吳宏杰

（甘肅宏天亞達電子技術有限公司，甘肅蘭州）

將區(qū)塊鏈技術應用到數(shù)據(jù)共享中，可以使數(shù)據(jù)在采集、存儲、傳遞、使用等環(huán)節(jié)中得到安全保障。進入5G 時代，構建基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享，成為整合數(shù)據(jù)資源、挖掘數(shù)據(jù)價值的必要前提。但是受到區(qū)塊鏈交易機制、驗證速度等方面的限制，存在交易處理速度慢、可擴展性差等問題，難以滿足5G 物聯(lián)網(wǎng)下大數(shù)據(jù)的傳遞和處理需求。基于此，許多學者提出了改進方案，例如側鏈技術、分片技術等，從實際應用效果來看確實能夠提升交易效率，但是安全性差。相比之下，閃電網(wǎng)絡方案通過建立鏈外交易通道，兼顧了安全與效率，成為更適合5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的優(yōu)化方案。

1 基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享框架的搭建

1.1 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構

將若干個區(qū)塊按照時間的先后順序串聯(lián)起來，得到的鏈式結構即為區(qū)塊鏈。在區(qū)塊鏈中，每一個獨立的區(qū)塊都是由區(qū)塊頭、區(qū)塊體2 部分組成，前者又包含了版本號、哈希值、時間戳等元素，后者則包含了詳細的交易信息。為提高數(shù)據(jù)信息的安全性與完整性，采用Merkle 證明機制[1]。區(qū)塊鏈的結構如圖1 所示。

圖1 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構

現(xiàn)階段常用的區(qū)塊鏈有公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈3種基本類型。其中，聯(lián)盟鏈采用分布式一致性算法（如PBFE、Paxo 等），數(shù)據(jù)運算能力可以達到10 000 次/s，廣泛應用于物流、金融等領域。本文提出的數(shù)據(jù)共享技術以聯(lián)盟鏈作為底層區(qū)塊鏈。

1.2 數(shù)據(jù)共享框架的搭建

基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享框架由2 個服務器和2 個數(shù)據(jù)節(jié)點組成，整體架構如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)共享框架

（1） 數(shù)據(jù)提供節(jié)點包含了多種可以采集數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設備，包括智能手機、智能手環(huán)以及支持智能駕駛的汽車等。該節(jié)點可以實時獲取智能設備上的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)共享的方式將數(shù)據(jù)信息上傳至區(qū)塊鏈服務器。

（2） 任何有數(shù)據(jù)使用需求的對象，都可以部署數(shù)據(jù)需求節(jié)點，例如智能駕駛汽車、智慧建筑等。該節(jié)點獲取數(shù)據(jù)包含兩個必要的步驟，其一是發(fā)起請求，其二是支出共享幣，然后獲得相應的數(shù)據(jù)。

（3） 區(qū)塊鏈服務器由3 個服務器組成，賬戶服務器主要用于發(fā)行共享幣，同時實時更新物聯(lián)網(wǎng)各個節(jié)點的賬戶余額信息；交易服務器主要用于接收和相應來自各個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)共享申請，并為數(shù)據(jù)需求節(jié)點提供數(shù)據(jù)；共識服務器負責維護區(qū)塊鏈賬本的一致性。

（4） 云服務器用于存儲數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，采用對稱密鑰對數(shù)據(jù)進行加密處理，將數(shù)據(jù)以密文形式保存在云端。在數(shù)據(jù)需求節(jié)點請求訪問數(shù)據(jù)時，需要驗證授權令牌，驗證不通過則禁止訪問，從而保證數(shù)據(jù)安全；驗證通過后，使用對稱密鑰進行解密，將密文變成明文，并發(fā)送給相應的數(shù)據(jù)需求節(jié)點[2]。

2 基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享流程

基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)需要經(jīng)過系統(tǒng)初始化、更新節(jié)點狀態(tài)、數(shù)據(jù)交易等步驟實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，具體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)共享流程

2.1 系統(tǒng)初始化

所有參與數(shù)據(jù)共享的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，必須提前完成注冊成為合法節(jié)點，從源頭上保證數(shù)據(jù)的來源可靠、內(nèi)容真實。注冊后可以取得證書、公私鑰對和錢包地址，并生成包含由節(jié)點身份、證書、公私鑰對、錢包地址4 個核心因素構成的映射列表，將該列表存儲到賬戶服務器中。

2.2 更新節(jié)點狀態(tài)

為提高響應速度，在每次進行數(shù)據(jù)交易前區(qū)塊鏈服務者會獲取節(jié)點當前的狀態(tài)信息，同時根據(jù)數(shù)據(jù)使用要求判斷當前節(jié)點的屬性，即屬于數(shù)據(jù)提供節(jié)點還是數(shù)據(jù)需求節(jié)點，并更新節(jié)點狀態(tài)。

2.3 申請數(shù)據(jù)共享

當物聯(lián)網(wǎng)中的某個節(jié)點有數(shù)據(jù)需求時，首先向交易服務器發(fā)出一個申請，該申請信息中至少要包含5個要素，分別是證書、公鑰、錢包地址、數(shù)據(jù)需求、地理位置。請求得到響應后，檢索滿足要求的數(shù)據(jù)，尋找匹配的節(jié)點。匹配成功后，準備進行數(shù)據(jù)交易。

2.4 數(shù)據(jù)交易

在交易前數(shù)據(jù)已經(jīng)準備完畢，只需要數(shù)據(jù)需求節(jié)點支付相應數(shù)量的共享幣，即可將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.5 構建區(qū)塊

已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)交易并不能直接上鏈，而是暫存在交易池中。此時系統(tǒng)會驗證錢包內(nèi)是否存入共享幣，如果未存入或者存入數(shù)額不夠，則數(shù)據(jù)交易中止；驗證通過后，數(shù)據(jù)允許打包上鏈。區(qū)塊的構建過程如圖4 所示。

圖4 區(qū)塊的構建過程

2.6 數(shù)據(jù)訪問

數(shù)據(jù)需求節(jié)點將授權令牌發(fā)送給云服務器，云服務器會驗證令牌簽名，如果驗證不通過則拒絕數(shù)據(jù)訪問請求；如果驗證通過則按照數(shù)據(jù)需求節(jié)點地址，掀起發(fā)送儲存在云服務器的加密數(shù)據(jù)。這樣就能避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中被第三方竊取，從而維護了數(shù)據(jù)的隱私和安全。數(shù)據(jù)需求節(jié)點在成功接收數(shù)據(jù)后，使用與數(shù)據(jù)提供節(jié)點配對的私鑰進行解密，得到相應的明文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需求寫點利用明文數(shù)據(jù)的哈希值與原來加密數(shù)據(jù)的哈希值做對比，兩者一致則說明該數(shù)據(jù)完整[3]。

3 基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易機制

3.1 閃電網(wǎng)絡的多通道擴展方法

閃電網(wǎng)絡（Lightning Network）最早是應用于比特幣系統(tǒng)的一種支付通道，其特點是在現(xiàn)有的區(qū)塊鏈以外建立起獨立的交易通道，從而達到降低交易延時的效果[4]。為了進一步增強閃電網(wǎng)絡的交易效率，可采取多通道拓展方法，其原理如圖5 所示。

圖5 閃電網(wǎng)絡多通道擴展示意

如圖5 所示，假設在用戶Bob 和Carol 之間、Alice和Bob 之間均建立了支付通道。要想在Alice 和Carol之間完成交易，可以讓Bob 作為本次交易的中間人，先由Alice 轉賬給Bob，然后再由Bob 轉賬給Carol。在基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)中，Bob 相當于一個路由節(jié)點。為了確保Bob 能夠在規(guī)定時間內(nèi)轉賬給Carol，引入了一個哈希時間鎖定合約機制。作為交易的對象，Carol 會挑選隨機密文并通過運算得到其哈希值（Hash），然后將該值交給交易的另一方Alice。此時，Alice 會構建一筆加鎖的轉賬與Bob 建立交易，Bob 需要從Carol 那里拿到密文才能解鎖，如果在規(guī)定時間內(nèi)未能解鎖，這筆錢將會退回到Alice 的賬戶。通過上述方式保障了Alice 與Carol 之間的交易能夠安全完成。

3.2 基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易流程

從實際情況來看，基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場景下，用戶之間采用“點對點”的數(shù)據(jù)共享模式；同時，絕大多數(shù)用戶之間的交易屬于小額交易，并且對實時提現(xiàn)的需求度并不高?；谝陨咸攸c，本文提出了一種基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易方案。其核心思想是利用序列到期可撤銷合約（RSMC）和哈希時間鎖定合約（HTLC）完成鏈下交易[5]。

RSMC 可以看作是在任意兩個或多個數(shù)據(jù)共享節(jié)點之間構建微支付通道。交易雙方提前在該通道內(nèi)存入一部分資金，正式交易后共同核驗資金分配方案，在確認信息無誤后確認電子簽名，然后完成交易；在提取資金時，將蓋有電子簽名的資金分配方案寫入?yún)^(qū)塊鏈中并進行確認，如果確認不通過則無法提取資金，從而保障用戶資金的安全；在確認通過后，用戶可以順利提現(xiàn)?；赗SMC 的交易過程中，除了提現(xiàn)需要使用到區(qū)塊鏈外，其他的環(huán)節(jié)均不需要上鏈，這樣就能大幅度地減少區(qū)塊鏈的請求次數(shù)。

交易雙方簽署的資金分配方案本質上屬于一種具有時效性的智能合約，即HTLC。一方完成轉賬操作后，轉賬資金并不是直接進入另一方的賬戶，而是被暫時凍結，同時生成唯一的哈希值；在約定期限內(nèi)，接收方提供另一個哈希值，兩者配對完畢后可以將資金解凍，然后轉入到接收方的賬戶中。

基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易模型如圖6 所示。

圖6 基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易模型

基于閃電網(wǎng)絡的鏈下交易流程如下：

（1） 獲取節(jié)點信息。閃電網(wǎng)絡需要從兩種節(jié)點獲取IP 地址、端口號等基本信息。

（2） 創(chuàng)建支付通道。利用步驟（1）中獲取的信息建立支付通道，由于交易在區(qū)塊鏈下完成，從而簡化了交易流程。在創(chuàng)建支付通道時，數(shù)據(jù)需求節(jié)點根據(jù)提供的錢包地址，存入一定數(shù)額的資金，并將資金存儲到資金池中，利用資金池中的一部分資金創(chuàng)建微支付通道。

（3） 完成支付。在閃電網(wǎng)絡的接受測發(fā)起支付申請，數(shù)據(jù)提供節(jié)點根據(jù)該申請產(chǎn)生一個接收單據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)需求節(jié)點。在兩個節(jié)點之間提供一個支付路由，并限定支付時間，在規(guī)定時間內(nèi)完成支付。

（4） 資金提現(xiàn)。數(shù)據(jù)提供節(jié)點將更新后的資金分配方案寫入?yún)^(qū)塊鏈中，在區(qū)塊生效后可以通過數(shù)據(jù)提供節(jié)點提取資金。

結束語

基于區(qū)塊鏈的5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享技術，利用了區(qū)塊鏈支持不可信環(huán)境下多方信任交互的特點，讓陌生節(jié)點之間可以安全、高效地減小“點對點”的信息傳遞，為數(shù)據(jù)共享奠定了扎實的基礎。同時，將閃電網(wǎng)絡機制應用到5G 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，彌補了區(qū)塊鏈交易處理速度慢、可擴展性差等短板，進一步提高了5G物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享技術的實用性。