張學(xué)典，林至锽

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200082）

0 引言

當(dāng)前，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）架構(gòu)所使用的服務(wù)器/客戶端模式（Client-Server model，C/S）已逐漸難以適應(yīng)當(dāng)今日益繁雜的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，其中心化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在安全性方面也面臨很大挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N以安全性著稱的分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將區(qū)塊鏈應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，能夠推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成本，并改善物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的安全狀況［1］。然而，典型的區(qū)塊鏈技術(shù)也存在工作效率低、耗費(fèi)計(jì)算資源多的缺點(diǎn)，使得區(qū)塊鏈技術(shù)不能良好地契合物聯(lián)網(wǎng)的需求［2］。因此，基于在效率和計(jì)算資源利用率上作出優(yōu)化的區(qū)塊鏈技術(shù)，提出一種更適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)，將有利于推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

近年來(lái)已有許多學(xué)者針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)研究。如葉小榕等［3］將區(qū)塊鏈和區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)與二維碼、RFID 及近場(chǎng)無(wú)線通信等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)鏈場(chǎng)景下的信息自動(dòng)化錄入；Huh等［4］將以太坊作為平臺(tái)，搭建一套不僅可使網(wǎng)內(nèi)設(shè)備輕松地與其他設(shè)備同步，而且使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)獲得抵御DDoS 攻擊能力的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；肖程琳等［5］基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的食品信息溯源系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)與共識(shí)機(jī)制，保證了信息的不可篡改性并實(shí)現(xiàn)了信息共享；Thakur 等［6］介紹一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)在印度已被應(yīng)用于土地檔案管理。

上述幾類系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈中，雖然該方式既保證了系統(tǒng)的安全性與隱私性，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的冗余存儲(chǔ)，但是并未實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)取用的控制，數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)是公開(kāi)的。因此，有學(xué)者進(jìn)一步引入了“交易”的概念，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，并通過(guò)“數(shù)據(jù)交易”實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的控制。如盛念祖等［7］借助區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化及數(shù)據(jù)取用的交易化；葛琳等［8］搭建一套由數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈與交易區(qū)塊鏈組合而成的雙區(qū)塊鏈方案，保障了數(shù)據(jù)安全與信息交互安全。這兩類系統(tǒng)所描述的系統(tǒng)模型中都設(shè)置了承擔(dān)交易審核工作的節(jié)點(diǎn)，資產(chǎn)化后的數(shù)據(jù)交易需圍繞該交易審核節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作，從而在一定程度上降低了系統(tǒng)的去中心化程度。

為實(shí)現(xiàn)更徹底的去中心化，Dorri 等［9-10］設(shè)計(jì)一種具有傳感設(shè)備、覆蓋網(wǎng)絡(luò)與云存儲(chǔ)3 層結(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并引入分布式信任方法降低物聯(lián)網(wǎng)事務(wù)的處理時(shí)延。其還設(shè)計(jì)了另一種系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為若干由個(gè)別高資源節(jié)點(diǎn)統(tǒng)領(lǐng)的區(qū)域，并將區(qū)塊鏈中的礦工角色賦予給這些高資源節(jié)點(diǎn)。Misra 等［11］將網(wǎng)絡(luò)分為由高資源節(jié)點(diǎn)統(tǒng)領(lǐng)的若干較小區(qū)域，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可接受異構(gòu)的邊緣節(jié)點(diǎn)與邊緣網(wǎng)絡(luò)，并使得邊緣節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中具有可移動(dòng)性。

本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)在已有研究的基礎(chǔ)上作出了幾點(diǎn)改進(jìn)。首先，不再對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行資產(chǎn)化處理。在智能家居、智慧城市等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)并沒(méi)有進(jìn)行資產(chǎn)化交易的需求，使用資產(chǎn)化與交易化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)控制方案，不僅會(huì)阻礙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)償?shù)臄?shù)據(jù)交換，而且會(huì)額外增加區(qū)塊鏈系統(tǒng)的復(fù)雜度。其次，系統(tǒng)使用隨機(jī)PoC 機(jī)制作為共識(shí)機(jī)制，這種共識(shí)機(jī)制是基于PoC 機(jī)制與隨機(jī)投票方法提出的。由于不再需要維護(hù)貨幣系統(tǒng)，系統(tǒng)得以使用PoC 機(jī)制進(jìn)行計(jì)算資源損耗較少的記賬權(quán)選舉，并使用隨機(jī)投票方法增加記賬權(quán)分配的隨機(jī)性。最后，應(yīng)用該架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上具有較高靈活性。系統(tǒng)將被分割為若干覆蓋范圍較小的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中具備較多網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)點(diǎn)將參與整體區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，而區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)并不影響整體區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 背景知識(shí)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、非對(duì)稱加密、散列函數(shù)等元素的具有高度安全性的去中心化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。區(qū)塊鏈也可被看作一種具有不可篡改性的去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)［12-13］。共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。

1.1.1 不可篡改性

區(qū)塊鏈通過(guò)哈希算法和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了其所記錄內(nèi)容的不可篡改性。

哈希函數(shù)可將數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)由隨機(jī)字母和數(shù)字組成的定長(zhǎng)的字符串，一個(gè)好的哈希函數(shù)幾乎不會(huì)出現(xiàn)散列沖突。由哈希函數(shù)計(jì)算出來(lái)的散列值具有不可逆的特性，因此哈希函數(shù)常被應(yīng)用于密文存儲(chǔ)與驗(yàn)證中，也可用于數(shù)據(jù)真?zhèn)涡则?yàn)證［14］。

在以比特幣為代表的區(qū)塊鏈應(yīng)用中，交易記錄以Merkle 樹(shù)的形式組合在一起形成區(qū)塊。Merkle 樹(shù)又稱哈希樹(shù)，是一種具有防偽能力、基于哈希函數(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步地，區(qū)塊鏈中的后繼區(qū)塊會(huì)記錄前序區(qū)塊的哈希值，形成前后區(qū)塊的鏈接［13］。Merkle 樹(shù)與區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于對(duì)哈希函數(shù)的應(yīng)用，如果區(qū)塊鏈中記錄的任何信息發(fā)生了篡改，區(qū)塊鏈會(huì)從與該條數(shù)據(jù)所在區(qū)塊處斷開(kāi)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)基于被篡改的區(qū)塊鏈嘗試制作新區(qū)塊時(shí)，新區(qū)塊顯然不會(huì)在其他節(jié)點(diǎn)處通過(guò)核驗(yàn)，因此區(qū)塊鏈文件及其所記錄的內(nèi)容難以被篡改。

1.1.2 去中心化

去中心化是區(qū)塊鏈技術(shù)的基本特征。在基于區(qū)塊鏈搭建的系統(tǒng)中，既不存在通信上的中心節(jié)點(diǎn)，也不存在存儲(chǔ)上的中心節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間是平等的。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，消息以廣播形式實(shí)現(xiàn)傳遞，記錄在消息中的數(shù)據(jù)會(huì)在各節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行完整地記錄與保存。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、存儲(chǔ)與傳輸通過(guò)共識(shí)機(jī)制完成。共識(shí)機(jī)制是一種可在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立信任的機(jī)制，這種機(jī)制不需要中心節(jié)點(diǎn)的存在［14］。

Fig.1 Merkle tree and chain structure of blockchain圖1 Merkle樹(shù)和區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

這種通訊與存儲(chǔ)上的冗余也使區(qū)塊鏈應(yīng)用具有較高安全性?；谌ブ行幕木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，區(qū)塊鏈應(yīng)用消除了通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的依賴，系統(tǒng)不會(huì)因中心節(jié)點(diǎn)損壞而崩潰。同時(shí)，去中心化的存儲(chǔ)方式也使得其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)獲得了以節(jié)點(diǎn)數(shù)量為倍數(shù)的冗余。

1.1.3 共識(shí)機(jī)制

記賬權(quán)即區(qū)塊鏈技術(shù)中記錄新區(qū)塊的權(quán)力，由得到記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)制作的新區(qū)塊將被所有其他節(jié)點(diǎn)認(rèn)可，記賬權(quán)的分配規(guī)則直接決定了區(qū)塊鏈的應(yīng)用性能［15-16］。共識(shí)機(jī)制是指區(qū)塊鏈技術(shù)中用于在所有參與者之間分配記賬權(quán)的機(jī)制，其在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算結(jié)果，所有節(jié)點(diǎn)都認(rèn)可這一結(jié)果。共識(shí)機(jī)制的工作邏輯決定了基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的應(yīng)用的工作效率。PoW 機(jī)制與PoS 機(jī)制是兩種典型的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制，而PoC 機(jī)制是一種基于貢獻(xiàn)值分配記賬權(quán)的共識(shí)機(jī)制［17］。

（1）基于工作量證明的共識(shí)機(jī)制（Proof of Work，PoW）。PoW 機(jī)制基于工作量證明進(jìn)行記賬權(quán)分配，該機(jī)制為所有參與記錄權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)難以解答而又易于驗(yàn)證的難題，首先得到題解的節(jié)點(diǎn)在公布答案并得到其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過(guò)后，獲得所有節(jié)點(diǎn)公認(rèn)的新區(qū)塊記錄權(quán)。比特幣使用PoW 機(jī)制作為分配新區(qū)塊記錄權(quán)的方式，所有參與比特幣記賬權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)都需要尋找一個(gè)值，該值哈希結(jié)果的前n 位必須為零。n 值記錄在最后一個(gè)區(qū)塊頭的Nonce 參數(shù)中，Nonce 值會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而使區(qū)塊鏈更新時(shí)間在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)浮動(dòng)。

哈希函數(shù)的結(jié)果具有高度隨機(jī)性，因此參與新區(qū)塊記錄權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)們只能通過(guò)枚舉法求得難題的解。PoW機(jī)制使所有競(jìng)爭(zhēng)的參與者都需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，因此基于PoW 機(jī)制搭建的區(qū)塊鏈應(yīng)用十分耗費(fèi)計(jì)算資源。作為回報(bào)，區(qū)塊鏈應(yīng)用會(huì)給予新區(qū)塊記錄權(quán)的獲得者一定的虛擬貨幣作為獎(jiǎng)勵(lì)，以鼓勵(lì)所有節(jié)點(diǎn)積極參與競(jìng)爭(zhēng)。

（2）基于權(quán)益證明的共識(shí)機(jī)制（Proof of Stake，PoS）。PoS 將記賬權(quán)分配給在該系統(tǒng)中具備最高權(quán)益的節(jié)點(diǎn)。PoS 機(jī)制認(rèn)為，被分配到記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)在該系統(tǒng)內(nèi)都具有較高權(quán)益，其更傾向于維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定而非破壞它。PoS機(jī)制中的權(quán)益值是指在一定時(shí)間周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)獲得的虛擬貨幣數(shù)量與貨幣持有時(shí)間乘積的累加和，即：

所有參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)在新區(qū)塊生成周期內(nèi)計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的權(quán)益值，當(dāng)其得知自己是已知的最高權(quán)益值節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)自行生成新區(qū)塊，并將自己的信息記錄在區(qū)塊頭中供他人核驗(yàn)。生成新區(qū)塊后，記錄權(quán)獲得者的權(quán)益值會(huì)被清空，并獲得一定的虛擬貨幣作為回饋。

PoS 機(jī)制規(guī)避了PoW 機(jī)制對(duì)計(jì)算資源的較高需求，縮短了區(qū)塊鏈更新周期，大大提升了區(qū)塊鏈應(yīng)用的工作效率。

（3）基于貢獻(xiàn)度證明的共識(shí)機(jī)制（Proof of Contribution，PoC）。在使用PoC 機(jī)制的區(qū)塊鏈應(yīng)用中，新區(qū)塊的記錄權(quán)將分配給系統(tǒng)中具有最高貢獻(xiàn)度的節(jié)點(diǎn)，這與使用PoS 機(jī)制搭建的區(qū)塊鏈應(yīng)用類似。PoC 機(jī)制要求系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)記錄了所有節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)度的數(shù)據(jù)庫(kù)，每當(dāng)推選新的區(qū)塊記錄者時(shí)，節(jié)點(diǎn)們都會(huì)查閱數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄，具有最高貢獻(xiàn)度的節(jié)點(diǎn)會(huì)自行生成新區(qū)塊，其他節(jié)點(diǎn)則等待指定節(jié)點(diǎn)制作的新區(qū)塊。節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)度以節(jié)點(diǎn)在維護(hù)系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，不同的區(qū)塊鏈應(yīng)用可設(shè)計(jì)適合其使用環(huán)境的不同計(jì)算方式。使用PoC 機(jī)制搭建的區(qū)塊鏈應(yīng)用可適用于知識(shí)產(chǎn)權(quán)記錄、供應(yīng)鏈維護(hù)等環(huán)境，在這類應(yīng)用環(huán)境中，區(qū)塊鏈文件記錄的數(shù)據(jù)難以使用虛擬貨幣等標(biāo)的物進(jìn)行定價(jià)與交易。

但是PoC 機(jī)制也具有明顯缺點(diǎn)，在使用PoC 機(jī)制搭建的區(qū)塊鏈應(yīng)用中，新區(qū)塊記錄權(quán)分配與各節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)值緊密耦合，意味著下一個(gè)區(qū)塊記錄權(quán)的分配情況是確定的，且對(duì)所有區(qū)塊鏈應(yīng)用的參與者都可知。攻擊者可輕易獲知新區(qū)塊記錄權(quán)分配情況，從而破壞系統(tǒng)穩(wěn)定。

1.2 隨機(jī)投票方法

隨機(jī)投票方法可利用哈希函數(shù)散列結(jié)果的隨機(jī)性，在分布式網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點(diǎn)之間求得一個(gè)統(tǒng)一的隨機(jī)結(jié)果。區(qū)塊鏈技術(shù)中利用哈希函數(shù)散列結(jié)果的隨機(jī)性，使用隨機(jī)投票方法搭建一種共識(shí)機(jī)制。這種共識(shí)機(jī)制要求所有參與區(qū)塊鏈維護(hù)的節(jié)點(diǎn)在分配記賬權(quán)階段自行制作區(qū)塊并廣播，所有節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊后，使用隨機(jī)投票方法選擇其中一個(gè)區(qū)塊作為新區(qū)塊，所有節(jié)點(diǎn)可得到一致的隨機(jī)投票結(jié)果。隨機(jī)投票具體步驟如下：①節(jié)點(diǎn)自行制作區(qū)塊，并在系統(tǒng)中廣播；②節(jié)點(diǎn)對(duì)所有收到的區(qū)塊進(jìn)行哈希計(jì)算，并對(duì)散列結(jié)果進(jìn)行記錄；③計(jì)算所有散列值的字符串距離，求得與散列值字符串距離最近的區(qū)塊；④統(tǒng)計(jì)兩個(gè)距離最近的散列值與其他散列值各自距離的總和，總和較小者即為所求結(jié)果。

2 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

如圖2 所示，該系統(tǒng)具有3 層結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)層、上鏈層和使用層。系統(tǒng)內(nèi)有3 種節(jié)點(diǎn)，分別是數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、上鏈節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)使用者。其中，位于數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)們被劃分為若干個(gè)覆蓋范圍較小的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)都包含一個(gè)上鏈節(jié)點(diǎn)。相較于數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，上鏈節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備較強(qiáng)的計(jì)算能力與較多存儲(chǔ)資源，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可在區(qū)塊鏈參與者節(jié)點(diǎn)處得到匯總。來(lái)自不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的上鏈節(jié)點(diǎn)組成上鏈層，上鏈層會(huì)在共識(shí)機(jī)制作用下，把從區(qū)塊鏈參與者節(jié)點(diǎn)處收集來(lái)的信息以區(qū)塊鏈文件形式匯聚起來(lái)。使用層由數(shù)據(jù)使用者們構(gòu)成，數(shù)據(jù)使用者會(huì)閱讀區(qū)塊鏈文件，從中得知系統(tǒng)中當(dāng)前存在的數(shù)據(jù)類型，并據(jù)此向上鏈層發(fā)出數(shù)據(jù)申請(qǐng)。在通過(guò)申請(qǐng)并獲得數(shù)據(jù)后，這些節(jié)點(diǎn)還應(yīng)向上鏈層反饋對(duì)所獲得數(shù)據(jù)的評(píng)分。

Fig.2 System architecture model of Internet of Things based on blockchain圖2 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架模型

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)組成，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算與存儲(chǔ)資源要求不高，其工作是負(fù)責(zé)收集或生成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并參與上鏈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總工作。上鏈節(jié)點(diǎn)需要具備一定的計(jì)算與存儲(chǔ)資源。數(shù)據(jù)層圍繞若干上鏈節(jié)點(diǎn)，被劃分為若干個(gè)覆蓋區(qū)域較小的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在上鏈節(jié)點(diǎn)處匯總，匯總的數(shù)據(jù)被用于維護(hù)區(qū)塊鏈文件。區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不一定是物理空間概念上的，一些節(jié)點(diǎn)可同時(shí)扮演上鏈節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的角色。

在數(shù)據(jù)層中，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組織方式及工作模式不影響系統(tǒng)整體性能，只需保證數(shù)據(jù)可在上鏈節(jié)點(diǎn)處匯總即可。上鏈節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)收集到的匯總數(shù)據(jù)制作摘要，摘要將被上鏈節(jié)點(diǎn)廣播到上鏈層中，并最終記錄在區(qū)塊鏈文件里。

2.2 上鏈層

上鏈層由上鏈節(jié)點(diǎn)組成，該層通過(guò)共識(shí)機(jī)制將上鏈節(jié)點(diǎn)發(fā)布的數(shù)據(jù)摘要組合成區(qū)塊文件，并以此更新與維護(hù)區(qū)塊鏈文件。區(qū)塊鏈文件會(huì)被數(shù)據(jù)使用者視作系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)目錄，并據(jù)此向上鏈層申請(qǐng)數(shù)據(jù)。在獲得指定的數(shù)據(jù)后，上鏈層還會(huì)收到來(lái)自數(shù)據(jù)使用者的數(shù)據(jù)評(píng)分，這些評(píng)分也將參與上鏈節(jié)點(diǎn)們根據(jù)共識(shí)機(jī)制更新與維護(hù)區(qū)塊鏈的過(guò)程。

為記錄使用層反饋的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，區(qū)塊使用含有雙Merkle 樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具體形式如圖3 所示。在具有雙Merkle 樹(shù)結(jié)構(gòu)的區(qū)塊中，第一棵Merkle 樹(shù)用于記錄區(qū)塊鏈參與者在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布的數(shù)據(jù)摘要，第二棵Merkle 樹(shù)用于記錄數(shù)據(jù)使用者在網(wǎng)絡(luò)中反饋的數(shù)據(jù)評(píng)分。

本架構(gòu)使用將PoC 機(jī)制與隨機(jī)投票方法相結(jié)合的隨機(jī)PoC 機(jī)制。相較于PoW 機(jī)制、PoS 機(jī)制與PoC 機(jī)制，隨機(jī)PoC 機(jī)制既降低了區(qū)塊鏈文件的工作周期與資源負(fù)擔(dān)，又無(wú)需使用資產(chǎn)化及交易化的手段處理與交付數(shù)據(jù)，還降低了PoC 機(jī)制中記賬權(quán)分配的確定性。

Fig.3 Block data structure圖3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在本架構(gòu)使用的區(qū)塊結(jié)構(gòu)中，第二棵Merkle 樹(shù)記錄了針對(duì)所有上鏈節(jié)點(diǎn)的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，這些評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)將被視作各個(gè)上鏈節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)值。將所有節(jié)點(diǎn)依照貢獻(xiàn)值遞減排序，貢獻(xiàn)值排名前1/3 的節(jié)點(diǎn)將被視作候選者。所有節(jié)點(diǎn)將基于隨機(jī)PoC 機(jī)制對(duì)候選者進(jìn)行隨機(jī)投票，分配記賬權(quán)。隨機(jī)PoC 機(jī)制具體步驟如下：

步驟1：節(jié)點(diǎn)自行制作區(qū)塊，并在系統(tǒng)中廣播。

步驟2：節(jié)點(diǎn)對(duì)所有收到的區(qū)塊都進(jìn)行哈希計(jì)算，并對(duì)散列結(jié)果進(jìn)行記錄。

步驟3：將所有節(jié)點(diǎn)依照貢獻(xiàn)值進(jìn)行遞減排序，排名前1/3 的節(jié)點(diǎn)被記錄為候選者。

步驟4：統(tǒng)計(jì)所有候選者制作區(qū)塊的散列值與其他非候選者制作區(qū)塊散列值的字符串距離之和，統(tǒng)計(jì)結(jié)果最小的候選者得到記賬權(quán)，當(dāng)選候選者的貢獻(xiàn)值被清空。

隨機(jī)PoC 機(jī)制會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值情況選擇不同工作方式。由于系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)評(píng)分的進(jìn)度不一，系統(tǒng)可被識(shí)別為3 種狀態(tài)：①系統(tǒng)內(nèi)幾乎不存在已被評(píng)分的節(jié)點(diǎn)（數(shù)量少于節(jié)點(diǎn)總數(shù)的1/3）；②系統(tǒng)內(nèi)僅部分節(jié)點(diǎn)獲得了評(píng)分（數(shù)量介于節(jié)點(diǎn)總數(shù)的1/3～2/3）；③系統(tǒng)內(nèi)幾乎全部節(jié)點(diǎn)都已獲得了評(píng)分（數(shù)量大于2/3）。

當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)1 時(shí)，系統(tǒng)將使用隨機(jī)投票的方式分配記賬權(quán)；當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)2 時(shí)，系統(tǒng)在已獲得評(píng)分的上鏈節(jié)點(diǎn)之間使用隨機(jī)投票方式分配記賬權(quán)；當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)3 時(shí)，系統(tǒng)在所有節(jié)點(diǎn)之間使用隨機(jī)PoC 機(jī)制分配記賬權(quán)。

此外，上鏈層還需要負(fù)責(zé)接收由使用層的數(shù)據(jù)使用者發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)申請(qǐng)和數(shù)據(jù)評(píng)分，并作出反應(yīng)。

當(dāng)上鏈節(jié)點(diǎn)收到由數(shù)據(jù)使用者直接發(fā)送或其他上鏈節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)申請(qǐng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)該操作進(jìn)行記錄，并檢索申請(qǐng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的歷史操作。假如申請(qǐng)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在歷史上未曾拖欠數(shù)據(jù)評(píng)分，則向其他上鏈節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該申請(qǐng)，否則丟棄該申請(qǐng)。當(dāng)指定數(shù)據(jù)的所有者收到數(shù)據(jù)申請(qǐng)，會(huì)在申請(qǐng)者歷史操作記錄核驗(yàn)通過(guò)后，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、簽名并整理打包，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播。數(shù)據(jù)申請(qǐng)者可在廣播信報(bào)中捕獲信報(bào)，再通過(guò)私鑰解密讀取。

當(dāng)上鏈節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自數(shù)據(jù)使用者直接發(fā)送或其他上鏈節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)評(píng)分時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)該操作進(jìn)行記錄，然后檢索并返回?cái)?shù)據(jù)評(píng)分節(jié)點(diǎn)的歷史操作。假如返回?cái)?shù)據(jù)評(píng)分的節(jié)點(diǎn)有拖欠的數(shù)據(jù)評(píng)分，則為其補(bǔ)充數(shù)據(jù)評(píng)分記錄并保存，數(shù)據(jù)評(píng)分將最終保存在區(qū)塊文件中。

2.3 使用層

使用層處于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的最外圍，該層由數(shù)據(jù)使用者組成。數(shù)據(jù)使用者在上鏈節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)中常駐，但不直接參與區(qū)塊鏈文件維護(hù)與更新。數(shù)據(jù)使用者自行閱讀區(qū)塊鏈文件中記錄的數(shù)據(jù)摘要，并根據(jù)自己的需求向上鏈層廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求。在收到從上鏈層返回的需求數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)使用者應(yīng)盡快向上鏈層反饋針對(duì)該筆數(shù)據(jù)的評(píng)分。數(shù)據(jù)評(píng)分機(jī)制由數(shù)據(jù)使用者依照主要規(guī)則自行制定。

數(shù)據(jù)請(qǐng)求：由于區(qū)塊鏈文件并不記錄數(shù)據(jù)生成者的網(wǎng)絡(luò)地址，因此數(shù)據(jù)使用者必須在上鏈層網(wǎng)絡(luò)中廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求，使數(shù)據(jù)請(qǐng)求流程對(duì)所有上鏈節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)使用者都是公開(kāi)的。發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，數(shù)據(jù)使用者等待需求數(shù)據(jù)的返回。

評(píng)分反饋：在物聯(lián)網(wǎng)或其他使用環(huán)境中，不僅是網(wǎng)絡(luò)攻擊，數(shù)據(jù)采集方本地的物理?xiàng)l件異常也可能致使交付的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤，這類情況是難以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)的。該架構(gòu)調(diào)動(dòng)數(shù)據(jù)使用者主動(dòng)對(duì)其使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)分，以幫助維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)作。

對(duì)于基本可確定無(wú)誤的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者對(duì)其數(shù)據(jù)評(píng)分為1 分；對(duì)于基本可判斷為有誤的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者對(duì)其數(shù)據(jù)評(píng)分為-1 分；對(duì)于沒(méi)有能力進(jìn)行正誤判斷的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者對(duì)其數(shù)據(jù)評(píng)分為0分。

與數(shù)據(jù)申請(qǐng)同理，數(shù)據(jù)評(píng)分也會(huì)在上鏈層中進(jìn)行廣播，使數(shù)據(jù)評(píng)分結(jié)果對(duì)所有上鏈節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)使用者都是公開(kāi)的。發(fā)送數(shù)據(jù)評(píng)分后，數(shù)據(jù)的使用流程結(jié)束。

使用層向上鏈層發(fā)起數(shù)據(jù)交互流程如圖4所示。

2.4 區(qū)塊鏈文件維護(hù)與更新

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)交付方法由數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化交易方法被取代為“先申請(qǐng)、后交付、再評(píng)價(jià)”的方法，因此系統(tǒng)不再需要維護(hù)一套用于支撐虛擬貨幣支付體系的子系統(tǒng)。由于擺脫了交易體系的限制，系統(tǒng)降低了復(fù)雜度，可根據(jù)具體使用環(huán)境自由地設(shè)定區(qū)塊鏈文件更新周期。

Fig.4 Process of data interaction from the user-layer to the chainlayer圖4 使用層向上鏈層發(fā)起數(shù)據(jù)交互流程

在一個(gè)區(qū)塊鏈文件維護(hù)與更新周期中，上鏈節(jié)點(diǎn)們的交互如圖5所示。

Fig.5 Information interaction of the nodes of chain-layer in a cycle圖5 上鏈節(jié)點(diǎn)們?cè)谝粋€(gè)周期內(nèi)的信息交互

3 安全性分析

3.1 通信安全性

在本文論述的系統(tǒng)框架下，上鏈節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)摘要的上傳、數(shù)據(jù)使用者對(duì)數(shù)據(jù)的申請(qǐng)與評(píng)價(jià)以及區(qū)塊鏈參與者對(duì)被申請(qǐng)數(shù)據(jù)的傳輸都是在對(duì)信息進(jìn)行非對(duì)稱加密后進(jìn)行的，因此攻擊者無(wú)法在不掌握具體私鑰的情況下獲取信息詳情。同時(shí)，所有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)都保存在上鏈節(jié)點(diǎn)本地，即便節(jié)點(diǎn)受到攻擊，攻擊者也僅能掌握有限的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響有限。另外，本文論述的系統(tǒng)框架提出了一種可供數(shù)據(jù)使用者向上鏈層反饋評(píng)分的機(jī)制，假如攻擊者因劫持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，系統(tǒng)也可通過(guò)數(shù)據(jù)使用者的數(shù)據(jù)評(píng)分發(fā)現(xiàn)異常情況。

3.2 訪問(wèn)控制

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的流動(dòng)進(jìn)行有效控制有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)使用的安全管理。在本文論述的系統(tǒng)框架下，數(shù)據(jù)流動(dòng)需要由數(shù)據(jù)使用者發(fā)起，經(jīng)由所有上鏈節(jié)點(diǎn)審核后再公開(kāi)地返回?cái)?shù)據(jù)使用者。在該機(jī)制下，系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)使用的控制，而且使系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的任何數(shù)據(jù)讀取操作都具有不可否認(rèn)性。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的控制，系統(tǒng)進(jìn)一步提高了安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在已有研究基礎(chǔ)上，引入PoC 機(jī)制與隨機(jī)投票方法，使基于該共識(shí)機(jī)制搭建的區(qū)塊鏈應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了去貨幣化，在該區(qū)塊鏈應(yīng)用上進(jìn)行的數(shù)據(jù)交互也具備了去交易化特征。隨著區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加普遍，在諸如智能家居、智慧城市等領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的去貨幣化、去交易化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架必將得到更廣泛的應(yīng)用。此外，本文搭建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架還賦予了區(qū)域覆蓋網(wǎng)絡(luò)極高的自由度，這意味著該框架具備可無(wú)限細(xì)分的可能性：區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可依照本文提出的框架搭建一套子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)又可搭建一套相似的子子系統(tǒng)……基于可能具備的無(wú)限細(xì)分特性，本文提出的系統(tǒng)框架可適用于如智能家居集群、智慧城市集群等覆蓋范圍更大、具備分形特征的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

另外，本文提出的系統(tǒng)框架使用了周期確定的區(qū)塊更新方式和“申請(qǐng)—交付—評(píng)價(jià)”的數(shù)據(jù)交付方式，該框架的使用性能無(wú)法通過(guò)成塊速率測(cè)試、單位時(shí)間吞吐量測(cè)試等方式進(jìn)行定量分析。因此，嘗試尋找合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方式在后續(xù)研究中是十分必要的。