一種使用區(qū)塊鏈技術(shù)增進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)管理能力的方案

田雪函 沈雪晴 陳新鵬 馮志鵬 葛冰玉 韓璐

（國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司， 北京市 ?100761）

摘要：智能設(shè)備的普及帶動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，而基于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)面臨著數(shù)據(jù)隱私安全問題、中心服務(wù)器單點(diǎn)問題等，無法確保用戶數(shù)據(jù)的安全共享。本文提出一種使用區(qū)塊鏈技術(shù)增進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)管理能力的方案，通過選擇一定數(shù)量的邊緣物聯(lián)代理組成區(qū)塊鏈，將物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)高效融合。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)共享;智能合約

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈[1，2，3]是分散的分類賬，其中包含關(guān)聯(lián)的交易塊。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)庫，方便數(shù)據(jù)的查找與存儲。每個區(qū)塊都包含了兩部分，即區(qū)塊頭和區(qū)塊體。各個區(qū)塊通過父哈希值維持與上一區(qū)塊的關(guān)聯(lián)從而形成鏈狀結(jié)構(gòu)，通過根哈希值快速驗證區(qū)塊體交易集合的完整性。

按照區(qū)塊鏈參與者可將其分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈內(nèi)部信息完全公開。私有鏈內(nèi)部信息不對外公開。聯(lián)盟鏈內(nèi)部信息不對外公開。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)對象結(jié)構(gòu)包含賬戶、區(qū)塊、事務(wù)、合約、實(shí)體和配置。在區(qū)塊、事務(wù)、合約和實(shí)體中存儲區(qū)塊鏈中的核心數(shù)據(jù)，支撐區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2邊緣物聯(lián)代理

邊緣物聯(lián)代理[4，5]將物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與中心化平臺互連，通常部署在感知層，支持各類物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的即時接入、實(shí)時傳輸?shù)刃枨?，?shí)現(xiàn)應(yīng)用場景的區(qū)域自治和邊緣計算。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間共識的形成需要消耗網(wǎng)絡(luò)及存儲資源。

2基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)

本文提出的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)管理模式相比，顯著優(yōu)勢在于去中心化，將監(jiān)控管理的職責(zé)分散到各個節(jié)點(diǎn)。本文提出的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)如圖1所示，該架構(gòu)包括物聯(lián)網(wǎng)終端、輕節(jié)點(diǎn)和共識節(jié)點(diǎn)。

2.1物聯(lián)網(wǎng)終端

物聯(lián)網(wǎng)終端在基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中處在邊緣位置，將傳感網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層相連。在基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，外部數(shù)據(jù)信息可由物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備采集而得，在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換，最后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)“物”與“物”的互聯(lián)互通。

2.2輕節(jié)點(diǎn)

隨著區(qū)塊鏈中交易量的增加，每個節(jié)點(diǎn)需要存儲越來越多的歷史交易數(shù)據(jù)。為避免資源浪費(fèi)，輕節(jié)點(diǎn)概念被提出。

輕節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)區(qū)塊鏈中區(qū)塊頭的信息[6]。相比全節(jié)點(diǎn)，存儲內(nèi)容更加簡單，在節(jié)省計算資源的同時，還可以快速對交易信息進(jìn)行查找驗證。

2.3共識節(jié)點(diǎn)

共識節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)信息涵蓋了區(qū)塊鏈中各個區(qū)塊的信息，是一種全節(jié)點(diǎn)。共識節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈中參與共識進(jìn)行投票，通過尋找物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)信息來驗證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。

3基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)管理方案

區(qū)塊鏈中的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通過無線或有線的方式與網(wǎng)關(guān)連接，以北京數(shù)據(jù)中心云平臺機(jī)房為例，機(jī)房網(wǎng)關(guān)作為區(qū)塊鏈中的一個輕節(jié)點(diǎn)，與物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備相連，監(jiān)聽狀態(tài)變化，通過執(zhí)行發(fā)布智能合約完成一系列智能化操作。

以北京數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫濕度控制為例，每個機(jī)房中都有獨(dú)立的機(jī)房網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，機(jī)房網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A（輕節(jié)點(diǎn)）控制機(jī)房空調(diào)B（物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備）的開關(guān)。

1）發(fā)布智能合約

首先由機(jī)房網(wǎng)關(guān)A發(fā)布合約，并寫入相應(yīng)的權(quán)限驗證策略。該合約可以通過空調(diào)B感知的狀態(tài)來控制空調(diào)B的開關(guān)，通過權(quán)限驗證策略來驗證合約調(diào)用者的身份，滿足條件即可成功調(diào)用。在區(qū)塊鏈中可以查找到已經(jīng)成功發(fā)布的智能合約，在此之后，機(jī)房網(wǎng)關(guān)A將對空調(diào)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)聽，根據(jù)機(jī)房中溫濕度的變化做出一系列智能化操作。例如，當(dāng)機(jī)房中溫度過高時，會控制空調(diào)B打開開關(guān)進(jìn)行降溫。

2）執(zhí)行智能合約

當(dāng)機(jī)房網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A控制空調(diào)的開關(guān)時，節(jié)點(diǎn)A會連接到區(qū)塊鏈中的共識節(jié)點(diǎn)并發(fā)生一筆合約調(diào)用，合約內(nèi)部通過權(quán)限驗證策略驗證請求節(jié)點(diǎn)是否具備該合約函數(shù)的執(zhí)行權(quán)限，驗證通過后執(zhí)行該合約，改變空調(diào)的狀態(tài)。機(jī)房網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到合約中空調(diào)的狀態(tài)發(fā)生了變化后，會控制空調(diào)的開關(guān)。

4結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展受到世界各國的廣泛關(guān)注。同時，物聯(lián)網(wǎng)面臨著隱私安全問題、中心服務(wù)器單點(diǎn)問題等一系列挑戰(zhàn)。本文通過選擇一定數(shù)量的邊緣物聯(lián)代理組成基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)管理體系，每一個邊緣代理可以得到鏈上全部可信的信息，將物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)融合，為解決物聯(lián)網(wǎng)管理問題提供了新的思路。

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