區塊鏈技術在礦山物聯網中的應用研究

秦曉偉，王立兵，汪磊，李敬兆，張小波

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.大同煤礦集團有限責任公司 安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003； 3.安徽科艾網絡技術有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來物聯網發展取得了顯著成果，被廣泛應用于智能礦山、健康醫療、交通運輸等領域[1-2]。煤礦企業通過物聯網技術對采集的數據進行傳輸，但在數據傳輸過程中，由于人為隱瞞和疏忽會造成數據丟失。同時，礦山物聯網中數據庫的不完善使得存儲的數據存在被篡改的風險。高效、安全地對煤礦企業生產過程數據進行傳輸和存儲，保證數據的完整性及安全性，對于煤礦安全生產具有重要意義。

區塊鏈作為一種計算機技術的新型應用模式，以去中心化、可信賴性和匿名性等特點迅速成為研究熱點，在分布式環境中建立信任而不需要授權，鏈上數據能夠實時共享[3-7]。區塊鏈以分布式網絡為基礎，擁有獨特的信任機制和區塊數據的不可篡改性，符合物聯網對信息安全技術的去中心化、去信任化需求，在物聯網信息安全應用上具有天然的優勢[8]。現階段國內針對區塊鏈技術在物聯網工程中的應用研究，主要是利用區塊鏈的加密技術和共識算法對物聯網的信息共享安全機制進行改進，或是對物聯網在應用區塊鏈技術存儲數據時的數據膨脹問題進行探索，解決存儲數據時的資源消耗問題。葛琳等[9]提出了一種基于區塊鏈的輕量級物聯網信息共享安全框架，采用數據區塊鏈和交易區塊鏈的雙鏈模式，在數據區塊鏈中實現數據的分布式存儲和防篡改，通過基于部分盲簽名算法的改進算法，提升了交易效率，實現了隱私保護；但由于是基于公有區塊鏈、聯盟區塊鏈和私有區塊鏈的結合應用，且采用雙鏈機制，信息交互復雜，在一些交易場景中會造成驗證節點的資源浪費。喬蕊等[10]為解決大量物聯網設備產生的動態數據安全存儲與共享問題，提出了用于實現操作實體多維授權與動態數據存儲的雙聯盟區塊鏈結構，設計了基于驗證節點列表的共識算法，給出了一種基于聯盟區塊鏈的動態數據溯源機制優化方案；但是聯盟區塊鏈相對于私有區塊鏈和公有區塊鏈來說，并不是完全去中心化的，理論上存在聯盟之間聯合起來修改數據的可能。

本文將區塊鏈技術應用于礦山物聯網數據傳輸與存儲，通過基于實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)算法的共識模塊和優化P2P傳輸協議，完成數據的全網共識，實現物聯網數據傳輸安全防護，同時可節省網絡資源；利用數據區塊實現數據存儲的去中心化，保證物聯網數據可靠存儲。

1 礦山私有區塊鏈架構

礦山私有區塊鏈包括數據層、傳輸層、共識層、合約層和展示層，如圖1所示，其中數據層、傳輸層及共識層是私有區塊鏈的核心。

圖1 礦山私有區塊鏈架構

1.1 數據層

數據層的功能是數據記錄。利用默克爾樹將采集的數據分成很多小的數據塊并放在最底層，對這些小的數據塊進行哈希處理，將2個最底層數據塊的哈希值合并后再次哈希，得到一個高級別的數據塊，重復上述過程直到最后只有1個根哈希。將默克爾樹所產生的根哈希、時間戳等記錄在數據區塊，數據區塊在進行連接時，新形成的數據區塊會存儲上一個數據區塊的根哈希。通過數據區塊和鏈式結構，數據能夠在去中心化的情況下高效存儲。

1.2 傳輸層

傳輸層的功能是讓區塊鏈上的節點共同對數據區塊的內容和真實有效性進行判斷及維護。傳輸層工作流程：區塊鏈網絡中1個節點將自身數據向其他節點進行廣播，其他節點對該節點的數據進行驗證，驗證通過后繼續傳播。通常的數據獲取以服務器和客戶端為組成方式進行，服務器分發數據，客戶端只有對其訪問才能獲得數據，中心化程度高。采用P2P協議后，每一個節點都可以既充當服務器又充當客戶端，節點之間能進行交互，大大縮短了數據獲取時間，提高了數據獲取效率。

1.3 共識層

共識層的功能是讓區塊鏈網絡中分散的節點快速、有效地達成共識。區塊鏈網絡中的節點依據共識算法制定的規則來更新區塊鏈數據，保障區塊鏈網絡正常運行。目前常見的共識算法主要有PBFT，PoW(Proof of Work，工作量證明)，PoS(Proof of Stake，股權證明)和DPoS(Delegated Proof of Stake，委托股權證明)[11-12]，其特點對比見表1。本文采用PBFT算法。

表1 不同共識算法特點對比

2 基于區塊鏈技術的礦山物聯網數據傳輸與存儲

礦山物聯網的3層架構中，感知層主要利用無線傳感設備采集數據，網絡層實現感知層與應用層之間的數據交互傳輸，應用層對接收到的數據進行分析處理并向終端推送[13-15]。根據礦山物聯網的3層架構，其安全防護體系也分為3層，如圖2所示。礦山物聯網的3層安全防護可通過區塊鏈技術來實現，例如：在對感知層的感知節點設備安全進行防護時，區塊鏈中的數據簽名、節點認證、密鑰管理等是可被利用的防護手段；對于網絡層的無線安全傳輸來說，可利用區塊鏈中的共識算法與P2P協議對需要傳輸的數據進行共識、驗證操作；應用層中的數據存儲可直接通過區塊鏈中具備存儲空間的節點來完成。其中礦山物聯網中網絡層數據安全傳輸和應用層數據可靠存儲防護，是應用區塊鏈技術提升礦山物聯網安全性能的重點。

圖2 礦山物聯網安全防護體系

Fig.2 Security protection system of mine Internet of things

2.1 數據傳輸

礦山物聯網中數據傳輸是否執行由區塊鏈網絡中具備相應算力的所有節點根據共識算法共同決定。在數據傳輸過程中，區塊鏈網絡節點分工、數據加密及數據共識是3個重要環節，如果采取集中式處理會極大提升數據傳輸的復雜程度。本文將礦山物聯網中數據傳輸的3個環節進行模塊化處理，即設置節點管理模塊、加密模塊和共識模塊。節點管理模塊對區塊鏈網絡各節點進行管理，實現節點鑒別、權限控制、節點劃分等功能。加密模塊對傳輸的數據進行加密，防止數據在傳輸過程中被惡意篡改、偽造甚至竊取，保證數據的真實性及可信任程度。共識模塊的設計基于區塊鏈網絡相應節點的算力，不需要引入新設備。共識模塊利用具備相應算力的區塊鏈網絡節點完成數據有效性的共識過程，減少虛假數據上傳。

2.2 數據存儲

考慮到礦山物聯網中存在節點計算能力不均、部分節點沒有足夠空間進行數據存儲等問題，提出一種基于私有區塊鏈的數據存儲結構，如圖3所示。數據區塊層臨時存儲經區塊鏈網絡上傳的數據，區塊鏈網絡中的節點可通過該層實時傳輸數據。信息驗證層依據PBFT算法對數據區塊層中臨時存儲的數據進行驗證，當數據被規定數量的驗證節點驗證通過，才會被存儲在存儲節點中并同步更新到整個私有區塊鏈。存儲層的存儲節點需要有足夠的存儲空間來存儲數據。

圖3 基于私有區塊鏈的數據存儲結構

3 私有區塊鏈中的數據共識

PBFT算法源于拜占庭問題(也稱拜占庭將軍問題)，該問題的核心思想：假設系統中節點總數為x，惡意攻擊節點數為y，如果系統整體滿足x≥3y+1，則惡意攻擊節點所產生的干擾決定(錯誤決定)就不會對系統的正常決定制定產生影響。PBFT算法在本質上是一種狀態機副本復制算法，副本節點執行操作是在視圖變更中執行的。以系統選取1個主節點為例，其余的作為副本節點，主節點一旦失效則會采取視圖變更過程，此時副本節點會在試圖變更中推選出1個新的主節點。副本節點在經過請求、預準備、準備、提交、應答之后完成驗證通過的信息收集工作，并且判斷是否達成全網共識(判斷依據：當副本節點收到2y+1個驗證通過的信息，且客戶端收到超過y+1個相同的應答消息時，表明客戶端發起的請求已經達成全網共識)。現實應用中可能會出現副本節點發送完消息，其他節點來不及作出反應的現象。因此設置響應閾值L和響應區間[o，s]，狀態o代表接收節點正在處理其他響應，狀態s代表接收節點處理請求已完成，s=o+hL(h為正整數)。如果副本節點先到達狀態s，副本節點對接收節點的傳送就會停止，等待其余節點到達狀態s后，副本節點與其余節點進行狀態同步。

基于PBFT算法的礦山物聯網數據共識過程如圖4所示。首先，選取部分主節點作為記憶節點，依據設定好的記憶策略，對傳輸的數據分別進行簽名。然后，按照時間戳信息對接收到的已簽名數據進行排序(利用主節點充當排序節點)，并確定數據的數量，將已經排序好的數據傳送給指定的接收節點。最后，當接收節點接收到數據內容，且數據的簽名信息及內容核對正確時，執行節點會生成數據區塊并向整個私有區塊鏈進行廣播，接收節點完成對客戶端發送數據的響應。

圖4 基于PBFT算法的礦山物聯網數據共識過程

P2P網絡具有可擴展性極強、去中心化程度高、負載均衡的特點。P2P網絡結構按照集中程度可劃分為分布式、集合式和混合式3種。相較于集合式與混合式P2P網絡結構，分布式P2P網絡結構中的節點既可以充當服務器又可以充當客戶端，更加有利于數據的傳輸與存儲。分布式P2P網絡結構分為結構化和非結構化2種。分布式結構化P2P網絡采用的維護算法相比于分布式非結構化P2P網絡采用的泛洪算法，能更有效地避免網絡擁堵。在分布式結構化P2P網絡中，所有資源通過1個具有唯一性的資源關鍵字來進行標志，資源關鍵字與資源的存儲位置通過算法來進行映射[16]。網絡中的節點只需要保存少量的路由信息，在需要查詢網絡中某個資源時，通過向后繼節點發送關鍵字數據來查詢所需資源的具體位置，對于減輕網絡擁堵非常有利。

但分布式結構化P2P網絡存在節點管理上的問題，各節點之間缺乏固定規則約束，且無法精確定位節點信息，進行節點查找時，會對網絡資源造成極大的消耗。因此，在分布式結構化P2P網絡中每2個節點之間設置1個共識模塊，如圖5所示。節點A與節點B之間通過共識驗證后，如果節點B具有存儲空間，則數據可直接存儲在節點B中。

圖5 P2P中的共識模塊

根據應用共識模塊的分布式結構化P2P網絡結構，在基礎的P2P協議上進行優化，內容如下：節點管理模塊根據區塊鏈網絡中各節點的算力，分別確定主節點、接收節點和執行節點；利用加密模塊在數據傳輸開始時為數據加密；共識模塊中的節點能夠完成基于PBFT算法的共識過程，同時由共識模塊中主節點賦予數據不可偽造的簽名，一旦有簽名的數據發生改變，通過區塊鏈網絡很快就能檢測到節點位置。

數據被賦予簽名使得共識模塊能夠處理多個主節點，即能對多組數據進行排序、傳輸。數據上傳過程中，客戶端首先提交數據，數據傳到主節點時，主節點先進行數據排序，然后在排序好的數據上加入簽名信息并進行打包，隨機發送給某個接收節點。該接收節點接收到數據后添加新的簽名信息并進行打包，再發送給其他接收節點。最終的接收節點接收到數據后根據所有的簽名信息對數據進行判斷，若判斷數據為不真實，則數據被丟棄。由于所有接收節點隨機產生，所以要求共識模塊有盡可能多的選擇函數Selection(M)(M為接收節點選擇集合)來隨機選取接收節點。選擇函數包括以下2種情況：① 如果M中只有1個參數m，則Selection(M)=m；② 如果M是1個空集，則Selection(M)=retreat。共識模塊對數據進行處理的流程如圖6所示，其中i為虛報或瞞報的客戶端節點數。

圖6 共識模塊數據處理流程

4 測試驗證

利用礦山物聯網相關感知設備對某礦數據進行采樣，將21 000條數據分為7組，每組3 000條數據。利用開源區塊鏈平臺搭建礦山私有區塊鏈架構，在每2個發送端與接收端之間設置共識模塊，測試共識模塊中各節點對于各組數據傳輸的平均容錯率與消耗時間，同時與未應用共識模塊時的傳輸結果進行對比，結果見表2。可看出應用共識模塊后，在數據傳輸過程中提高了容錯率、減少了時間消耗。

表2 數據傳輸過程中平均容錯率與時間消耗對比

為測試優化的P2P協議的有效性，與未優化的P2P協議在1組數據傳輸時的準確率、瞞報率和T-correct值(虛假數據上傳風險率)進行對比，結果見表3。可看出應用優化的P2P協議后，收集到的數據更全面，準確率更高，瞞報率和T-correct更低，保證了數據傳輸時的完整性，降低了隱瞞數據的風險。

表3 不同協議下數據傳輸的準確率、瞞報率與T-correct對比

注：準確率=收到的數據條數/實際上傳的數據條數；瞞報率=未收到數據條數/所有數據條數；T-correct=(3×準確率×瞞報率)/2×(準確率+瞞報率)。

私有區塊鏈中存儲節點的數據存儲情況見表4。可看出隨著數據量的增加，數據存儲的可靠程度基本保持在較高水平。

表4 數據存儲可靠程度

注：可靠程度=正確存儲數據條數/目標存儲數據條數。

5 結語

將區塊鏈技術應用于礦山物聯網，建立了礦山私有區塊鏈架構，設計了基于共識模塊和數據區塊的礦山物聯網數據傳輸與存儲防護方案；應用PBFT算法設計數據共識過程，通過在分布式結構化P2P網絡節點間設置共識模塊并優化P2P傳輸協議，實現數據的安全性共識。測試結果表明，通過私有區塊鏈的應用，數據傳輸準確性高、數據存儲可靠，保障了煤礦安全生產。