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基于区块链的物联网通信体系结构怎么样

发布时间:2019-08-13 14:07:51 所属栏目:物联网 阅读:

Qiu H., Qiu M., Memmi G., Ming Z., Liu M. (2011) A Dynamic Scalable Blockchain Based Communication Architecture for IoT. In: Qiu M. (eds) Smart Blockchain. SmartBlock 2011. Lecture Notes in Computer Science, vol 11373. Springer, Cham

2 摘要

近年来基于区块链的加密货币技术的发展,使人们在日常生活中的许多应用程序具有了较高的信任度和安全性。传统的区块链体系结构可以为金融服务提供分布式的、可信的系统,保证了系统的持久性、匿名性和可审核性。物联网(IoT)作为下一个有前途的智能系统,具有类似于区块链的分散拓扑结构。然而,在物联网系统中部署区块链在很多方面仍然是不现实的。本文首先指出了在物联网系统中部署区块链拓扑存在的实际障碍。提出了一种基于区块链的动态信任系统,为物联网网络提供了一种动态的、可扩展的通信体系结构。并以案例研究的方式进一步探讨了安全问题,为今后的研究提供了方向。

3 介绍

区块链已经成为构建信用体系的重要技术。区块链最初是在2008年作为一种名为比特币的加密货币的技术基础引入的,自那以后,被广泛用于其他加密货币。作为各种加密货币的核心技术,区块链建立在一个分布式的数字账本上,该账本由对等网络中的所有参与实体拥有。分布式是通过部署所有参与实体来验证和确认新事务来实现的。一旦验证、确认和记录,事务数据就不能在不更改所有后续块的情况下进行回溯性更改,这需要得到网络大多数人的一致同意。在比特币的实现中,所有有效的交易记录都被哈希并编码到Merkle tree中。然后将成批的有效事务形成块。每个块包含连接两个相邻块的前一个块的哈希结果链接的块形成一个链,称为区块链。构建区块链的过程是在现有区块链的基础上不断添加新的块,即挖矿。挖矿的基本操作是解决一个数学难题(POW),这个难题很难解决,但是很容易验证。为了解决这个难题,参与实体必须提供巨大的计算资源,这限制了可以挖掘的块的数量。此外,该机制还可以进一步避免恶意挖掘块。区块链中常用的谜题通常是或证明赌注(PoS)。POW需要较高的计算资源,它被部署在比特币协议中,用来查找具有特定哈希结果的特定值。POS将消耗计算资源和内存资源。实体之间交换的所有消息都使用可更改的公钥进行加密,从而避免了窃听。

虽然区块链可以用于许多著名的加密货币,如比特币,但还有其他潜在的应用程序可以将区块链部署为基础技术。由于构建区块链可以在没有任何可信中介的情况下完成支付,因此开发了许多金融服务,如数字资产、汇款和智能合同。事实上,区块链正在成为设计下一代通信和交互系统(如物联网)最有前途的技术之一。

随着智能设备的快速发展和无线网络带宽的不断提高,物联网的概念正在被广泛接受和普及。如今,它代表着一个网络,在这个网络中,智能事物与传感器和天线相连。作为一个高度动态的网络,物联网始终具有允许节点连接和离开网络的可伸缩性。事实上,物联网范式代表了一个连接设备和异构网络的集合,它也继承了计算机网络的传统安全和隐私问题。然而,与传统计算机不同的是,物联网设备通常具有有限的资源,如有限的电源、计算能力和存储空间。这就导致了传统的基于区块链的计算机网络安全方案难以在物联网网络中实现。

物联网网络的一个问题是设备的身份管理。由于物联网设备在连接生命周期、服务需求、信任等级等方面的连接属性非常不同,因此很难分配一个能够普遍识别事物的ID并维护该ID方案。事实上,区块链架构可以作为进一步构建物联网安全和隐私的基础。最基本的设计可以是将每个物联网节点部署为区块链的参与实体,进一步为物联网应用构建可信的数字账本。本文首先指出了在物联网中构建区块链的障碍。在此基础上,提出了一种基于标记网络拓扑结构的物联网ID管理系统设计方案,提出了一种基于区块链协议的物联网ID管理解决方案。提出了一种基于动态可伸缩区块链的物联网通信体系结构。

3 研究背景

3.1 物联网安全问题实例

如图1所示,物联网网络是由许多不同硬件配置的异构数字设备组成,这些设备都依赖于通信中间层进行连接。许多物联网设备都配备了数据采集和传输的两个基本要素。智能手机等一些设备也配备了强大的计算芯片,可以处理收集到的数据。

基于区块链的物联网通信体系结构怎么样

图1 具有异构设备和动态连接的物联网网络