图1描述了驱动我们设计mHealth应用程序的主要用例场景 图1，我们看到同一个人用户使用4种不同的设备来监测他或她的健康参数:血压监测设备、身体活动(如跑步、慢跑和步行)监测、主动血糖监测(如糖尿病前期或糖尿病状态)和脑电波监测。每个设备都存储和记录个人的移动健康数据，这些数据可以单独使用，也可以集体使用，来推断一个人的健康状况。

我们将介绍数据存储、数据检索和消息传递的不同用例。不同平台的应用程序允许用户使用私钥共享数据，以保证数据的安全，但这些应用程序可以使用这些数据。这些应用程序以后可以使用全部或部分用户数据来提供服务，也可以让用户自己共享和控制提供给平台的数据。

用例如下:

其他外设用例如下:

区块链设计还可以鼓励用户创建、记录和共享真实的、高质量的数据，并可能拍卖医疗保健数据市场上的信息，这些市场访问个性化的医疗保健数据，以便下游销售用于研究。展示了上面所有用例及其依赖性的用例图 图2．

我们扩展了先前对可配置区块链模式的研究，并专门使用CHASM区块链模式和相应的实例化 PantherChain为实现医疗保健数据的存储、检索和市场功能而设计的设计[ 6］．在接下来的章节中，我们将描述PantherChain系统的设计，并记录PantherChain区块链系统的特性，该系统用于实现基于普遍物联网的移动健康数据的关键用例。使用CHASM设计模式的优点是它是灵活的，每个底层组件都可以改变，以适应整个物联网系统的性能、速度和存储需求。森古普塔和萨勃拉曼尼亚[ 6]通过改变软件组件演示了4个不同区块链的设计和性能功能。我们介绍了这样一个系统的体系结构，并在以下部分说明了这样一个实现的好处，其中包括高性能和参数的可调性，如在挖掘中使用的难度，特别是在需要物联网设备和高吞吐量时。

我们使用了CHASM软件设计模式，并在Java中实现了该模式 PantherChain［ 6］．森古普塔和萨勃拉曼尼亚[ 6更详细地描述了裂口。然而，他们没有配置PantherChain或CHASM来通过基于web服务的智能合约应用程序编程接口(api)支持物联网。在这个实现中，我们采用了CHASM的可配置架构，并以具像状态传输(REST) API层的形式实现了对CHASM的基于物联的扩展，该API层接受来自设备的请求，并支持高性能和吞吐量。

在 图3，我们通过说明类及其交互来展示CHASM设计模式。CHASM模式是流行的上下文对象设计模式[ 18]，它是Java 2平台企业版的核心模式，允许不同的类共享单个控制上下文(接口)。在我们的实现中，BlockchainSystem类引用了4个CHASM组件的抽象类实现:共识、散列器、存储器和挖掘器。今后，我们将把这些使用抽象类实现的概念称为 插头．

在PantherChain中，我们为每个插件提供了不同的实现。的 切肉机插件有3个实现:MD5(消息摘要版本5)[ 19实现为md5hash, SHA256(安全哈希算法)[ 20.实现为sha256hash和SHA512 [ 20.实现为sha512hash。存储器插件有两个实现:一个是序列化的JSON文件实现(FileStorer)，一个是使用SQLite的关系实现(SQLiteStorer)。的 矿业公司插件被实现为一个 proof-of-work(POW)矿机，具有灵活的难度级别，类似比特币[ 21］．我们包含了POW的两个实现:单线程POWMiner和多线程并行版本(ParallelPOWMiner)。最后，共识插件使用分布式文件共享机制作为概念证明来实现，以演示分布式中本聪[ 21共识，正如中本聪所描述的[ 21) (SimpleConsensus)。PantherChain可以通过替换 插头(实现为抽象Java类)。每个插件提供特定的抽象方法，这些方法是到区块链系统其余部分的接口。最后，PantherChain可以使用事务的任何实现，并且可以在同一个实例中用于不同类型的事务(例如，基于文本的或基于加密货币的)。在PantherChain中，基于文本和基于json的事务都可以签名和加密。有趣的是，由于加密JSON事务的有效负载不再是格式良好的JSON，因此加密JSON事务类是签名文本事务的子类( 图3)．

虽然智能合约[ 22]虚拟机不是在CHASM模式中实现的，我们将Java虚拟机与一个易于使用的基于web服务的软件结合起来，作为一个服务系统，在每个PantherChain节点上作为IoT接口运行。PantherChain的当前实现包括一个基于Java 2平台企业版servlet的REST API，它允许外部应用程序使用PantherChain的所有组件。PantherChain REST API的一些端点如下: APIGetKey(检索现有钱包或创建新的公钥或私钥钱包)、APIAddJson(添加包含用密钥签名的JSON数据的事务)和 APISearchUid(基于唯一标识搜索PantherChain)。

要实现智能合约，应用程序可以通过API连接到PantherChain节点，并为客户端提供完整的应用程序集成。这种方法允许应用程序开发人员在后端使用区块链，并使用他们选择的语言或平台开发他们的应用程序逻辑。我们在PantherChain上开发并测试了上面列出的每个用例，以演示系统的功能，并使用基于用户的测试和HIPAA遵从指南对其进行验证。通过举例说明基于第三方数据准确性验证、数据市场等激励模型，提出了该模型未来的研究方向。PantherChain实现还包括在现有系统之上演示类似比特币的加密货币(PantherCoin)。

将PantherChain集成到mHealth系统中需要两个步骤:(1)初始化或检索用户钱包(使用APIGetKey);(2)使用APIAddJson向池提交事务。在我们的测试中，我们开发了两个应用程序，一个用于Android手表，另一个用于Apple手表，每个应用程序都可以从传感器捕获一些健康数据，构建JSON数据包，并将其发送到API后端。 多媒体附录1而且 2显示示例Android (Java)和iOS (Swift)代码执行此操作。

为了证明这一过程的概念，我们开发了两个手表应用程序:一个基于Android，另一个基于iOS WatchKit。这两款应用都是为在手表上运行而设计的简单应用。我们编写了Android应用程序来跟踪步数和心率数据 开始按钮点击并提交一个签名包，其中包含平均心率和总步数 停止按钮被点击。iOS WatchKit应用程序的工作方式与此相同，不同之处是，鉴于我们使用的iOS手表没有直接的互联网连接，数据由iPhone配套应用程序上传，该应用程序从苹果手表检索数据，并向区块链提交一个类似的签名包。用户可以用同一个钱包(公私密钥对)设置两个应用程序，这样所有设备的数据都可以链接到同一个用户。或者，用户可以使用元钱包，如metaMask [ 23或出埃及记[ 24]钱包生成一个主公私钥，在元钱包中存储独立的钱包。总之，无论选择何种方法，所有用户的数据和机密信息都只由一个用户捕获和存储。在接下来的部分中，我们将提供我们所设计的应用程序的一些插图，从而演示上面的各种用例。

在此用例中，用户的个人医疗保健数据由单个用户通过使用私钥的查询接口存储在区块链上并可访问。

第一个基本用例涉及用户使用Android手表进行基本锻炼。 图4演示了Android应用程序在锻炼过程中运行和收集数据。该应用程序可以启用有效载荷的加密，以增加数据的安全性。我们将在中进一步讨论加密过程 用例的实现和验证3部分。当测试停止时，手表(或控制手机，如果手表没有直接的互联网接入)可以将测试作为一个新的事务提交给区块链，在用秘密密钥加密后(如果在应用程序级别启用)。

在此用例中，使用多个设备和元信息的各种类型的个人医疗保健数据存储在区块链上。

尽管第一个用例是跟踪移动健康数据的最基本方法，但在今天的大多数健康监测平台中都存在类似的过程。用例2的动机来自于将来自不同移动医疗系统的数据共享和聚合到单一平台的能力的限制。目前，用户无法选择使用具有不同功能的不同设备，以单一一致的方式收集健康数据并审查和聚合所有数据。我们的应用程序解决了这个问题，允许不同的应用程序收集移动健康数据提交与同一钱包签名的数据包提交给区块链。 图5显示了iOS WatchKit(左)中的2个应用程序及其配套的iPhone应用程序(中)和Android手表应用程序(右)，收集不同类型的数据提交到相同的区块链。

图5说明了两个不同的设备(一个iOS设备和一个Android设备)从同一个人收集医疗保健数据并将数据提交给区块链。应用程序的用户，通过他的公私密钥组合来识别，可以从一个web应用程序访问他钱包中的数据(如 图1)．从多个设备收集的关于用户的此类数据可用于创建健康情报仪表板，也可与数据市场进行交易(共享)。

在此用例中，在从系统上注销后，根据个人的私钥删除个人医疗保健数据。

为了符合HIPAA，用户需要能够从任何相关系统中删除个人健康数据。由于区块链是不可变的，数据一旦被挖掘并添加到区块链就不能被篡改(但在被挖掘之前肯定可以从事务池中删除它)。然而，在我们的mHealth实现中，HIPAA遵从性可以通过停用用户钱包来实现，这将从用户断开任何挖掘的块。如果用户选择对事务的数据有效负载进行加密，则没有用户的秘密密钥就无法对加密的组件进行解密。但是，区块链完整性仍然可以通过包含数据的块来维护，尽管没有钱包就不能与特定用户建立关联。

我们将在下面的小节中强调隐私实现的其他一些潜在方法。

我们的应用程序中的一个钱包可以与多个密钥相关联以进行加密。停用与钱包相关的任何密钥将使用该密钥加密的交易不活动。在我们的实现中，一个钱包包括一个用于签名和验证的公钥和私钥对，以及几个用于加密有效负载的高级加密标准秘密密钥。 图6演示(1)使移动应用程序的用户能够加密事务有效负载;(二)有公钥、私钥、单密钥的钱包;以及(3)一个简单的签名事务和来自同一用户的具有加密有效负载的事务。

隐私遵从可以在应用程序级别实现，用户请求删除帐户，导致从区块链删除用户的钱包。一旦用户离开系统，如果私钥从用户的个人设备中删除，数据将永远无法重新连接到用户级别。

在此用例中，具有不同类型数据的个人医疗保健数据被聚合到区块链应用程序中。

一旦来自不同应用程序的数据被上传到区块链，第三方验证方法可以验证数据的真实性(这个过程可能在区块链和区块链之间有所不同，但将涉及某种形式的挖掘策略)。在这个概念验证应用程序中，我们使用了一种POW挖掘技术(类似于比特币，但使用较低的难度级别)，将已验证的交易合并到挖掘的区块中。应用程序可以使用这些经过验证的块来聚合来自每个使用相同钱包的应用程序的数据，使其与相同的用户相关联。PantherChain中的CHASM模式中的挖掘模块被实现为一个接口[ 6];因此，它可以被其他算法取代，如权益证明(Proof-of-Stake)，它可以为登录到区块的交易提供确定性的、有时间限制的确认[ 25］．

基于物联网的区块链的最大挑战之一与谁管理区块链有关。区块链的治理功能包括控制区块链功能的能力[ 26］．这可能包括改变共识、哈希、存储和挖掘的算法。此外，区块链未来的功能增强，包括支持顶部不同应用程序的能力，可能会受到治理的影响。可以考虑用于区块链的治理协议可以有多种类型。 表2总结了令牌的主要治理机制。

基于我们对基于移动健康的应用程序栈的分析，它将物联网与区块链，和 consortium-based区块链效果最好。如果设备制造商、应用程序开发人员和用户不能组成一个联盟，那么通过PantherCoin (PantherChain区块链的内置令牌)创建一个去中心化的自治组织将启用这种机制。然而，这种方法的风险大于拥有一个公平的利益攸关方联盟，这些利益攸关方投资和控制区块链及其未来的改进，并能够确保权力下放。对于像我们这样处理医疗保健的系统，建议治理不要依赖于令牌经济学;相反，应该全面使用区块链的去中心化功能。

与设置这样一个区块链相关的成本有很多类型，例如编程成本、硬件设置成本、设置网络成本以及应用程序开发成本和与设备制造商集成的成本。尽管由于需要详细的成本分析，本文将不足以涵盖所有这些成本，但我们已经记录了托管我们的原型的成本。我们希望设计人员和开发人员能够从这些数字中解释托管成本，并发现这些成本明显低于公共区块链或其他基于联盟的区块链，后者需要更专业的知识和更高的带宽设备，如基于特定应用程序的集成电路(ASIC)处理器用于挖矿。

我们的原型实例是在一个云虚拟机上配置和设置的，该虚拟机上有1 TB磁盘空间、128 GB RAM和带有2个核心Intel处理器的Linux。建立一个区块链实例的费用为3年300美元。同样，节点可以以1200美元的价格设立，为期3年。这是为无限的传入和传出网络流量。我们使用了大学提供的通用高性能计算基础设施云。类似的托管安排可以应用于云环境(如Amazon Web Services、谷歌、Microsoft和Heroku)，甚至可以应用于基于区块链的分布式计算云，如FileCoin、Storj或基于InterPlanetary文件系统的系统，其成本可能相同。根据联盟成员的数量和在云上存储数据的设备制造商或设备的数量，使用量也可能随着时间的推移而增加或减少。这些系统足够灵活，可以满足只存储最新数据的需求(并且可以支持数据的部分复制或完全复制)。由于CHASM体系结构非常灵活，未来的版本可能包括数据存储的分片和大型数据存储的其他性能增强。对分布式系统体系结构的全面讨论超出了本文的范围，因为我们关注的是使用物联网优化数据存储的数据的隐私和用户控制。

尽管区块链系统的性能在文献中受到了很多争论，但必须注意的是，性能是根据区块链每分钟可以处理的事务的数量来衡量的。例如，VISA网络支持每秒1700个事务，这表示网络上任何web服务请求的亚毫秒级访问时间。比特币和以太坊网络的性能要差得多，而且这些系统还没有从应用程序的角度进行基准测试。

我们测试PantherChain性能的方法是基于这样一个警告:任何系统的性能都可以通过测量访问系统不同组件所花费的总时间来评估。在我们的例子中，由于分布式和去中心化计算系统的体系结构，我们可以根据访问区块链的服务所花费的时间来衡量我们系统的总体性能。例如，上面讨论了访问PantherChain前端所花费的时间和访问REST api所花费的时间。当我们使用Apache Tomcat web服务器，使用该软件作为服务模型时，存在一些堆栈的性能基准。值得注意的是，针对Windows和Linux操作系统的互联网安全基准测试中心以及几个与处理器相关的基准测试已经存在[ 27］．类似地，Apache Tomcat和针对各种硬件和软件的Java性能基准测试，包括Java Development Kit和Java Virtual Machine实现的组合，已经被执行过[ 28］．关于区块链不同配置的性能测试，请参考Sengupta和Subramanian的研究[ 6］．

我们对PantherChain系统前端的标准典型用例和生成钱包密钥后获取钱包密钥的基本API进行了基准测试。在 图7，我们绘制了API响应时间在5个维度上的平均值，这些维度通常用于度量getKey和uid API以及PantherChain用户界面的性能。