面向IoT药品供应链管理的隐私–完整性驱动轻量信任感知共识模型（PI-Chain）

《Franklin Open》：User-privacy and data-integrity-aware consensus model for IoT-based pharmaceutical supply chain management

　　

药品供应链管理（Pharmaceutical Supply Chain Management, PSCM）在保障药品质量和可及性方面发挥关键作用。然而，由于其高度数据密集和分布式特性，PSCM仍易受假冒、数据篡改和隐私泄露影响。为解决这些问题，该研究提出隐私–完整性链（Privacy–Integrity Chain, PI-Chain），即面向PSCM的隐私–完整性驱动区块链框架。PI-Chain架构融合基于IoT（Internet of Things, IoT）的感知和边缘级信任评估，以确保只有合法节点参与数据通信。PI-Chain采用结构化数据扰动和链下存储保护隐私，同时区块链维护不可篡改和可追溯的交易记录。为实现高效数据区块验证，该模型采用计算开销最小的轻量级信任感知共识机制。使用CIC-IoMT 2024数据集定义攻击–对手模型，将PI-Chain与安全弹性敏捷性（Security Resilience Agility, SRA）、区块链授权隐私保护（Blockchain Authorized Privacy-Preserving, BAPP）和可配置多属性可信度评估（Configurable Multi-Attribute Trustworthiness Assessment, CMATA）三种基线方法进行性能评估。平均而言，PI-Chain达到94.00%的检测率，相较BAPP、SRA和CMATA分别提高11.20、11.53和7.03个百分点，同时吞吐量分别提高13.98%、23.45%和13.53%。其访问成功率分别提高37.50%、40.11%和16.39%，访问失败率分别降低46.77%、46.77%和50.92%，时延分别降低50.19%、49.62%和38.52%。此外，PI-Chain使平均误分类率分别降低11.20、11.53和7.03个百分点。这些改进表明PI-Chain为药品供应链管理提供更可靠、高效和安全的通信。统计验证进一步证明观测到的性能改进具有一致性，计算开销和可扩展性分析表明PI-Chain适用于更大网络配置。然而，该评估基于仿真，并使用CIC-IoMT 2024作为面向IoMT（Internet of Medical Things, IoMT）的攻击源而非专用药品供应链数据集；因此，仍需在真实PSCM环境中进一步验证。

该文由Mala B A与M V Sudhamani提出隐私–完整性链（Privacy–Integrity Chain, PI-Chain），面向基于IoT（Internet of Things, IoT）的药品供应链管理（Pharmaceutical Supply Chain Management, PSCM）。研究背景在于PSCM涵盖制造、分销、仓储、药房和医院等端到端流程，对药品质量、冷链完整性和患者安全至关重要；但传统集中式系统审计性弱、透明度低，易受操纵和网络攻击。现有区块链PSCM框架主要存在三类相互关联的限制：敏感药品数据隐私保护不足、缺乏自适应信任机制以识别恶意或故障节点、重载共识与链上存储导致资源受限边缘节点计算和存储开销高。仅解决其中一项不足以支撑实时IoT使能PSCM，因此该研究将隐私保护聚合、基于信任的节点过滤、轻量共识和链下存储联合设计，以在保持可追溯元数据的同时降低验证与存储负担。研究意义在于为PSCM提供隐私、完整性、信任、效率与可扩展性集成处理流程，但评估仍为仿真，需真实PSCM环境验证。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用IoT感知与边缘聚合架构，在边缘层计算直接信任、间接信任与历史信任，并通过指数平均更新和阈值S_o^u(x,y)筛选节点；采用高斯扰动进行隐私保护聚合，并以方差N=∥z_k^m?z^{^}_k^m∥²进行异常检测；将信任声誉、异常信息和Nash均衡（Nash equilibrium）结合形成轻量共识，并以IPFS（InterPlanetary File System）链下存储聚合数据、区块链保存哈希、时间戳和信任分数。样本与仿真来源为CIC-IoMT 2024数据集作为IoMT导向攻击源，平台为SIMITS与IoTSim-Osmosis，节点规模25–200、攻击率10%–40%、20次独立运行。

研究结果如下。4.1 仿真设置与参数：通过20次独立运行、节点规模25–200、对抗流量10%–40%、5 MB区块和100 transaction/s等一致配置，比较PI-Chain与SRA、BAPP、CMATA，结论是差异可归因于安全与共识机制而非仿真条件。4.2 攻击对手模型：使用CIC-IoMT 2024提供DoS（Denial of Service）、DDoS（Distributed Denial of Service）、spoofing、MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）攻击和reconnaissance等攻击模式，并随机化攻击启动时间，结论是PI-Chain在高攻击负载下仍保持较高吞吐、较低时延、较低误分类和较高检测。4.3 安全性分析：通过信任节点评估、隐私扰动与链下存储、方差异常检测和Nash均衡共识构成多层防御，针对可用性、节点真实性、MQTT注入和侦察等威胁，结论是恶意信息须先通过信任与异常筛选才能影响验证记录，同时保持轻量运行。4.4 基线模型选择：选择SRA、BAPP、CMATA分别代表安全弹性敏捷、区块链授权隐私和多属性信任评估，结论是三者互补且可用于公平评估检测、时延和可信数据验证。4.5 攻击分类性能：在不同恶意节点比例下，PI-Chain在10%恶意节点时检测率为97%，BAPP、SRA、CMATA分别为91.2%、88.0%、92.5%；40%攻击强度时PI-Chain为91%，基线为75.0%、77.4%、81.4%；平均检测率提高11.20、11.53、7.03个百分点，平均误分类率同幅降低，结论是信任驱动决策与自适应分类增强高攻击密度韧性。4.6 吞吐性能：节点规模增大时PI-Chain平均吞吐较BAPP、SRA、CMATA提高13.98%、23.45%、13.53%，对三基线总体约16.99%，结论是轻量验证和信任过滤减少重传与冗余验证。4.7 访问失败性能：PI-Chain较BAPP、SRA、CMATA分别降低约46.77%、46.77%、50.92%，总体约48.15%，结论是信任准入筛查减少不可靠节点重复参与。4.8 访问成功性能：PI-Chain较BAPP、SRA、CMATA分别提高37.50%、40.11%、16.39%，总体约31.33%，结论是合法PSCM实体更易参与安全数据交换。4.9 平均时延：PI-Chain时延为0.18–0.49 s，BAPP为0.35–0.98 s、SRA为0.45–0.89 s、CMATA为0.23–0.83 s；平均0.331 s对0.665、0.658、0.539 s，分别降低50.19%、49.62%、38.52%，总体约46.11%，结论是提前过滤不可靠节点降低昂贵验证与共识开销。4.10 消融研究：完整PI-Chain在检测率94.6%、误分类5.4%、吞吐13.17 Mbps、访问失败11.2%、访问成功88.8%、时延0.36 s上优于去掉信任过滤、隐私聚合或Nash共识的变体；去掉信任过滤使误分类和访问失败升高，去掉隐私聚合使时延升高并增加推理风险，去掉Nash共识使访问失败和时延升高，结论是性能增益来自信任、隐私和自适应共识的协同集成。4.11 统计严谨性、可扩展性与计算开销分析：采用20次运行和双侧Wilcoxon符号秩检验，吞吐、访问失败、访问成功和时延比较的p=0.0078，检测与误分类的配置级p=0.1250，故后两者不声称5%水平显著；PI-Chain复杂度为O(N)，基线为O(N²)或O(NlogN)，平均处理时间148 ms/block，低于SRA的245、BAPP的221、CMATA的213 ms/block，结论是PI-Chain在统计支持的部分指标和近线性扩展上具备优势。4.12 讨论：PI-Chain在检测、吞吐、访问成功、访问失败和时延上均优于基线，平均检测率94.00%，但当前框架未显式优化药品物流、区块链运行或资源供给的经济成本，未来将研究成本感知优化。

讨论部分总结：讨论强调PI-Chain相较BAPP、SRA、CMATA在各指标上持续占优，平均检测率94.00%，吞吐总体提高16.99%，访问成功总体提高31.33%，访问失败总体降低48.15%，时延总体降低46.11%；这些收益来自验证前信任过滤、隐私感知聚合和选择性共识参与，适用于安全、可扩展和实时PSCM，但经济成本优化不在当前范围。

研究结论部分翻译：为在IoT环境中保障药品供应链管理安全，本研究提出信任驱动且隐私感知的区块链框架PI-Chain。结果证明PI-Chain攻击检测率为91%–97%，高于BAPP的75%–91.2%、SRA的77.4%–88%和CMATA的81.4%–92.5%，同时误分类率约为3%–9%。吞吐量方面，PI-Chain为9.53–15.90 Mbps，优于BAPP的8.21–14.10 Mbps、SRA的7.50–13.10 Mbps和CMATA的8.50–13.90 Mbps；在所评估节点规模上，PI-Chain平均吞吐较BAPP、SRA、CMATA分别提高13.98%、23.45%、13.53%。访问成功显著增加，最高达632次成功传输，而BAPP、SRA、CMATA分别为451、401、493次；访问失败降至8–80次，低于所有基线。平均而言，PI-Chain访问成功较BAPP、SRA、CMATA分别提高37.50%、40.11%、16.39%，访问失败分别降低46.77%、46.77%、50.92%。时延最小化为0.18–0.49 s，而BAPP为0.35–0.98 s、SRA为0.45–0.89 s、CMATA为0.23–0.83 s；平均时延较三者分别降低50.19%、49.62%、38.52%。这些结果确认PI-Chain具有更优效率与可靠性；即使网络更大、环境更具敌意，PI-Chain仍提高攻击检测精度并降低通信时延和访问失败，隐私保护聚合、信任声誉过滤和自适应共识支持稳定数据验证与恶意节点早期隔离，20次统计评估支持吞吐、访问性能和时延改进的一致性。PI-Chain主要优势为轻量信任感知验证、隐私保护数据处理、较低计算开销、较高通信效率以及随节点规模和攻击强度增加仍保持性能。局限在于CIC-IoMT 2024作为IoMT导向攻击源而非专用药品供应链数据集，且评估为仿真而非真实药品供应链物理部署，因此真实部署、更广数据集和更多运行条件仍需验证。未来研究将结合云分析与IoT设备构建稳健且可负担的PSCM框架，并借鉴fuzzy robust flexible programming与neutrosophic hesitant fuzzy方法研究药品运输、逆向物流、废物管理、能耗和需求波动中的不确定性感知、可持续和多目标优化，同时强调实时可扩展性、能效运行和部署可行性。