張鵬瑞

（甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著5G技術的發(fā)展，網(wǎng)絡通信效率得到了大幅度提升，也促進了物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，其最終目標是能夠實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景，即在互聯(lián)網(wǎng)技術的應用基礎上，將各類智能設備進行互聯(lián)，可以實現(xiàn)擺脫時空限制的萬物互聯(lián)互通功能。而隨著接入物聯(lián)網(wǎng)的智能設備數(shù)量越來越多，以往物聯(lián)網(wǎng)所依賴的中心化管理模式也逐漸暴露出一系列安全問題，使物聯(lián)網(wǎng)安全逐漸成為當前的學術研究重點領域。而區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，使物聯(lián)網(wǎng)設備信息泄露與安全風險成為了過去式[1]。深入研究區(qū)塊鏈技術在物聯(lián)網(wǎng)領域中的安全技術應用價值，是推動物聯(lián)網(wǎng)安全私密性發(fā)展的關鍵途徑，也為完善物聯(lián)網(wǎng)安全相關領域發(fā)揮著重要的基礎支持作用。

1 區(qū)塊鏈技術架構分析

區(qū)塊鏈技術屬于一種特殊的數(shù)據(jù)庫技術，這種數(shù)據(jù)庫呈現(xiàn)出分布式特征，同時體現(xiàn)出了去中心化優(yōu)勢，任何人都能夠在該數(shù)據(jù)庫中分享、應用相應的數(shù)據(jù)，而在這其中所有設備都可以被視為一種節(jié)點，使各節(jié)點均能夠提取關鍵、完整的數(shù)據(jù)信息，每個節(jié)點之間存在著一種特殊的競爭計算關系，可以有效維護區(qū)塊鏈正常工作。即便某個節(jié)點出現(xiàn)失效現(xiàn)象，其他節(jié)點并不會產生負面現(xiàn)象，也不會干擾區(qū)塊鏈的運轉，這種技術顯著改變了以往中心化模式所存在的局限性問題，也因此區(qū)塊鏈技術得到了迅速發(fā)展，在構建數(shù)據(jù)支付系統(tǒng)中應用區(qū)塊鏈技術，通過發(fā)揮應有的去中心化優(yōu)勢，可以有效減少交易運營成本，同時在智能合約的影響下，可編程金融-區(qū)塊鏈2.0也因此得以誕生。在智能合約的影響下，區(qū)塊鏈技術的發(fā)展改變了經濟領域的基本形態(tài)，而區(qū)塊鏈技術所具備的去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改等特點逐漸成為了技術優(yōu)勢，其應用范圍也在不斷擴大，改變了萬千行業(yè)與生活領域[2]。

如圖1所示，區(qū)塊鏈基礎架構特征相對比較復雜多樣，應用層的存在可以保證區(qū)塊鏈技術的正常應用與運作。但是在實際工作中發(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈對應用層的應用并不常見。合約層屬于其中的關鍵部分，智能合約可以被看作一種自動運行程序，為區(qū)塊鏈技術實際應用發(fā)揮著重要的程序功能。激勵層中一般具有比較科學的激勵機制，其中含有發(fā)行機制和分配機制，可以保障各個網(wǎng)絡節(jié)點在數(shù)據(jù)安全驗證過程中獲得應有的效益，對促進整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性質量提升具有重要的積極作用。共識層的存在目的是為了保障整個區(qū)塊的規(guī)范性，其中會通過算法機制進行驗證，使各個節(jié)點保持相應的一致性和共同性。區(qū)塊鏈共識機制一般分為三種，即POW機制（按勞所得機制）、POS機制（權益分配機制）、DPOS機制（委任權益證明機制）。一般在網(wǎng)絡層，主要由組網(wǎng)方式、驗證機制、傳播機制等所組成，同時是確保區(qū)塊鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)安全運作與正常工作的關鍵結構層，因此在大多數(shù)情況下，在網(wǎng)絡傳播形式中普遍以廣播機制為主，借助P2P組網(wǎng)方式加強各個節(jié)點之間的信息交互過程。在數(shù)據(jù)層中可以對底層交易數(shù)據(jù)信息進行封裝。

圖1 區(qū)塊鏈的基礎架構內容

2 區(qū)塊鏈中的關鍵技術

2.1 區(qū)塊和鏈

區(qū)塊鏈結構普遍由區(qū)塊與鏈式結構組合而成，可以避免生成新的區(qū)塊，同時還可以避免個別區(qū)塊交易信息產生變更的狀況。而在這其中，可以將區(qū)塊看作屬于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡節(jié)點，可以實現(xiàn)記錄交易記錄的功能，在每個區(qū)塊中均分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體，兩種結構的功能不同。以區(qū)塊頭來講，該結構負責交易信息以外的信息記錄工作，通常情況下會利用Hash Used連接區(qū)塊，區(qū)塊和區(qū)塊之間的連接以鏈式結構為主。另外在時間戳功能作用下，可以針對區(qū)塊的生成進行記錄，并明確相應的產出時間。Merkle根可以針對區(qū)塊內全部交易信息進行歸納與總結，從而產生該區(qū)塊的哈希值，在大多數(shù)情況下，隨著交易狀況的動態(tài)變化，哈希值也會產生相應的調整和改變，而目標數(shù)難度值也會根據(jù)動態(tài)調整規(guī)則進行改變。而在此之間，首位能夠求出正確隨機數(shù)解，在驗證通過后享有區(qū)塊記賬權。區(qū)塊體普遍以對交易信息進行記錄為前提，交易數(shù)據(jù)信息是區(qū)塊鏈任務數(shù)據(jù)信息的重要載體，其中所包含的交易信息類型比較多，比如交易雙方的私鑰、交易數(shù)量、數(shù)字簽名等[3]。

2.2 非對稱加密算法

非對稱加密算法在應用過程中通常以公、私鑰等兩種載體為主要體現(xiàn)形式，將兩種形式結合以實現(xiàn)相應的加密功能，也因此可以體現(xiàn)出應有的唯一性優(yōu)勢。也就是說，每個公鑰均對應相應的私鑰，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密功能，公鑰或私鑰缺少其中一個就無法解密。而在比特幣系統(tǒng)當中，私鑰多以隨機數(shù)為主，隨機數(shù)結果的產生，可以與加密函數(shù)進行結合，并產生公鑰，在哈希函數(shù)幫助下形成比特幣錢包地址，實際流程如圖2所示。

圖2 比特幣錢包地址生成流程

2.3 工作量證明機制（POW）

工作量證明機制在比特幣證明機制中有著較為廣泛的應用，可以通過對各個分散節(jié)點的算例競爭過程，確保相應數(shù)據(jù)體現(xiàn)出應有的共識安全性和一致性特征。而對于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡來講，其中無論是哪一個節(jié)點，區(qū)塊在生成的同時要滿足區(qū)塊鏈寫入條件，需要對SHA256數(shù)學題進行求解，由于這類數(shù)學題難度相對比較大，可以有效保證數(shù)據(jù)安全性，而第一個能夠正確解出答案的節(jié)點，則享受數(shù)據(jù)傳輸權，如果全部節(jié)點中超過51%的節(jié)點驗證通過，新區(qū)塊便可以連接于主鏈并得到相應的認可。所以也正是因為工作量證明機制的存在，既可以有效保障區(qū)塊鏈整體運轉的穩(wěn)定性，也能夠促進區(qū)塊鏈安全性質量得到進一步提升。

2.4 分布式結構

區(qū)塊鏈基礎結構屬于分布式結構，可以使完整的數(shù)據(jù)采取分布式存儲形式保存在各個節(jié)點之中，其優(yōu)勢在于可以避免集中化存儲中存在數(shù)據(jù)泄露、丟失等現(xiàn)象。在節(jié)點的共同記錄當中，還會驗證其他節(jié)點的相關數(shù)據(jù)信息，在驗證超過半數(shù)的情況下，可以將完整正確的數(shù)據(jù)寫入新生成區(qū)塊當中，在保證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性中體現(xiàn)出較強的結構應用優(yōu)勢，改變了以往由于某個節(jié)點的失效而對整個網(wǎng)絡系統(tǒng)帶來負面影響的問題。

2.5 智能合約

在智能合約中，通常響應條件、觸發(fā)規(guī)則、操作規(guī)則等對保障合約簽署的一致性具有重要作用。一般合約內容多以代碼結構進行保存，在滿足觸發(fā)條件的前提下才能夠激活合約，同時執(zhí)行相應的操作命令，實際智能合約運行流程與模型結構如圖3所示。智能合約對區(qū)塊鏈的長遠發(fā)展具有不可替代的重要作用，不僅使區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中大放異彩，同時還可以在農業(yè)領域、電力領域中體現(xiàn)出顯著的應用智能化水平，比如，可以智能化控制場景中的溫度與濕度，可以實現(xiàn)遠程電力抄表等重要功能。

圖3 智能合約運行流程與模型結構

3 物聯(lián)網(wǎng)信息安全防護體系結構

3.1 感知層

感知層屬于物聯(lián)網(wǎng)體系中的基礎層，多涵蓋數(shù)據(jù) 采集、數(shù)據(jù)短距離傳輸?shù)裙ぷ髁鞒?。該層一般需要借助傳感器裝置、圖像視頻捕捉裝置等設備，將物理世界數(shù)據(jù)進行采集，繼而能夠借助二維碼及藍牙、RFID等傳輸技術進行傳遞，而這些傳輸技術普遍存在著隱私安全問題。

3.2 傳輸層

傳輸層多存在于感知層與應用層的中間部位，負責數(shù)據(jù)交互功能。對于物聯(lián)網(wǎng)而言，傳輸層不僅是提供互聯(lián)網(wǎng)功能，同時還需要將感知層的數(shù)據(jù)信息完整、安全傳輸至應用層中，也因此對互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術以及移動通信技術的相互結合提出了更為嚴格的要求。然而在這些技術的結合應用中，傳輸層安全威脅現(xiàn)象越來越明顯，所以在此之間還要能夠結合密碼學技術進行加密傳輸。

3.3 應用層

應用層具有多種多樣的業(yè)務功能，可以使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)廣泛應用于各行業(yè)當中，其主要目的是為了能夠解決信息處理、人機交互等相關問題。所以對于物聯(lián)網(wǎng)的應用而言，其功能主要取決于應用層所提供的業(yè)務功能。在現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)時代，應用層所處理的數(shù)據(jù)信息變得十分煩雜多樣化，不可避免地存在數(shù)據(jù)安全問題，導致物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)受到非法攻擊而引起信息泄露、篡改等一系列風險問題，對物聯(lián)網(wǎng)的長遠發(fā)展具有一定的阻礙作用[4]。

4 區(qū)塊鏈技術在物聯(lián)網(wǎng)信息安全防護領 域的思考與建議

4.1 物聯(lián)網(wǎng)設備鑒權

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中連接物聯(lián)網(wǎng)設備前，還要針對設備進行鑒權，這也是第一個重要環(huán)節(jié)，其目的是為了確定設備身份是否合法。同時還可以在非對稱加密算法、智能合約的應用中，實現(xiàn)對接入設備的鑒權工作，此時物聯(lián)網(wǎng)設備需要在網(wǎng)絡設備節(jié)點的支持下發(fā)送接入、鑒權等請求，完成相應的鑒權與設備接入請求?？梢钥吹?，在區(qū)塊鏈技術應用于設備鑒權環(huán)節(jié)中可以顯著減少鑒權支出成本，全方位促進物聯(lián)網(wǎng)設備安全性質量得到進一步提升，有效保護設備免受非法攻擊。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)設備追蹤

在用戶和物聯(lián)網(wǎng)設備的交互過程中，區(qū)塊鏈技術可以針對交互過程進行記錄，同時能夠產生數(shù)據(jù)賬本，使之成為設備應用的唯一歷史記錄，同時還可以使智能設備獨立代理各類交易活動。以自動販賣機來

（）講，可以在和區(qū)塊鏈的相互連接中追蹤某一用戶在販賣機中的購買記錄，并且對所新交易的物品進行支付，同時在設備追蹤中及時了解設備的實際使用狀況，如果其中存在任何異常狀況則會立即進行響應，對保護設備安全性與穩(wěn)定性具有十分重要的積極作用，還可以有效促進物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡質量的進一步提升[5]。

5 結束語

總而言之，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應用區(qū)塊鏈技術，可以有效保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性質量的進一步提升，其中的去中心化共識機制、智能合約發(fā)揮著重要的安全管理應用作用，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的長效運作與穩(wěn)定發(fā)展而言，具有十分重要的意義。■