中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0193-04

Abstract：In order to improve the access securityof IoTdevices，an access control based onaccesscontrol was proposed.Firstly，an IoTaccess control system was built with multiple IoTdevices，and adouble-layer blockchain network architecture was constructed.Then，the improved Raft algorithm was used to realize the consensus of the nodes of the main cluster，andthe consensus of the nodes of the sub-cluster was realized bythe PBFT algorithm，and he improved Raft-PBFTconsensus mechanism was designed.Finall，the method was simulated by the Hyperledger platform.The results showed thatthe proposed method realized eficient access control for IoTdevice access，and had the characteristics of low total cost，high consensus successrate，low delayand low communication overhead， and can be used for large-scale IoT access control. Compared with Raft，PBFTand theexisting consensus mechanisms，the proposed method has obvious advantages in terms of consensus delayand communication overhead.

Key words：access control；internet of things ；raft algorithm；PBFT algorithm

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量呈幾何式增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天有770萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上。因此，確保物聯(lián)網(wǎng)接入安全至關(guān)重要。近年來(lái)相關(guān)研究人員提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)控制技術(shù)，如蔣偉進(jìn)等以基于屬性的訪問(wèn)控制模型為基礎(chǔ)，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下私有數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模型，并通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中細(xì)粒度和動(dòng)態(tài)性的訪問(wèn)控制進(jìn)行管理，吸納了數(shù)據(jù)的可審計(jì)訪問(wèn)，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接人的安全性[1；曾智勇等通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)下差異設(shè)備的兼容數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種安全訪問(wèn)控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高可控性的安全訪問(wèn)控制，使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入具有較高的動(dòng)態(tài)可控性；田秀霞等認(rèn)為家庭中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并非完全可信，因此為確保使用者數(shù)據(jù)安全，提出一種基于智能合約的訪問(wèn)控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全接人[3]。上述研究表明，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入存在安全問(wèn)題，通過(guò)訪問(wèn)控制技術(shù)，可一定程度上解決該問(wèn)題，但劉奇旭等人認(rèn)為上述策略還遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用需求[4]。為此，研究通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制系統(tǒng)及區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出一種基于訪問(wèn)控制的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入方法，并通過(guò)采用改進(jìn)的Raft算法實(shí)現(xiàn)主集群節(jié)點(diǎn)共識(shí)，采用PBFT算法實(shí)現(xiàn)子集群節(jié)點(diǎn)共識(shí)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)Raft-PBFT共識(shí)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入的高效共識(shí)。

1 基本算法

1.1 Raft算法

Raft算法是一種分布式一致性算法，主要用于分布式系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的管理復(fù)制。Raf算法中包括領(lǐng)導(dǎo)者、跟從者、參與者3種節(jié)點(diǎn)角色[56]。當(dāng)客戶端發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行接收，并添加到日志中，同時(shí)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給跟從者進(jìn)行復(fù)制。跟從者接收到請(qǐng)求后，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行負(fù)責(zé)，并應(yīng)用到本地狀態(tài)機(jī)和領(lǐng)導(dǎo)者。通過(guò)上述過(guò)程，可確保分布式系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)一致。參與者則基于異步遠(yuǎn)程過(guò)程，調(diào)用請(qǐng)求。Raft算法具有響應(yīng)速度快和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但無(wú)法支持拜占庭容錯(cuò)[7-8]。因此，研究通過(guò)引入監(jiān)督節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證消息，對(duì)Raft算法進(jìn)行了改進(jìn)。

當(dāng)客戶端發(fā)送請(qǐng)求后，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求并廣播到各主集群節(jié)點(diǎn)，主集群節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)督節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，并將通過(guò)驗(yàn)證的信息返回到領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)接收到消息后，對(duì)消息進(jìn)行驗(yàn)證，并將通過(guò)驗(yàn)證的消息進(jìn)行打包返回客戶端。

1.2 PBFT算法

PBFT（PracticalByzantineFaultTolerance）算法即拜占庭容錯(cuò)算法，主要用于解決拜占庭容錯(cuò)問(wèn)題。PBFT算法包括視圖、副本、角色3個(gè)核心概念[9-10] 。

當(dāng)客戶端發(fā)出請(qǐng)求消息后，主節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求消息，并將通過(guò)驗(yàn)證的預(yù)準(zhǔn)備消息廣播到副本節(jié)點(diǎn)；副本節(jié)點(diǎn)接收到預(yù)準(zhǔn)備消息后，將通過(guò)驗(yàn)證的準(zhǔn)備消息寫(xiě)入本地日志。此時(shí)，若一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到2倍惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)的準(zhǔn)備消息，則向副節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息。當(dāng)副節(jié)點(diǎn)接收到2倍以上確認(rèn)消息后，將返回為應(yīng)答消息[-1]。當(dāng)應(yīng)答消息超過(guò)2倍以上惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)，則結(jié)束共識(shí)。

2基于改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制

2.1 物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制系統(tǒng)模型與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)模型

為模擬大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，研究采用多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備搭建物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制系統(tǒng)。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向資源設(shè)備發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，若資源設(shè)備具備驗(yàn)證功能，且與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在直達(dá)鏈路，則在驗(yàn)證身份合法后將訪問(wèn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；若資源設(shè)備不具備驗(yàn)證功能或與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間不存在直達(dá)鏈路，則資源設(shè)備將訪問(wèn)請(qǐng)求發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備驗(yàn)證身份合法后，發(fā)送確認(rèn)消息到資源設(shè)備，然后資源設(shè)備將訪問(wèn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[13-14]。然而由于實(shí)際應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能受到攻擊，出現(xiàn)延遲響應(yīng)或惡意響應(yīng)等問(wèn)題，威脅物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的可靠性。因此，研究構(gòu)建了雙層區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

研究構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)高層主集群和多個(gè)子集群。其中，主集群的設(shè)備類型由網(wǎng)關(guān)數(shù)量和主集群數(shù)量確定，當(dāng)網(wǎng)關(guān)數(shù)量小于子集群數(shù)量，則確定主集群節(jié)點(diǎn)含有網(wǎng)關(guān)設(shè)備和具有計(jì)算能力的資源設(shè)備，反之，則認(rèn)為所有主集群節(jié)點(diǎn)全部為網(wǎng)關(guān)設(shè)備[15-6] 。

2.2基于改進(jìn)Raft-PBFT的共識(shí)機(jī)制

基于上述構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制模型和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制，可將物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制分為主集群共識(shí)階段和子集群共識(shí)階段2個(gè)部分。結(jié)合文中提出的改進(jìn)Raft算法和PBFT算法，研究將物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制思路設(shè)計(jì)為：主集群采用改進(jìn)Raft算法達(dá)成共識(shí)，子集群采用PBFT算法達(dá)成共識(shí)，并提出一種改進(jìn)Raft-PBFT共識(shí)機(jī)制。

2.2.1 主集群共識(shí)

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要請(qǐng)求時(shí)，首先將請(qǐng)求消息發(fā)送到領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求信息廣播到主集群節(jié)點(diǎn)和監(jiān)督節(jié)點(diǎn)中。各節(jié)點(diǎn)接收到廣播的請(qǐng)求消息后，對(duì)請(qǐng)求消息進(jìn)行驗(yàn)證，并將通過(guò)驗(yàn)證的請(qǐng)求消息發(fā)送到監(jiān)督節(jié)點(diǎn)和領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，丟棄未通過(guò)驗(yàn)證的請(qǐng)求消息。監(jiān)督節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求消息后，若收到超過(guò) （K+1）/2 個(gè)合法驗(yàn)證，K為集群數(shù)，則打包準(zhǔn)備請(qǐng)求消息并發(fā)送到副本節(jié)點(diǎn)，反之則丟棄請(qǐng)求消息。至此，主集群共識(shí)階段完成[17]

2.2.2 子集群共識(shí)

子集群主節(jié)點(diǎn)向其子節(jié)點(diǎn)廣播預(yù)準(zhǔn)備消息，子集群子節(jié)點(diǎn)接收到預(yù)準(zhǔn)備消息后，將驗(yàn)證通過(guò)預(yù)準(zhǔn)備消息廣播為準(zhǔn)備消息并發(fā)送到各子集群子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)丟棄未通過(guò)驗(yàn)證的預(yù)準(zhǔn)備消息。當(dāng)子集群子節(jié)點(diǎn)收到準(zhǔn)備消息后，若收到超過(guò)子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)2/3個(gè)合法驗(yàn)證，則將通過(guò)驗(yàn)證的準(zhǔn)備消息廣播為確認(rèn)消息并發(fā)送各子集群子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)丟棄未通過(guò)驗(yàn)證的準(zhǔn)備消息。當(dāng)子集群子節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)消息后，若收到超過(guò)子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)2/3個(gè)合法驗(yàn)證，則將通過(guò)驗(yàn)證的確認(rèn)消息作為回復(fù)消息，發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，丟棄未通過(guò)驗(yàn)證的確認(rèn)消息[18]。至此，子集群共識(shí)階段完成。

2.2.3 視圖切換階段

考慮到子集群子節(jié)點(diǎn)可能受到攻擊，導(dǎo)致無(wú)法完成共識(shí)。因此，研究以拜占庭攻擊為例，設(shè)計(jì)了視圖切換階段。視圖轉(zhuǎn)換階段中，當(dāng)子集群主節(jié)點(diǎn)受到攻擊，將通過(guò)子集群輪詢方式重新選擇主節(jié)點(diǎn)。子集群子節(jié)點(diǎn)接收視圖切換消息后，將通過(guò)驗(yàn)證的消息回復(fù)到所選擇的主節(jié)點(diǎn)，并丟棄未通過(guò)驗(yàn)證的消息。主節(jié)點(diǎn)若接收到超過(guò)2倍的子集群可容錯(cuò)拜占庭錯(cuò)誤數(shù)的視圖切換消息，且視圖切換消息通過(guò)了合法驗(yàn)證，則將新視圖消息廣播到子集群節(jié)點(diǎn)，并更新主節(jié)點(diǎn)[19]。至此，視圖切換階段完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)基于開(kāi)源超級(jí)賬本搭建大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并在Ubuntu18.04操作系統(tǒng)上進(jìn)行仿真。系統(tǒng)配置Intel（R）Core（TM）i9-9900中央處理器，256GB磁盤空間。

3.2 參數(shù)設(shè)置

仿真試驗(yàn)中，設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)量小于5Mbits，發(fā)送功率為0.2W，鏈路帶寬、噪聲功率譜密度、調(diào)制階數(shù)分別為 1MHz 、-178 dBm、16。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 總成本分析

改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制的總成本與集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)相關(guān)。為分析所提共識(shí)機(jī)制的總成本，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下的總成本，結(jié)果如圖2所示。

由圖6可知，不同集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)的總成本不同，在子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的條件下，隨著集群數(shù)的增加，總成本逐漸降低；在集群數(shù)相同的條件下，隨著子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，總成本逐漸增加。

3.3.2 成功率分析

基于總成本分析結(jié)果，試驗(yàn)選取集群數(shù)為20和30時(shí)，對(duì)所提共識(shí)機(jī)制的共識(shí)成功率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)概率的增加，所提共識(shí)機(jī)制的共識(shí)成功率逐漸降低；相同節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)概率條件下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)概率小于 20% 時(shí)，集群數(shù)越多，共識(shí)成功率越大；當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)概率大于 20% 時(shí)，集群數(shù)越多，共識(shí)成功率越小。

3.3.3 時(shí)延分析

基于改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制的時(shí)延性能與集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)密切相關(guān)。因此，為分析所提共識(shí)機(jī)制的時(shí)延性能，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下所提共識(shí)機(jī)制的共識(shí)時(shí)延，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，相同集群數(shù)條件下，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，所提共識(shí)機(jī)制的共識(shí)時(shí)延逐漸增加；相同節(jié)點(diǎn)數(shù)下，隨著集群數(shù)的增加，所提共識(shí)機(jī)制的共識(shí)時(shí)延降低。究其原因，所提共識(shí)機(jī)制在子集群共識(shí)階段可并發(fā)完成共識(shí)，而不依賴其他子集群，故集群數(shù)越多，共識(shí)時(shí)延越小。

3.3.4通信開(kāi)銷分析

為分析所提基于改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制的通信開(kāi)銷，考慮到集群數(shù)和子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)共識(shí)機(jī)制通信開(kāi)銷具有一定影響，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同集群數(shù)和不同子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下所提算法的通信開(kāi)銷，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，相同集群數(shù)條件下，隨著子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，所提共識(shí)機(jī)制的通信開(kāi)銷逐漸增大；相同子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下，集群數(shù)越大，通信開(kāi)銷越小。分析其原因是，集群數(shù)的增加降低了子集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷，進(jìn)而使所提共識(shí)機(jī)制的通信開(kāi)銷減小。

3.3.5 共識(shí)機(jī)制對(duì)比

通過(guò)上述分析可知，所提基于改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制，具有總成本低、共識(shí)成功率高、時(shí)延低和通信開(kāi)銷低的特點(diǎn)，可用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制。為進(jìn)一步檢驗(yàn)所提共識(shí)機(jī)制的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了所提共識(shí)機(jī)制與目前物聯(lián)網(wǎng)常用的訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制，在集群數(shù)為20條件下的時(shí)延和通信開(kāi)銷，結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可知，在不同子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下，相較于Raft、PBFT共識(shí)機(jī)制和文獻(xiàn)［19]提出的共識(shí)機(jī)制，所提改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制的共識(shí)時(shí)延最低。分析其原因是，所提共識(shí)機(jī)制通過(guò)限制子集群的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并在子集群中進(jìn)行并發(fā)共識(shí)，降低了共識(shí)時(shí)延。由圖6（b）可知，在不同子集群節(jié)點(diǎn)數(shù)下，所提改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制的通信開(kāi)銷與文獻(xiàn)［19]提出的共識(shí)機(jī)制通信開(kāi)銷接近，相較于PBFT共識(shí)機(jī)制，通信開(kāi)銷明顯更大。整體來(lái)看，相較于PBFT共識(shí)機(jī)制和文獻(xiàn)［19]提出的共識(shí)機(jī)制，所提改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制更適用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)控制。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，研究通過(guò)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并采用改進(jìn)Raft算法達(dá)成主集群節(jié)點(diǎn)共識(shí)，采用PBFT算法達(dá)成子集群節(jié)點(diǎn)共識(shí)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)Raft-PBFT的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制共識(shí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入的高效訪問(wèn)控制。該方法具有總成本低、共識(shí)成功率高、時(shí)延低和通信開(kāi)銷低的特點(diǎn)，可用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制。相較于Raft、PBFT以及現(xiàn)有共識(shí)機(jī)制，所提方法在共識(shí)時(shí)延和通信開(kāi)銷方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：蘇帆）