基于雙鏈的可擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)模型研究

劉肖鵬，趙曉剛

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 451100）

0 引言

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者紛紛選擇利用區(qū)塊鏈解決物聯(lián)網(wǎng)（IoT）所存在問題，這是因?yàn)閰^(qū)塊鏈具有無需信任、匿名性以及去中心化等特點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)IoT 的不足。但僅對(duì)二者進(jìn)行結(jié)合，仍難以保證獲得理想的效果，鑒于此，有關(guān)人員決定以區(qū)塊鏈為切入點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有IoT 模型對(duì)可擴(kuò)展模型進(jìn)行建立，使IoT 所具有價(jià)值得到最大程度的實(shí)現(xiàn)。

1 研究背景

現(xiàn)有IoT 系統(tǒng)均采用中心化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的不足主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是極易被單點(diǎn)故障所影響，導(dǎo)致系統(tǒng)被迫終止運(yùn)行，二是在IoT 設(shè)備達(dá)到一定數(shù)量后，該結(jié)構(gòu)所具有隱私性、安全性將難以得到保證。作為強(qiáng)調(diào)去中心化的新型分布結(jié)構(gòu)，區(qū)塊量可有效規(guī)避上述問題，在強(qiáng)化系統(tǒng)所具有安全性的前提下，為數(shù)據(jù)所具有可追溯性及可靠性提供保障[1]。以往區(qū)塊鏈需要驗(yàn)證者以結(jié)構(gòu)單一的賬本為載體，對(duì)區(qū)塊進(jìn)行順次連接，而依托某賬本對(duì)全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)的問題有兩個(gè)，一方面需要浪費(fèi)大量資源，另一方面增加了日后維護(hù)的難度，使區(qū)塊鏈對(duì)交易進(jìn)行處理的能力大幅降低，確認(rèn)交易需要花費(fèi)的時(shí)間隨之增加。鑒于此，有關(guān)人員選擇以分區(qū)技術(shù)為落腳點(diǎn)，對(duì)全新IoT 模型進(jìn)行建立。

2 雙鏈可擴(kuò)展模型探究

2.1 整體結(jié)構(gòu)

該模型可被拆分成hash 鏈、交易鏈兩部分，其中，hash 鏈的數(shù)量僅為一個(gè)，交易鏈有多個(gè)，各交易鏈均有分區(qū)對(duì)應(yīng)，由分區(qū)負(fù)責(zé)對(duì)交易鏈進(jìn)行存儲(chǔ)與管理[2]。由于各分區(qū)均包含數(shù)個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，使得其既能夠獨(dú)立完成交易處理的工作，又可以將交易相關(guān)信息存儲(chǔ)在獨(dú)立分類賬內(nèi)，而不公開交易信息的設(shè)計(jì)，在極大程度上增強(qiáng)了信息所具有的隱私性以及安全性，存儲(chǔ)工作給系統(tǒng)所施加壓力也隨之降低。hash 鏈所存儲(chǔ)內(nèi)容主要分為兩部分，分別是區(qū)塊頭、描述信息，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)所占用內(nèi)存極少，通常可交由各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保存，在保證交易信息安全的前提下，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。將雙鏈驗(yàn)證、交易存儲(chǔ)相結(jié)合，既能夠使區(qū)塊鏈順序得到保證，又可以使區(qū)塊鏈特有的不可篡改性、可證性得到強(qiáng)化，系統(tǒng)自然變得更加安全且可靠，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1[3]。

由圖1 可知，該系統(tǒng)主要包括4 種參與者，首先是終端設(shè)備，其次是區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，再次是外部資源與服務(wù)，最后是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管者[4]。其中，終端設(shè)備主要是指底層設(shè)備，負(fù)責(zé)感應(yīng)外界環(huán)境并收集所需信息，同時(shí)對(duì)區(qū)塊鏈所保存數(shù)據(jù)加以利用，考慮到終端設(shè)備在計(jì)算、儲(chǔ)存方面所擁有的可用資源較少，通常無需引入存儲(chǔ)、執(zhí)行區(qū)塊鏈等算法，這點(diǎn)要有所了解。而區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的特征，在于其擁有豐富的存儲(chǔ)資源及強(qiáng)大的算力，既能夠參與共識(shí)，又可以對(duì)分類賬進(jìn)行存儲(chǔ)。節(jié)點(diǎn)及設(shè)備均要先進(jìn)行注冊(cè)，才能順利連入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)。對(duì)本文所討論模型而言，外部資源與服務(wù)所描述對(duì)象，通常是指數(shù)據(jù)庫、云存儲(chǔ)器，上述資源與服務(wù)均可作為附加功能加以使用。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管的關(guān)鍵是對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布觀察及全方位管理，除特殊情況外，監(jiān)管者均不會(huì)參與到區(qū)塊鏈運(yùn)行的過程中，其職責(zé)主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟進(jìn)，確保網(wǎng)絡(luò)異常可被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到相應(yīng)的處理[5]。

事實(shí)證明，該模型的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在雙鏈結(jié)構(gòu)、分區(qū)技術(shù)還有PCMP 的運(yùn)用上，對(duì)上述技術(shù)加以運(yùn)用，不僅減弱了存儲(chǔ)工作給系統(tǒng)所造成的壓力，為數(shù)據(jù)提供了安全且可靠的存儲(chǔ)環(huán)境，還證實(shí)了全新控制機(jī)制的有效性與可行性。作為現(xiàn)階段對(duì)區(qū)塊鏈容量進(jìn)行增加的首選方法，分區(qū)給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所造成影響，主要是各分區(qū)所包含節(jié)點(diǎn)數(shù)量難以得到保證，網(wǎng)絡(luò)安全性自然無法達(dá)到預(yù)期水平。為解決上述問題，有關(guān)人員指出可引入不同分區(qū)算法，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分配，考慮到IoT 各節(jié)點(diǎn)均有功能對(duì)應(yīng)，使得運(yùn)行期間所形成各數(shù)據(jù)均具有一定的隱私性，二次分區(qū)給該系統(tǒng)所產(chǎn)生影響有目共睹，盲目分區(qū)不僅會(huì)造成設(shè)備功能及性能混亂，還會(huì)使系統(tǒng)安全性受到威脅。在對(duì)多方因素加以考慮后，有關(guān)人員決定省略再次分區(qū)的步驟，而是以新加入節(jié)點(diǎn)所表現(xiàn)出特征及功能為依據(jù)，確定其所對(duì)應(yīng)的分區(qū)[6]。另外，為避免分區(qū)給系統(tǒng)可靠性造成影響，有關(guān)人員還創(chuàng)造性地引入了雙鏈結(jié)構(gòu)，簡單來說，就是通過hash 鏈、交易鏈進(jìn)行互相驗(yàn)證，以不泄露數(shù)據(jù)內(nèi)容為前提，對(duì)數(shù)據(jù)安全性、區(qū)塊鏈不可篡改性進(jìn)行強(qiáng)化。另外，雙鏈結(jié)構(gòu)在驗(yàn)證新加入節(jié)點(diǎn)方面，同樣具有極為突出的表現(xiàn)。

2.2 控制機(jī)制

該系統(tǒng)所引入雙鏈結(jié)構(gòu)，可在不泄露數(shù)據(jù)的情況下，有序開展交互驗(yàn)證的工作，使系統(tǒng)所具有安全性得到顯著增強(qiáng)。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還開發(fā)出了全新的控制機(jī)制，旨在為擁有數(shù)據(jù)的群體與使用數(shù)據(jù)的群體提供自由交易的平臺(tái)，使數(shù)據(jù)得到更加高效的利用，節(jié)點(diǎn)訪問流程見圖2[7]。

分析圖2 能夠看出，節(jié)點(diǎn)訪問流程可被歸納為以下幾步：首先是使用者通過hash 鏈對(duì)自身所需數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，憑借分區(qū)號(hào)對(duì)代理節(jié)點(diǎn)加以確定，同時(shí)對(duì)交易請(qǐng)求進(jìn)行創(chuàng)建。其次是收到請(qǐng)求后，由代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)用途、節(jié)點(diǎn)身份進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證結(jié)果無誤，則可通過使用者創(chuàng)建請(qǐng)求，同時(shí)對(duì)其所需數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。再次是由使用者以所受到數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)hash 值為依據(jù)，對(duì)比hash 鏈所提出數(shù)值，判斷各數(shù)值是否存在出入，若數(shù)值相同，則可結(jié)束交易，反之，則需要將該情況反饋給系統(tǒng)，由系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行處理[8]。最后是待交易告一段落，基于共識(shí)過程對(duì)交易進(jìn)行處理，使其成為區(qū)塊鏈的一環(huán)。

3 模型所搭載協(xié)議說明

3.1 PMCP 概述

有關(guān)人員以雙聯(lián)IoT 模型為切入點(diǎn)，通過引入PMCP的方式，對(duì)IoT 處理交易的能力進(jìn)行了強(qiáng)化。該協(xié)議可結(jié)合信譽(yù)機(jī)制對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，在確定誠實(shí)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)共識(shí)組進(jìn)行構(gòu)建，通過對(duì)系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行提高的方式，為日后交易處理工作的高效開展奠基。

3.2 運(yùn)行流程

由于該模型僅進(jìn)行一次分區(qū)，分區(qū)所包含節(jié)點(diǎn)數(shù)量并不固定，通常會(huì)隨著系統(tǒng)升級(jí)而增加，若仍沿用常規(guī)模式創(chuàng)建區(qū)塊，極易出現(xiàn)大量交易無法被及時(shí)確認(rèn)的情況。鑒于此，有關(guān)人員出于增加系統(tǒng)吞吐量的考慮，選擇引入PMCP，希望能夠憑借此舉使IoT 所提出需求得到滿足，將系統(tǒng)處理交易的時(shí)間進(jìn)行壓縮。

PMCP 強(qiáng)調(diào)以信譽(yù)評(píng)估機(jī)制為依托，對(duì)誠實(shí)節(jié)點(diǎn)加以確認(rèn)，根據(jù)系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果，構(gòu)建相應(yīng)的共識(shí)小組，由共識(shí)小組負(fù)責(zé)推進(jìn)復(fù)雜共識(shí)過程，使共識(shí)時(shí)延、通信開銷得到有力控制。此外，PMCP 還引入了隨機(jī)函數(shù)，強(qiáng)調(diào)利用隨機(jī)函數(shù)對(duì)分組算法進(jìn)行優(yōu)化，該函數(shù)具有計(jì)算速度快、可有力抵抗外界攻擊、對(duì)算力所提出要求較低的特點(diǎn)，系統(tǒng)可依托該函數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分配，保證各共識(shí)小組均有節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，以免出現(xiàn)惡意節(jié)點(diǎn)聚集的情況[9]。

PMCP 所涉及角色有3 種，分別是負(fù)責(zé)人、領(lǐng)導(dǎo)者、驗(yàn)證者。一般來說，在特定時(shí)間內(nèi)，各分區(qū)僅有一個(gè)負(fù)責(zé)人，同時(shí)包括多個(gè)共識(shí)小組，各共識(shí)小組均由一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者、多個(gè)驗(yàn)證者組成。負(fù)責(zé)人的職責(zé)是驗(yàn)證共識(shí)小組上傳區(qū)塊，對(duì)其進(jìn)行排序及上鏈，而領(lǐng)導(dǎo)者還有驗(yàn)證者的任務(wù)，主要是共識(shí)出塊。PMCP 強(qiáng)調(diào)將紀(jì)元作為運(yùn)行周期，同時(shí)對(duì)各紀(jì)元進(jìn)行劃分，獲得相應(yīng)的輪次，配合隨機(jī)函數(shù)對(duì)信譽(yù)值達(dá)標(biāo)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，此后的各個(gè)輪次，共識(shí)小組均要執(zhí)行相應(yīng)的共識(shí)過程，具體運(yùn)行步驟如下。

第1 步，分區(qū)所包含節(jié)點(diǎn)按照VRF 算法展開運(yùn)行，對(duì)共識(shí)小組數(shù)量、計(jì)算所得隨機(jī)數(shù)進(jìn)行求余計(jì)算，確定節(jié)點(diǎn)所處分區(qū)，對(duì)信譽(yù)值良好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，獲得相應(yīng)的共識(shí)小組。第2 步，各共識(shí)小組均按照PBFT 協(xié)議所提出要求運(yùn)行，首先為預(yù)準(zhǔn)備，其次為準(zhǔn)備，最后為提交，待上述環(huán)節(jié)告一段落，由領(lǐng)導(dǎo)者向負(fù)責(zé)人提交簽名區(qū)塊，其他成員只需向負(fù)責(zé)人提交簽名即可，這樣做能夠有力控制通信消耗。同時(shí)要保證所提交信息涵蓋共識(shí)組號(hào)及其他基本信息，避免由于提交過于混亂，導(dǎo)致信息出現(xiàn)混淆。第3步，由負(fù)責(zé)人對(duì)共識(shí)小組所提交區(qū)塊進(jìn)行接收，若該小組對(duì)應(yīng)簽名數(shù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值，便可對(duì)區(qū)塊是否有效進(jìn)行檢驗(yàn)，待區(qū)塊順利通過檢驗(yàn)，可在對(duì)應(yīng)區(qū)塊內(nèi)新增該區(qū)塊的數(shù)字簽名，同時(shí)新增相應(yīng)的時(shí)間戳。在等待一段時(shí)間后，負(fù)責(zé)人可對(duì)所接收各區(qū)塊的順序進(jìn)行排列及上鏈，通過廣播的方式，告知分區(qū)內(nèi)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)。超時(shí)送達(dá)的區(qū)塊則應(yīng)被劃入無效區(qū)塊陣營，無需進(jìn)行后續(xù)處理。第4 步，待分區(qū)節(jié)點(diǎn)順利接收到廣播區(qū)塊，可著手對(duì)其有效性、數(shù)字簽名真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證，再根據(jù)時(shí)間戳對(duì)區(qū)塊進(jìn)行鏈接，保證各區(qū)塊均能夠成為區(qū)塊鏈的一部分。第5 步，正式開始下一輪次前，負(fù)責(zé)人需要以本輪共識(shí)所涉及各節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為依據(jù)，對(duì)其信譽(yù)值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有信譽(yù)值表的內(nèi)容進(jìn)行更新。若發(fā)現(xiàn)存在信譽(yù)值與要求不符的節(jié)點(diǎn)，則需要對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換，以免給后續(xù)操作造成不必要的影響。第6 步，重復(fù)以上步驟，待該紀(jì)元結(jié)束后，由負(fù)責(zé)人通過隨機(jī)選擇的方式，對(duì)后續(xù)紀(jì)元的負(fù)責(zé)人加以確定。在此期間需要注意一點(diǎn)，即各紀(jì)元正式開始前，均要對(duì)分區(qū)進(jìn)行分組，由分區(qū)內(nèi)信譽(yù)值滿足要求的各節(jié)點(diǎn)對(duì)隨機(jī)數(shù)信息進(jìn)行發(fā)送。

4 模型安全性分析

4.1 女巫攻擊

該攻擊指的是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部惡意節(jié)點(diǎn)，通過非法冒充其他身份的方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，以此達(dá)到弱化冗余備份的目的。本文所討論模型明確指出，無論是節(jié)點(diǎn)、還是設(shè)備，均要先在指定機(jī)構(gòu)注冊(cè)，方可正式投入使用。節(jié)點(diǎn)PK 過程完全公開，各節(jié)點(diǎn)均可以對(duì)其他節(jié)點(diǎn)身份進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅能申請(qǐng)一個(gè)PK，可有效避免女巫攻擊出現(xiàn)。

4.2 領(lǐng)導(dǎo)者攻擊

PBFT 可提前對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行選擇并確認(rèn)，領(lǐng)導(dǎo)者被攻擊的情況時(shí)有發(fā)生。該模型強(qiáng)調(diào)隨機(jī)對(duì)驗(yàn)證者、領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行選擇，同時(shí)將信譽(yù)值、隨機(jī)選擇算法相結(jié)合，無形中加大了高信譽(yù)值節(jié)點(diǎn)成為領(lǐng)導(dǎo)者的概率。此外，該模型還引入了評(píng)估信譽(yù)值的機(jī)制和相應(yīng)的獎(jiǎng)懲機(jī)制，旨在使節(jié)點(diǎn)始終保持高度誠實(shí)，并主動(dòng)參與到網(wǎng)絡(luò)共識(shí)中。事實(shí)證明，將高信譽(yù)值節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)者，可將領(lǐng)導(dǎo)者作惡的概率降至最低，系統(tǒng)所具有安全性自然能夠得到保證[10]。

4.3 單點(diǎn)故障

作為IoT 較為常見的一類隱患，單點(diǎn)故障有極大概率導(dǎo)致系統(tǒng)終止運(yùn)行，進(jìn)而給系統(tǒng)可靠性、可用性造成負(fù)面影響。該模型強(qiáng)調(diào)以區(qū)塊鏈為依據(jù)，可確保分區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)所保存數(shù)據(jù)完全一致，此時(shí)，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍然能夠維持正常運(yùn)行，其可靠性、穩(wěn)定性有目共睹。

4.4 拒絕服務(wù)攻擊

DOS 攻擊的特點(diǎn)是攻擊者通過向節(jié)點(diǎn)發(fā)送海量交易的方式，占據(jù)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有資源，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法利用所擁有資源對(duì)真實(shí)交易進(jìn)行處理。該模型強(qiáng)調(diào)IoT 設(shè)備只有先進(jìn)行注冊(cè)，才能加入系統(tǒng)并正式投入使用，對(duì)設(shè)備身份進(jìn)行驗(yàn)證的難度相對(duì)較小，與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可自行辨別設(shè)備授權(quán)情況，對(duì)于沒有獲得授權(quán)的設(shè)備，系統(tǒng)可選擇拒絕提供相應(yīng)服務(wù)，出現(xiàn)DOS 攻擊的概率大幅降低。若已進(jìn)行注冊(cè)設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)頻繁發(fā)送沒有實(shí)際意義的交易，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管往往會(huì)將其判定為惡意節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行處理。即便節(jié)點(diǎn)受到了設(shè)備的攻擊，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管未能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常，考慮到某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障給系統(tǒng)所造成影響通常可以忽略不計(jì)，此時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠維持正常的運(yùn)行狀態(tài)并完成交易處理等工作。

5 結(jié)語

綜上所述，本文對(duì)全新的可擴(kuò)展IoT 模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過引入雙鏈結(jié)構(gòu)的方式，為區(qū)塊鏈不可篡改的特點(diǎn)提供了保證，一方面使系統(tǒng)安全性得到大幅提升，另一方面減小了存儲(chǔ)工作給節(jié)點(diǎn)所造成的壓力，此外，該系統(tǒng)還搭載了全新的訪問機(jī)制，旨在使數(shù)據(jù)得到實(shí)時(shí)共享與自由交易。事實(shí)證明，隨著PMCP 和雙鏈技術(shù)的加入，系統(tǒng)吞吐量較以往有所增加，無論是存儲(chǔ)能力，還是可擴(kuò)展性，均更接近預(yù)期，未來可對(duì)該模型進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化與升級(jí)，使模型更具實(shí)用性，確保其所具有優(yōu)勢能夠獲得更加全面的發(fā)揮。