陳錦煌 劉志洋

【摘? 要】論文利用區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的共性，結(jié)合區(qū)塊鏈的安全性與信息的真實(shí)性、即時(shí)性，設(shè)計(jì)了一套基于區(qū)塊鏈的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)層提升了數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中傳播的速度，在感知層與區(qū)塊鏈層中保證了用戶節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)的安全與會(huì)話加密，并且提高了用戶節(jié)點(diǎn)之間共識(shí)的可信度。整體而言，該系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)塊鏈的安全性與信息準(zhǔn)確性的保證。

【Abstract】The paper uses the commonalities between the blockchain and the internet of things， combined with the security of the blockchain and the authenticity and immediacy of information， and designs a set of environmental monitoring system based on blockchain. The system improves the speed of data propagation in the blockchain from the network layer， ensures the security and session encryption of user nodes and the system in the perception layer and the blockchain layer， and improves the credibility of the consensus between user nodes . On the whole， the system guarantees the security and information accuracy of the environmental monitoring blockchain to a certain extent.

【關(guān)鍵詞】區(qū)塊鏈;身份認(rèn)證;環(huán)境監(jiān)測(cè);安全共享

【Keywords】blockchain; identity authentication; environmental monitoring; security sharing

【中圖分類號(hào)】TP309.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）07-0082-03

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展的今天，人們對(duì)信息的即時(shí)性、有效性以及準(zhǔn)確性要求不斷提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)革命浪潮的推進(jìn)，環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)信息化建設(shè)的日趨完善，我國(guó)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量要求日益增加——在人們的日常生活中，需要環(huán)境監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)分析得出當(dāng)前或未來(lái)幾天的氣象預(yù)測(cè)，對(duì)于國(guó)家層面而言則需要環(huán)境氣象的大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的重大災(zāi)害或者防范治理環(huán)境污染[1]。對(duì)此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前尤為需要通過(guò)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，為獲得的大量共享數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提供接口，更加準(zhǔn)確有效地滿足人們的日常需求以及防治污染和災(zāi)害。

2 探究目的及意義

本探究是為了解決使用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享時(shí)需要解決的數(shù)據(jù)安全性、有效性及及時(shí)性問(wèn)題而提出的。

區(qū)塊鏈的去中心化和開(kāi)放性質(zhì)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵，其分布式的核算和儲(chǔ)存為大量數(shù)據(jù)的加密、安全驗(yàn)證、儲(chǔ)存和管理提供了有效保證。

因區(qū)塊鏈能夠自動(dòng)驗(yàn)證和交換數(shù)據(jù)的獨(dú)立性質(zhì)與物聯(lián)網(wǎng)相仿，利用區(qū)塊鏈的安全性特性保證區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)來(lái)源安全，從而達(dá)到無(wú)法隨意操控修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的目的，再利用區(qū)塊鏈的匿名性質(zhì)保證各個(gè)用戶共享數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不公開(kāi)驗(yàn)證地進(jìn)行匿名信息傳遞，從而保證用戶的身份安全及設(shè)備安全[2]。區(qū)塊鏈從整個(gè)信息共享的流程中保證了共享人和接收數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的安全，并且對(duì)效率也提供了保證。

3 系統(tǒng)服務(wù)層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)區(qū)塊鏈的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用層為用戶提供管理自己設(shè)備以及數(shù)據(jù)上傳的服務(wù)，待放入自己的個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)之后可以使用數(shù)據(jù)共享功能。在區(qū)塊鏈這一層中，需要達(dá)到區(qū)內(nèi)共識(shí)，建立一個(gè)適合系統(tǒng)的區(qū)內(nèi)共享機(jī)制保證區(qū)塊鏈內(nèi)安全，并且對(duì)用戶進(jìn)行智能合約，保證用戶提供信息的真實(shí)性。在網(wǎng)絡(luò)層主要解決判斷用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈輸入的信息是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并且通過(guò)IP接入保證用戶數(shù)據(jù)的溯源，使用較為安全的通信協(xié)議保證輸入信息的隱匿。在感知層中，在數(shù)據(jù)歸屬區(qū)塊鏈前，首先要保證節(jié)點(diǎn)設(shè)備是被區(qū)塊鏈同意的，然后要對(duì)采集的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行非對(duì)稱加密，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)安全性。

4 層級(jí)機(jī)制分析

本節(jié)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界定使用的優(yōu)化機(jī)制以及安全機(jī)制進(jìn)行解析。

4.1 用戶節(jié)點(diǎn)層

對(duì)于用戶節(jié)點(diǎn)層而言，如何對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行有效的身份認(rèn)證是整個(gè)服務(wù)層次結(jié)構(gòu)的第一道安全機(jī)制，常用方法一般有對(duì)稱密鑰的身份認(rèn)證和公鑰證書的設(shè)備身份認(rèn)證方案[3]。對(duì)稱身份認(rèn)證通過(guò)用戶設(shè)備向系統(tǒng)請(qǐng)求加密的密鑰ks和ki同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性和完整性加密算法加持，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾[匿性。但容易遭受中間人劫持密鑰ks與ki，導(dǎo)致數(shù)據(jù)真實(shí)性與完整性失控。這時(shí)便可以考慮使用公鑰證書的設(shè)備身份認(rèn)證方案。

公鑰證書身份認(rèn)證流程如圖2所示，使用公鑰私鑰的不對(duì)稱加密方法，可以有效防止中間人劫持甚至篡改安全性會(huì)話加密算法因子ks與完整性保護(hù)算法因子ki，從而保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性與完整性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)層

結(jié)合了區(qū)塊鏈技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)層的傳播機(jī)制決定了數(shù)據(jù)的即時(shí)性與動(dòng)態(tài)安全儲(chǔ)存性能[4]?；贕ossip的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)傳播機(jī)制廣泛應(yīng)用，但其遇到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)會(huì)發(fā)生較大的傳播延遲，而使用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)傳播路徑和激勵(lì)（OPPI）相結(jié)合的傳播機(jī)制，可以使得總傳播延遲和產(chǎn)生的通信消息數(shù)大幅度減小[5]。如圖3所示，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中如果通過(guò)Gossip隨機(jī)向鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)則會(huì)造成環(huán)路，從而增加消息的即時(shí)同步時(shí)間，而使用OPPI往最小傳播延遲路徑同步信息，則能夠較好地達(dá)到高即時(shí)性的目的。

4.3 區(qū)塊鏈層

區(qū)塊鏈層通常需要保證記賬節(jié)點(diǎn)足夠多，從而保證賬目數(shù)據(jù)的安全性[6]。但在此過(guò)程中有許多偽裝節(jié)點(diǎn)通過(guò)與其他節(jié)點(diǎn)形成“假共識(shí)”，欺騙節(jié)點(diǎn)從而讀取和篡改數(shù)據(jù)，控制更多節(jié)點(diǎn)，然后控制整個(gè)區(qū)塊鏈。故需要建立相對(duì)安全的共識(shí)機(jī)制，使在區(qū)中的節(jié)點(diǎn)能夠互相認(rèn)識(shí)，拒絕“假共識(shí)”。因此，區(qū)塊鏈層在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中又可以稱為共識(shí)層，只有節(jié)點(diǎn)共識(shí)無(wú)誤，區(qū)才能夠深層次地達(dá)到安全。

常用的共識(shí)機(jī)制有三種：工作量證明機(jī)制（PoW）、權(quán)益證明機(jī)制（PoS）與授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制（DPoS）。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)塊鏈中，如果使用PoS，其可大大縮短節(jié)點(diǎn)之間共識(shí)的時(shí)間，節(jié)約資源，但如果在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行交易，那么持有的共識(shí)資源也隨之消失，轉(zhuǎn)賬的真實(shí)性又難以保證了。

相反的使用DPos，在系統(tǒng)中也可以達(dá)到大大縮減共識(shí)時(shí)間的目的，但其作為國(guó)家層面的區(qū)塊鏈應(yīng)用，如果僅考慮交易，則不能大規(guī)模地解決公益大數(shù)據(jù)分析提供接口的應(yīng)用。

如圖4所示，共識(shí)機(jī)制中加入尋找合理哈希值的共識(shí)工作量條件，如果偽裝節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行工作量共識(shí)，那么其作惡的成本將會(huì)大大增加，得不償失。PoW能夠使得結(jié)果被快速驗(yàn)證，從而使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載量大大提升，但其共識(shí)的周期較長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用了區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)和其與物聯(lián)網(wǎng)的共性，打造了一套環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了一種環(huán)境與氣象監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)共享的解決方案。既從網(wǎng)絡(luò)層對(duì)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制傳播的選擇中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了即時(shí)性的優(yōu)化，又從用戶節(jié)點(diǎn)層與區(qū)塊鏈通訊方式和區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)共識(shí)機(jī)制進(jìn)行了安全性的保證，同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)的完整性與有效性。

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