicalChain（）等。這類公有鏈旨在實(shí)現(xiàn)個(gè)人數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)授權(quán)交易及各方權(quán)益分配，從而形成經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的生態(tài)圈。2.

40、2.2 國內(nèi)健康醫(yī)療行業(yè)的區(qū)塊鏈應(yīng)用目前國內(nèi)的區(qū)塊鏈應(yīng)用主要集中在金融服務(wù)、社會(huì)公益、供應(yīng)鏈協(xié)同等領(lǐng)域。 實(shí)踐做起，積累核心技術(shù)和工程化經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際業(yè)務(wù)中逐步推動(dòng)技術(shù)落地。 22版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司醫(yī)院及企業(yè)各方也難以快速推動(dòng)生產(chǎn)級(jí)場景的落地應(yīng)用。華大區(qū)塊鏈希望從自身準(zhǔn)缺失、數(shù)據(jù)質(zhì)量較低、安全隱私保護(hù)制度不完善、系統(tǒng)性能不足等挑戰(zhàn)，政府、據(jù)共享生態(tài)，目前仍面臨著需求不明確、前期投入較大、政策法規(guī)障礙、技術(shù)標(biāo)的聯(lián)盟鏈，尚未形成大規(guī)模的區(qū)塊鏈應(yīng)用。要構(gòu)建一個(gè)大型的跨機(jī)構(gòu)健康醫(yī)療數(shù)在健康醫(yī)療領(lǐng)域，各機(jī)構(gòu)主要采取搭建基于本地?cái)?shù)據(jù)庫的私有鏈或基于“醫(yī)聯(lián)體”華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.03華大區(qū)

41、塊鏈本章是白皮書的核心章節(jié)，我們將從平臺(tái)架構(gòu)、核心技術(shù)、優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及應(yīng)用場景四個(gè)方面重點(diǎn)介紹華大區(qū)塊鏈（圖 3-1）圖 3-13.1 華大區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)目標(biāo)華 大區(qū)塊鏈的目標(biāo)是通過融合區(qū)塊鏈和學(xué)等技術(shù)，打造具有自主核心 技術(shù)的組學(xué)數(shù)據(jù)共享基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)數(shù)字化生命的價(jià)值流動(dòng)。在保護(hù)個(gè)人隱私 的同時(shí)，最大化數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。包括兩方面的內(nèi)容：（1）從個(gè)人層面而言，實(shí)現(xiàn)人人、實(shí)時(shí)、終身的生命 4D 數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，為個(gè)人數(shù)據(jù)確權(quán)；通過積分激勵(lì)將數(shù)據(jù)價(jià)值還于個(gè)人，同時(shí)促進(jìn)科研及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；23版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0（2）從組織層面而言，為行業(yè)伙伴提供企業(yè)級(jí)的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施與

42、解決方案，形成組學(xué)數(shù)據(jù)與其他健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的共享交互生態(tài)體系，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人（數(shù)據(jù)所有者）、機(jī)構(gòu)（科研、醫(yī)療等）、政府、企業(yè)在生命時(shí)代共有、共享、共為的多方協(xié)作和互惠共贏體系。3.1.1 華大區(qū)塊鏈技術(shù)展望按照涉及到的技術(shù)點(diǎn)與提供的服務(wù)方式不同，區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)主要分BaaS、PaaS 和 IaaS 三個(gè)層次（圖 3-1-1）。圖 3-1-1在社會(huì)資源有限的約束下，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)以信息傳遞效率優(yōu)先，中心化架構(gòu)的IT 服務(wù)大大降低了單用戶的信息溝通成本。然而，隨著 IT 技術(shù)的發(fā)展和成本下降，用戶的關(guān)注點(diǎn)將逐漸從效率轉(zhuǎn)為質(zhì)量，即關(guān)注隱私保護(hù)、規(guī)則透明平等。由于區(qū)塊鏈本身的系統(tǒng)成本高，尤其弁合于健康醫(yī)療

43、領(lǐng)域這樣的高價(jià)值行業(yè)應(yīng)用。在華大區(qū)塊鏈建設(shè)初期，我們以 PaaS 平臺(tái)為用戶提供服務(wù)，用戶可以自主在平24版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。將來隨著云計(jì)算、云存儲(chǔ)等技術(shù)的不斷深化成熟，華大區(qū)塊鏈將構(gòu)建自有的開源 BaaS 服務(wù)架構(gòu)，以開源區(qū)塊鏈的形式在健康醫(yī)療行業(yè)形成規(guī)?；瘧?yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)仍處在早期，目前主要面臨以下幾點(diǎn)問題：（1）多節(jié)點(diǎn)共識(shí)帶來了高信任度，但分布式系統(tǒng)的共識(shí)效率性能在企業(yè)級(jí)的應(yīng)用有待進(jìn)一步提升；（2）多節(jié)點(diǎn)記錄存儲(chǔ)提高了數(shù)據(jù)，但對(duì)數(shù)據(jù)安全加密和隱私保護(hù)提出更高要求，同時(shí)還要保證可用性和監(jiān)管性；（3）智能合約定義了自動(dòng)執(zhí)行的邏輯

44、規(guī)則，其安全問題有待更加成熟的驗(yàn)證和解決方案；（4）區(qū)塊鏈技術(shù)各成一派，需要跨鏈技術(shù)的進(jìn)步來增強(qiáng)鏈與鏈之間的互操作性。華大區(qū)塊鏈將通過架構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)升級(jí)等方式，并和區(qū)塊鏈技術(shù)生態(tài)圈的開發(fā)者、標(biāo)準(zhǔn)制定者交流合作，不斷提升區(qū)塊鏈弁用范圍與應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，華大區(qū)塊鏈也將重點(diǎn)關(guān)注以下特色技術(shù)點(diǎn)的突破：（1）基因數(shù)字 ID：通過個(gè)人基因 ID 技術(shù)，解決現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)中的數(shù)字身份無法安全關(guān)聯(lián)個(gè)人實(shí)體身份，規(guī)避網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的數(shù)字權(quán)利與現(xiàn)實(shí)社會(huì)中實(shí)體權(quán)利難以合法關(guān)聯(lián)的問題；（2）后量子加密：解決現(xiàn)有區(qū)塊鏈產(chǎn)品的非對(duì)稱加密體制無法防止將來量子計(jì)算的破解問題；25版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書

45、 V1.0（3）安全多方計(jì)算：通過提供安全多方計(jì)算解決方案，實(shí)現(xiàn)多方數(shù)據(jù)所有者在不透露數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同計(jì)算；（4）應(yīng)用：節(jié)點(diǎn)可提供暫時(shí)數(shù)據(jù)給區(qū)塊鏈上的第三方應(yīng)用進(jìn)行處理，通過瞬時(shí)加密機(jī)制確保用戶隱私；（5）亂序存儲(chǔ)：節(jié)點(diǎn)可以對(duì)數(shù)據(jù)亂序加擾后分布存儲(chǔ)到多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)（包括云平臺(tái)），數(shù)據(jù)所有者是恢復(fù)原始數(shù)據(jù)所必須的亂序引索（Index）的唯一擁有者。3.1.2華大區(qū)塊鏈用來解決什么問題華大區(qū)塊鏈用來解決健康醫(yī)療及生命大數(shù)據(jù)應(yīng)用的三類矛盾：（1）數(shù)據(jù)應(yīng)用與隱私保護(hù)的矛盾（2）數(shù)據(jù)確權(quán)與交互共享的矛盾（3）數(shù)據(jù)安全與加密成本的矛盾3.1.3設(shè)計(jì)原則華大區(qū)塊鏈在設(shè)計(jì)上遵循以下幾個(gè)原則：（1）2

46、B4D 大數(shù)據(jù)：作為全球跨組學(xué)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的引領(lǐng)機(jī)構(gòu)，華大創(chuàng)新性地提出了大人群生命組學(xué)大數(shù)據(jù)（2B4D）的概念。2B4D 數(shù)據(jù)所具有的的人群覆蓋度廣、數(shù)據(jù)量大、敏感性高、完整性需求強(qiáng)等特點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈的架構(gòu)與性能提出了極高的要求。因此，從區(qū)塊鏈協(xié)議、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能特性等方面滿足 2B4D 大數(shù)據(jù)的交互共享是華大區(qū)塊鏈的第一設(shè)計(jì)原則。26版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0（2）自主創(chuàng)新：華大注重自主創(chuàng)新，目前已在碎片分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、基因ID 等關(guān)鍵領(lǐng)域擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)與專利，并通過融合差分隱私、非對(duì)稱數(shù)字簽名等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人生命大數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)與安全共享。（3）標(biāo)

47、準(zhǔn)化：華大區(qū)塊鏈通過搭建區(qū)塊鏈行業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全交互與高效共享。包括區(qū)塊鏈底層架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)共享交互標(biāo)準(zhǔn)化兩個(gè)層次：安全高效：華大區(qū)塊鏈在協(xié)議設(shè)計(jì)、架構(gòu)規(guī)劃、接口設(shè)置、服務(wù)部署等方面都遵循這一原則，確保區(qū)塊鏈系統(tǒng)運(yùn)行的可靠與高效。開放共享： 華大區(qū)塊鏈構(gòu)建自主可控的 BaaS 區(qū)塊鏈平臺(tái)，發(fā)揮運(yùn)營國家基因庫的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，搭建 IT 基礎(chǔ)設(shè)施，開放區(qū)塊鏈服務(wù)能力，與行業(yè)伙伴共同打造合作共贏生態(tài)圈。3.2 華大區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)華大區(qū)塊鏈在基于 BaaS、PaaS、IaaS 分層基礎(chǔ)上，結(jié)合生命健康行業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，針對(duì)共識(shí)算法和學(xué)算法兩個(gè)核心技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，有效提升系統(tǒng)安全性和業(yè)務(wù)

48、處理效率。3.2.1 共識(shí)機(jī)制華大區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫墓沧R(shí)算法基于 PBFT 基礎(chǔ)上做了調(diào)整優(yōu)化，可以稱為“PBFT+”共識(shí)算法，其核心思想就是針對(duì)不同的交易類型實(shí)行不同的共識(shí)機(jī)制。我們把需要上鏈存儲(chǔ)的交易類型分為兩大類：事務(wù)易和非事務(wù)易。針對(duì)不同類型的區(qū)塊鏈交易采用不同的共識(shí)算法。所謂事務(wù)27易是指需要進(jìn)行嚴(yán)格版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0排序和所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)的區(qū)塊鏈交易，維持同樣的狀態(tài)變更，因此需要使用嚴(yán)格的共識(shí)算法確保其執(zhí)行狀態(tài)在區(qū)塊鏈上保持一致；事務(wù)易之外的其他交易都稱為非事務(wù)易。針對(duì)事務(wù)易，華大區(qū)塊鏈采用 PBFT 算法，具體算法流程圖如下所示（圖 3-2-1

49、-1）。其中 C 為發(fā)開共識(shí)請(qǐng)求的客戶端節(jié)點(diǎn)，0123 為接受并處理共識(shí)請(qǐng)求的服務(wù)端節(jié)點(diǎn)，3 為故障的服務(wù)端節(jié)點(diǎn)，共識(shí)步驟如下：（1）Request： C 發(fā)開請(qǐng)求到任意一個(gè)服務(wù)端節(jié)點(diǎn)，這里是 0；（2）Pre-Prepare：節(jié)點(diǎn) 0 收到 C 的請(qǐng)求后廣播至節(jié)點(diǎn) 123；（3）Prepare：節(jié)點(diǎn) 123 收到后記錄請(qǐng)求，然后再次廣播至所有其他節(jié)點(diǎn)，1-023，2-013，3-012；（4）Commit：0123 節(jié)點(diǎn)在 Prepare 階段，若收到超過一定數(shù)量的相同請(qǐng)求，則進(jìn)入 Commit 階段，廣播Commit 請(qǐng)求；（5）Reply：0123 節(jié)點(diǎn)在 Commit 階段，若收到超過

50、一定數(shù)量的相同請(qǐng)求，則對(duì) C 進(jìn)行反饋。能夠達(dá)成共識(shí)的計(jì)算公式為 N 3F + 1， N 為參與共識(shí)的服務(wù)端節(jié)點(diǎn)總數(shù)，F(xiàn) 為有問題的服務(wù)端節(jié)點(diǎn)總數(shù)。28版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0圖 3-2-1-1針對(duì)非事務(wù)易，我們采用簡單的排序驗(yàn)證，即發(fā)開交易到任一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行交易驗(yàn)證，確認(rèn)是非事務(wù)易類型后，通過 Kafka 協(xié)議在多個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行統(tǒng)一排序，然后將排序結(jié)果廣播至鏈上所有節(jié)點(diǎn)（圖3-2-1-2）。圖 3-2-1-229版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.03.2.2學(xué)算法第一章提到的 HASH 摘要、非對(duì)稱加密等算法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)環(huán)境

51、中是安全的，在實(shí)現(xiàn) 128 位安全級(jí)別的情況下可以滿足當(dāng)前區(qū)塊鏈應(yīng)用的加速度和存儲(chǔ)空間要求。但是考慮到當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，目前已知的量子計(jì)算Shor 算法已經(jīng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)破解一些常用的傳統(tǒng)加算法。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)環(huán)境下，常用的大數(shù)分解的破解算法包括線性篩選和數(shù)域篩選兩1 3類，分解模 n 和安全級(jí)別位數(shù) b 的關(guān)系大致如下：n 的位數(shù)約為32。在()量子計(jì)算機(jī)環(huán)境下，目前已知的 Shor 算法能夠?qū)崿F(xiàn)在()(1+(1)個(gè)量子比特位計(jì)算機(jī)下破解模 n 的基本運(yùn)算次數(shù)為()(2+(1)。這意味著如果需要實(shí)現(xiàn)同樣的安全等級(jí) b，需要的模 n 位數(shù)約為2(0.5+(1)。由上述模 n 位數(shù)和安全

52、等級(jí) b 的關(guān)系可知，量子計(jì)算環(huán)境下，傳統(tǒng)的 RSA加密體制在現(xiàn)有的模 n 位數(shù)下已經(jīng)無法保證安全性，如果要在量子計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)環(huán)境下同等安全性，則需要大為增加 n 值，這意味著公私鑰的長度和加速度都急劇增長，這就導(dǎo)致加算法失去了應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際上，基于量子計(jì)算環(huán)境的 Shor 算法，傳統(tǒng)的 RSA、ECDSA 算法都不再安全。另一方面，后量子學(xué)時(shí)代，已經(jīng)有許多研究證明了量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展并不意味著所有學(xué)算法都不再安全，目前已知的抗量子算法有基于 HASH 函數(shù)的算法、基于糾錯(cuò)碼的算法、多變量二次方程組的算法和基于格理論的算法。我們?cè)趨^(qū)塊鏈應(yīng)用中綜合考慮算法穩(wěn)定性、加性能和未來兼容性

53、，選擇了格算法來進(jìn)行數(shù)字簽名，確保區(qū)塊鏈交易安全性。30版權(quán)所有 深圳華大基因科技有限公司華大區(qū)塊鏈白皮書 V1.0同時(shí)，華大鏈支持中國官方制定的 SM2、SM3 算法，SM2 是國家管理局于 2010 年 12 月 17 日發(fā)布的橢圓曲線公鑰算法，SM3摘要算法是國家管理局 2010 年公布的中國商用雜湊算法標(biāo)準(zhǔn)。SM3 算法弁用于商用應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗(yàn)證，是在 SHA-256 基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的一種算法。華大鏈基于SM2SM3算法的全面兼容性可以更好的滿足國內(nèi)不同行業(yè)的信息安全準(zhǔn)入要求。3.2.3 基因數(shù)字 ID在公有區(qū)塊鏈應(yīng)用中，用戶所使用的線上數(shù)字身份一般都沒有和實(shí)體身份對(duì)應(yīng)起來，這樣純粹的虛擬數(shù)字身份不具有生物實(shí)體的可追溯性，導(dǎo)致線上數(shù)字身份的權(quán)利義務(wù)無法和現(xiàn)實(shí)世界中的個(gè)利義務(wù)對(duì)應(yīng)起來，一個(gè)典型的問題是比特幣用戶因?yàn)閬G失地址私鑰后沒有任何挽救途徑可以找回線上資產(chǎn)。因此，我們認(rèn)為區(qū)塊鏈的應(yīng)用中需要提供能夠同時(shí)對(duì)應(yīng)線上數(shù)字身份和線下實(shí)體身份的技術(shù)解決方案。華大利用自身在基因測序方面的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出一套基于個(gè)人基因序列多態(tài)性的新型加密方式?；蛐蛄袑?duì)應(yīng)個(gè)人的唯一身份，具有最高特異性。同時(shí)，基因序列可以產(chǎn)生大量的公私鑰對(duì)，可實(shí)現(xiàn)一次一密的動(dòng)態(tài)加密機(jī)制，充分保證了身份認(rèn)證安全。目前，我們撰寫的國家級(jí)專利一種基于