宋晴晴，徐 輝，楊冬蕾，佟 寧

（大連交通大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為21 世紀(jì)的新興戰(zhàn)略，是互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)延伸，也是互聯(lián)網(wǎng)之后一場(chǎng)更大的技術(shù)革命。物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景在于結(jié)合工業(yè)場(chǎng)景，這二者的結(jié)合也被稱為工業(yè)4.0［1］。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)互通互聯(lián)程度的進(jìn)一步加深，其雖然給生產(chǎn)和制造業(yè)帶來(lái)了更多機(jī)會(huì)，但也為各種類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊創(chuàng)造了環(huán)境。因此，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層所采集的特殊數(shù)據(jù)進(jìn)行身份認(rèn)證，以高效、安全地維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)安全。機(jī)構(gòu)和組織聯(lián)合會(huì)在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中集體記錄其物聯(lián)網(wǎng)身份和運(yùn)營(yíng)信息，同時(shí)將這些信息提供給聯(lián)合會(huì)所有成員是一種保障物聯(lián)網(wǎng)安全的有效手段。本文設(shè)計(jì)了由聯(lián)盟鏈主體、低層設(shè)備節(jié)點(diǎn)及高層設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成的聯(lián)盟鏈。低層設(shè)備節(jié)點(diǎn)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，高層設(shè)備節(jié)點(diǎn)為機(jī)構(gòu)或組織所代表的節(jié)點(diǎn)。聯(lián)盟鏈對(duì)這些節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行去中心化存儲(chǔ)，并對(duì)身份認(rèn)證結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，每個(gè)組織利用智能合約認(rèn)證物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用功能。聯(lián)盟鏈有義務(wù)管理物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向多個(gè)組織申請(qǐng)加入聯(lián)盟鏈，以完成初始化。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須在聯(lián)盟鏈中完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備注冊(cè)，上傳節(jié)點(diǎn)信息，并在再次申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)向聯(lián)盟鏈提交身份信息。第二次加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要向構(gòu)建好的聯(lián)盟鏈提交主要認(rèn)證信息，高層節(jié)點(diǎn)需要接受該請(qǐng)求，之后創(chuàng)建錢(qián)包。低層設(shè)備節(jié)點(diǎn)同時(shí)將需認(rèn)證設(shè)備與已認(rèn)證設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以方便后續(xù)操作。

1 研究背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，從零散的設(shè)備接入到萬(wàn)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)社會(huì)溝通范圍、模式、渠道和效率的全方位改變。然而，物聯(lián)網(wǎng)在給人們工作、生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也引發(fā)了一系列新的技術(shù)和社會(huì)問(wèn)題［2］。無(wú)處不在的連接將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證極其重要［3］。近年來(lái)，身份認(rèn)證技術(shù)解決了物聯(lián)網(wǎng)的部分安全問(wèn)題，為保障物聯(lián)網(wǎng)安全提供了一個(gè)有效思路。基于生物識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證策略相比傳統(tǒng)的身份鑒別技術(shù)具有安全性高、存在唯一性特征等優(yōu)點(diǎn)，但該方法無(wú)法進(jìn)行M2M 身份驗(yàn)證，不適用于普遍的工業(yè)環(huán)境；Li等［4-5］提出一種將生物信息與密碼相結(jié)合的雙因素識(shí)別方法；Deebak等［6］提出將智能卡與生物信息結(jié)合進(jìn)行認(rèn)證，但該方法需要某些特殊硬件來(lái)達(dá)到識(shí)別認(rèn)證目的；Beltran 等［7］提出一種基于令牌的聯(lián)合身份認(rèn)證方法，以解決在物聯(lián)網(wǎng)某些場(chǎng)景中低功耗設(shè)備的能量限制問(wèn)題。

以上研究成果均基于傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方法，其所具備的中心化結(jié)構(gòu)很難滿足如今的物聯(lián)網(wǎng)體系。而區(qū)塊鏈作為一個(gè)去中心化技術(shù)，其具有的不可篡改、可追溯、公開(kāi)透明等特性可作為網(wǎng)絡(luò)安全的一個(gè)保障。Bartolomeu 等［8］提出基于物聯(lián)網(wǎng)的自我主權(quán)身份（SSI）技術(shù)，該技術(shù)以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)提供去中心化身份標(biāo)識(shí)符（DID），以此構(gòu)建一個(gè)無(wú)需集中信任的模型；Yu 等［9］提出一種基于區(qū)塊鏈的智能工業(yè)應(yīng)用選擇性撤銷(xiāo)匿名身份驗(yàn)證方法，以解決智能工業(yè)環(huán)境中的憑證撤銷(xiāo)問(wèn)題；Shen 等［10］提出一種區(qū)塊鏈輔助安全設(shè)備認(rèn)證機(jī)制BASA，以解決不同域之間設(shè)備的認(rèn)證問(wèn)題；Zhang 等［11］構(gòu)建一個(gè)大規(guī)模異構(gòu)WSNs 協(xié)作身份驗(yàn)證協(xié)議，以確保物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)來(lái)源的可靠性；Wang 等［12］設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)作驗(yàn)證協(xié)議，包括一個(gè)內(nèi)存效率高且快速的驗(yàn)證人定位器、一個(gè)評(píng)估設(shè)備可信度的信任模型，以及一個(gè)用于動(dòng)態(tài)更新和撤銷(xiāo)驗(yàn)證的協(xié)議套件，以高效地驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

以上方法雖然在某種程度上解決了物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的可信性問(wèn)題，但是基于集中式的身份認(rèn)證方法存在若服務(wù)端遭受攻擊將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法使用的問(wèn)題，基于區(qū)塊鏈的身份認(rèn)證方法存在適用范圍受限的問(wèn)題。由于聯(lián)盟鏈大多基于多個(gè)組織或機(jī)構(gòu)集體背書(shū)產(chǎn)生的信用，因此可很大程度上提高傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的效率與成本優(yōu)勢(shì)。因此，本文提出基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份認(rèn)證方法，很好地解決了多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互不信任的問(wèn)題，對(duì)推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大范圍安全應(yīng)用具有重要意義。

2 相關(guān)技術(shù)概述

2.1 聯(lián)盟鏈

聯(lián)盟鏈?zhǔn)菐讉€(gè)私有鏈的集合，是由幾個(gè)機(jī)構(gòu)控制的區(qū)塊鏈，每個(gè)組織或機(jī)構(gòu)控制一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)［13］。其數(shù)據(jù)只允許系統(tǒng)中的不同機(jī)構(gòu)讀取、寫(xiě)入或傳輸。通常情況下，聯(lián)盟鏈中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的實(shí)體組織，允許其加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)機(jī)構(gòu)組織形成一個(gè)利益相關(guān)者聯(lián)盟，以維護(hù)區(qū)塊鏈安全。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是目前的研究熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、系統(tǒng)和傳感器中，但全球?qū)τ谖锫?lián)網(wǎng)尚沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［14-15］。目前物聯(lián)網(wǎng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)主要分為6 層：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層。

2.3 智能合約

智能合約可被視為區(qū)塊鏈技術(shù)的一大進(jìn)步。在20 世紀(jì)90 年代，智能合約作為一種計(jì)算機(jī)化的交易協(xié)議被提出，其是一種執(zhí)行協(xié)議的合同條款［16］。智能合約中嵌入的合同條款將在滿足特定條件時(shí)自動(dòng)執(zhí)行。智能合約是在區(qū)塊鏈上執(zhí)行的，經(jīng)批準(zhǔn)的合同條款被轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序，合同條款之間的邏輯聯(lián)系也以程序中邏輯流的形式被保留。每個(gè)合同語(yǔ)句的執(zhí)行都被記錄為存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的不可變交易。而且，開(kāi)發(fā)人員可為合同中的每個(gè)功能分配訪問(wèn)權(quán)限，一旦智能合約中的任何條件得到滿足，被觸發(fā)的語(yǔ)句將以可預(yù)測(cè)的方式自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)功能。

3 分布式身份認(rèn)證設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 研究問(wèn)題分析

本文研究目的是在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份認(rèn)證的同時(shí)，將認(rèn)證結(jié)果存儲(chǔ)在聯(lián)盟鏈中。在需要使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，設(shè)備的所有者可將用戶信息，例如用戶名和密碼存儲(chǔ)在服務(wù)器中。該服務(wù)器一般由中心化機(jī)構(gòu)統(tǒng)一代理，一旦當(dāng)用戶或設(shè)備需要登錄時(shí)，可使用該用戶已存儲(chǔ)的信息通過(guò)中心化服務(wù)器進(jìn)行對(duì)比。如果對(duì)比成功，則允許該用戶設(shè)備登錄。本文研究一個(gè)基于聯(lián)盟鏈或產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)的分布式服務(wù)器物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)中不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與聯(lián)盟鏈組織之間進(jìn)行一對(duì)一通信。同時(shí)，這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息是通過(guò)使用公共密鑰的非對(duì)稱加密算法來(lái)識(shí)別的，因?yàn)樵诰唧w通信過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份信息及區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)信息驗(yàn)證的安全過(guò)程需要得到保護(hù)。

3.2 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)區(qū)塊鏈的去中心化特性，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證信息進(jìn)行去中心化存儲(chǔ)，以此降低認(rèn)證過(guò)程的不安全因素。物聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證信息分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)請(qǐng)求被發(fā)送到聯(lián)盟鏈，聯(lián)盟鏈處理發(fā)送來(lái)的信息，共識(shí)根據(jù)算法生成一個(gè)新區(qū)塊。聯(lián)盟鏈利用信息處理模塊對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行處理，同時(shí)將處理結(jié)果發(fā)送給對(duì)外接口層。如果該設(shè)備第一次沒(méi)有請(qǐng)求認(rèn)證，聯(lián)盟鏈則會(huì)由現(xiàn)有數(shù)據(jù)，主要包括本地存儲(chǔ)或之前維護(hù)的數(shù)據(jù)對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

Fig.1 Systematic entirety structure圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備注冊(cè)

聯(lián)盟鏈中最主要的節(jié)點(diǎn)就是低層設(shè)備，也即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備所提供的信息是構(gòu)成此網(wǎng)絡(luò)的核心要素。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)各種通信協(xié)議，如WiFi、4G、Lorea 和NB-ITT 等與聯(lián)盟鏈交換與傳輸信息。在初始化設(shè)備時(shí)，首先需要啟動(dòng)注冊(cè)請(qǐng)求，通過(guò)調(diào)用機(jī)構(gòu)提供的API 將設(shè)備添加到聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中。一旦設(shè)備注冊(cè)完成，聯(lián)盟鏈會(huì)為該設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)錢(qián)包，錢(qián)包的私鑰將被存儲(chǔ)在設(shè)備上。設(shè)備注冊(cè)聯(lián)盟鏈流程如下：①初始化設(shè)備，之后物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向聯(lián)盟鏈發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求；②聯(lián)盟鏈通過(guò)使用設(shè)備請(qǐng)求注冊(cè)的信息，借此得到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備ID 等唯一標(biāo)識(shí)信息；③聯(lián)盟鏈調(diào)用安全控制功能向機(jī)構(gòu)發(fā)出注冊(cè)申請(qǐng)；④如果注冊(cè)成功，機(jī)構(gòu)或組織獲取設(shè)備信息來(lái)獲取相應(yīng)權(quán)限；⑤注冊(cè)成功后，聯(lián)盟鏈會(huì)為該節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)錢(qián)包，之后將私鑰發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。具體流程如圖2所示。

3.4 聯(lián)盟鏈驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備過(guò)程

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份認(rèn)證功能的認(rèn)證過(guò)程主要由4 個(gè)步驟構(gòu)成：首先通過(guò)SHA 256 算法將公鑰轉(zhuǎn)化為自有特殊ID；當(dāng)ID 生成后，物理設(shè)備發(fā)出加入聯(lián)盟鏈的請(qǐng)求；接下來(lái)需要在當(dāng)前區(qū)塊中存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)身份ID 的公鑰，同時(shí)將信息存儲(chǔ)在當(dāng)前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中；最后利用智能合約技術(shù)設(shè)置低層節(jié)點(diǎn)的具體操作過(guò)程與操作權(quán)限。然后，此設(shè)備的用戶可通過(guò)區(qū)塊鏈交易的形式遠(yuǎn)程操作設(shè)備、查詢?cè)O(shè)備信息，或?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)等。

Fig.2 Device registration federated chain process圖2 設(shè)備注冊(cè)聯(lián)盟鏈流程

在安全性方面，為提高整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性，該系統(tǒng)會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作預(yù)先進(jìn)行檢查。為防止惡意或危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤請(qǐng)求，聯(lián)盟鏈在執(zhí)行智能合約之后確定設(shè)備所能夠擁有的功能。聯(lián)盟鏈驗(yàn)證設(shè)備過(guò)程如圖3所示。

Fig.3 Federated chain verification equipment process圖3 聯(lián)盟鏈驗(yàn)證設(shè)備過(guò)程

智能合約執(zhí)行過(guò)程如下：

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

在本研究中，數(shù)據(jù)層的交互信息是測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)信息從互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳時(shí)，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中創(chuàng)建一個(gè)錢(qián)包，因?yàn)閰^(qū)塊鏈記錄的運(yùn)行直接影響到設(shè)備響應(yīng)時(shí)間。如果設(shè)備不及時(shí)向區(qū)塊發(fā)送和確認(rèn)信息，就不可能正確調(diào)查設(shè)備數(shù)據(jù)或用戶操作設(shè)備時(shí)的意圖。因此，在這項(xiàng)研究中需要作進(jìn)一步功能測(cè)試。

在此項(xiàng)研究中，區(qū)塊鏈在每次產(chǎn)生操作信息時(shí)，以及要產(chǎn)生新區(qū)塊即主區(qū)塊時(shí)，都會(huì)在區(qū)塊中記錄這些操作信息。假設(shè)節(jié)點(diǎn)生成了區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊都被認(rèn)為是等價(jià)的。為該流程構(gòu)建具體測(cè)試程序，首先在模擬構(gòu)建的系統(tǒng)中，在所模擬的終端第一次請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，在擁有該設(shè)備的機(jī)構(gòu)確認(rèn)之后，才可以成功加入。一旦組織或機(jī)構(gòu)確定加入，聯(lián)盟鏈則需要為該終端設(shè)備創(chuàng)建錢(qián)包，同時(shí)檢驗(yàn)錢(qián)包是否生成，還需要檢查設(shè)備信息上傳過(guò)程是否成功。信息上傳完成后，該設(shè)備則需要每間隔2min 向聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送身份驗(yàn)證請(qǐng)求。該節(jié)點(diǎn)設(shè)備還需在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中測(cè)試區(qū)塊是否成功生成以及其他具體信息。然后查看所模擬的終端設(shè)備，通過(guò)人為手段更改此設(shè)備信息后，再次每間隔2min 向聯(lián)盟鏈發(fā)送身份認(rèn)證請(qǐng)求，并查看身份認(rèn)證是否通過(guò)。

為該方案設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，檢查物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是否能在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的具體操作。所選4 臺(tái)設(shè)備的基本配置信息分別為：1 臺(tái)CPU 為英特爾i7、GPU 為英偉達(dá)MX50、RAM 為8G 的電腦；2 臺(tái)CPU 為因特爾i5、GPU分別為英特爾Graphics620 與英偉達(dá)MX150、RAM 均為4GB 的電腦；1 臺(tái)CPU 為英特爾八代i5，GPU 為英特爾UHD Graphics620、RAM 為4GB 的電腦。分別從不同設(shè)備生成錢(qián)包所需時(shí)間、區(qū)塊生成時(shí)間以及整體身份認(rèn)證所花費(fèi)時(shí)間來(lái)實(shí)驗(yàn)本方法的可靠性。同時(shí)，為使設(shè)備節(jié)點(diǎn)能夠在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下有效地進(jìn)行身份認(rèn)證，將上述4 臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)模擬成4 個(gè)組織機(jī)構(gòu)，其上安裝Linux 系統(tǒng)，并配置Java PairingBased Cryptography 相關(guān)環(huán)境。使用MATLAB R2020a 模擬此次方案，并使用Hyperledger Fabric 創(chuàng)建大規(guī)模交易，模擬海量請(qǐng)求下的使用場(chǎng)景。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)錢(qián)包創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，聯(lián)盟鏈設(shè)備創(chuàng)建錢(qián)包的過(guò)程與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)建過(guò)程十分相似，都是使用密碼學(xué)相關(guān)技術(shù)為用戶創(chuàng)建錢(qián)包，同時(shí)將私鑰存放在節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)創(chuàng)建的公鑰對(duì)聯(lián)盟鏈組織或機(jī)構(gòu)進(jìn)行廣播。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不同機(jī)構(gòu)或組織生成錢(qián)包的速度如圖4所示。

Fig.4 Speed of wallets generated by different devices圖4 不同設(shè)備生成錢(qián)包的速度

由圖4 可知，生成錢(qián)包的數(shù)量不受設(shè)備因素影響，但隨著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，錢(qián)包生成的速度會(huì)略有提高。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要生成一個(gè)新錢(qián)包時(shí)，會(huì)有一個(gè)新區(qū)塊來(lái)存儲(chǔ)具體交易信息。錢(qián)包生成速度會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的增加緩慢提高，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)交易信息區(qū)塊的增長(zhǎng)。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證方案會(huì)伴隨著新區(qū)塊的產(chǎn)生，同時(shí)區(qū)塊中還可存儲(chǔ)具體信息操作過(guò)程。根據(jù)區(qū)塊生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，本文還研究了創(chuàng)建區(qū)塊所需時(shí)間，并比較了在4 個(gè)不同物理平臺(tái)上更快地創(chuàng)建新字段所需時(shí)間。4 臺(tái)設(shè)備生成區(qū)塊所需時(shí)間如圖5所示。

Fig.5 Time required for four devices to generate blocks圖5 4臺(tái)設(shè)備生成區(qū)塊所需時(shí)間

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，4 臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的生成時(shí)間都在一個(gè)適當(dāng)、合理的范圍內(nèi)，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)生成變多，其增長(zhǎng)速度會(huì)變慢。這是由于當(dāng)區(qū)塊數(shù)量相對(duì)較多時(shí)，拜占庭算法的速度較慢，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信很重要，節(jié)點(diǎn)必須協(xié)調(diào)生成新區(qū)塊。

本文的研究重點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將錢(qián)包創(chuàng)建完成后，這些設(shè)備需要加入聯(lián)盟鏈網(wǎng)路，在此過(guò)程中需要設(shè)備身份驗(yàn)證以保證物聯(lián)網(wǎng)安全。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能否成功加入聯(lián)盟鏈，身份認(rèn)證結(jié)果分析如圖6所示。

Fig.6 Analysis of identity authentication results圖6 身份認(rèn)證結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可看到認(rèn)證成功和不成功的所需時(shí)間有所差異。時(shí)間上的差異在于認(rèn)證后的操作，如果認(rèn)證成功，組織會(huì)對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)控制，如果認(rèn)證失敗則不會(huì)進(jìn)行。

5 總結(jié)與展望

本文在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證方案，實(shí)現(xiàn)去中心化的身份認(rèn)證系統(tǒng)以及區(qū)塊與區(qū)塊之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。每個(gè)區(qū)塊除包含區(qū)塊頭的信息外，還包含關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證的交易輸入和交易輸出。一旦記錄在區(qū)塊中，則這些數(shù)據(jù)不可逆。當(dāng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)建成后，通過(guò)對(duì)此平臺(tái)的分析及測(cè)試，使得此平臺(tái)更加符合物聯(lián)網(wǎng)特定場(chǎng)景，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈在安全方面的技術(shù)融合具有重大意義。

使用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)認(rèn)證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全認(rèn)證，對(duì)于保障物聯(lián)網(wǎng)安全具有重要意義。但是，從整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)安全身份認(rèn)證體系來(lái)看，還有很大的發(fā)展空間，很多問(wèn)題需要作進(jìn)一步研究。首先，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)本身，即使是輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)，其處理速度和存儲(chǔ)空間也是有限的，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，區(qū)塊創(chuàng)建數(shù)量的增加給設(shè)備存儲(chǔ)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，設(shè)備在聯(lián)盟鏈中上傳與廣播交易信息的頻繁操作對(duì)設(shè)備的存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力提出了較高要求，難以滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的需求，因此后續(xù)將在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，圍繞大規(guī)模應(yīng)用展開(kāi)研究。其次，在區(qū)塊鏈共識(shí)算法下，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，系統(tǒng)的吞吐量會(huì)成倍增加，無(wú)疑對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高要求。同時(shí)，在區(qū)塊之間不選擇主節(jié)點(diǎn)，而是任何人都可以成為主節(jié)點(diǎn)來(lái)生成區(qū)塊，導(dǎo)致了區(qū)塊生成過(guò)程中聯(lián)盟鏈的性能浪費(fèi)。最后，本文主要關(guān)注區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層的安全，缺乏從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)完整認(rèn)證系統(tǒng)。