CN108494830A - 一种采用区块链的物联网 - Google Patents

Abstract

一种采用区块链的物联网，所述的物联网采用区块链技术进行设备识别和身份认证，采用区块链的共享账本和共识机制管理物联网设备的交易信息，在设备互联的起始阶段、身份识别和认证过程中，采用区块链的方式交互所有设备身份认证信息，保证物联网边缘网关以下的所有物联网设备拥有该局部网络的所有设备的身份信息，并在此基础上，对该局部网络采取一序列安全措施，不允许该局部网络中再加入其它的物联网设备，以防止恶意设备连入网络；或在该边缘网关以下的网络保证每两个设备之间通信方式采用独立通信链路进行通信，他们之间的通信内容不能被恶意设备监听到，因为恶意设备要接入该网络，也必须通过该区块链方式的网络身份认证，该方式使得恶意设备无法读懂其它两两互联设备之间的通信内容。

Description

一种采用区块链的物联网

技术领域

本发明涉及的是一种采用区块链的物联网系统，一种实现物联网基础架构的通信和信息交换机制的物联网系统，属于互联网应用技术领域。

背景技术

区块链是比特币的技术基础，是比特币创造的一个概念，是记录比特币交易信息的账本。区块链包含以下三种要素：（1）本区块的ID号；（2）本次记帐期间的交易清单；（3）指向前一个区块ID的链接。

比特币系统每10分钟创建一个区块，由于每个区块包含了其一个区块的ID，因此可以由这个ID回溯到起始区块，形成一条完整的交易链条，也就是区块链。

区块链是一串使用密码学方法产生的数据块，每个数据块包含了特定时间间隔的全部交易信息。每次交易的信息被广播到网络中，通过计算能力的比拼决定获得本次交易记录者，胜者获得交易记录的权限，依据规则交易记录者可获得佣金。比特币系统就是一个为了获取记帐佣金而比拼计算能力的区块链应用实例，区块链是比特币的核心和基础架构。

区块链的四大特点是去中心化，去信任，集体维护和可靠的数据库。采用区块链的共享账本和共识机制达成以上功能需求。区块链目前存在以下难点问题：

一是交易数据量很多，导致区块链很长时，如何节省通信量，保证通信效率；

二是去中心化的实现方式存在问题，有些系统有采用CA认证来保证每个账户的可信度，已经违反了去中心化的原则；

三是去信任，参与整个系统的每个节点之间进行数据交换是无须互相信任的，整个系统的运作规则是公开透明的，所有的数据内容也是公开的，因此在系统制定的规则范围和时间范围内，节点之间是不能也无法欺骗其他节点的。异构区块链系统如何去信任的问题，目前已经出现的方案中几乎都没有提及。

比特币的去中心化为整个网络没有中心化的硬件或者管理机构，任意节点之间的权利和义务都是均等的，某一节点的损坏或者失去都不会影响整个系统的运作。但现有比特币的去中心化存在很大的问题，在比特币系统中，提供代码和程序的人其实就是系统的中心，他可以控制大部分虚拟货币，他的虚拟货币随着用户数量的增加和商业炒作而升值。从更高层次来看，谁都可以发行类似比特币这样的货币，如果虚拟货币的种类很多，货币多样化，和当今世界上不同国家发行的各种法定货币没有区别。一旦虚拟货币和法定货币的绑定失效，或者虚拟货币因为某种原因比如受到黑客攻击而无人使用，虚拟币就变成垃圾，因为虚拟货币是没有任何组织和个人为它背书的。比特币的去中心化其实是一个小范围的概念，在交易过程中好像是去中心化，但是初始发行者其实是比特币发行规则的制定中心和比特币的源头提供者。比特币创始人中本聪拥有700万比特币，根据比特币规则，全世界总共发行2100万枚比特币，创始人的持币数占总数的1/3。比特币的挖矿行为导致比特币升值，但是升值最多的仍然是比特币创始人持有的虚拟货币，这种情况几乎变成了全世界的挖矿者为中本聪打工。以此类推，所有虚拟货币都采用这个套路，一旦虚拟货币种类太多（因为几乎人人都可以创造一种虚拟货币），大部分虚拟货货币就是一文不值的垃圾。但是区块链技术在其它领域很有用途，许多国家的银行，保险业，证券，数字货币，股权交易，房产确权，电子商务，物联网等行业都在研究采用区块链取代纸质票据，凭证等。

物联网是指万物互联的技术，它的概念起源于1999年，初始称它为ubiquitous网络，目前被称为Internet of things（IoT）。物联网的发展初期以RFID技术为基础，包括低频RFID标签，高频RFID标签。发展到现在，人们把包括传感器设备，家用电器在内的所有电器设备全部连入物联网，组成万物互联的网络。

早期物联网设备多采用单设备系统，设备之间很少互联，中期采用总线技术比如ModBus，CAN总线技术等连接设备。未来万物互联的网络将是Mesh网状网络互联，网状网络互联涉及到设备之间互联时候的设备安全认证和设备身份识别问题，早期有采用CA认证，数字签名等技术实现认证和身份识别，现在采用数字指纹技术实现设备的防伪，未来的万物互联网络将采用区块链的共享账本和共识机制实现设备互联的认证和身份识别，组成一个互相信任的可信物联网。当今的物联网采用中心化的结构，云计算中心处理物联网设备发送过来的信息并进行通信转发，如图1中所示，未来的物联网将是点对点的对等网络，云计算中心的角色从一个控制者变成了一个服务提供者，网络的控制权从云计算中心转移到边缘计算，设备和云计算中成为平等的物联网个体。如图2所示。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能够节省通信量，保证通信效率，能够实现去中心化和去信任，提高物联网的安全性，显著降低物联网设备的软件维护成本，降低物联网设备交易成本的采用区块链的物联网。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种采用区块链的物联网，所述的物联网采用区块链技术进行设备识别和身份认证，采用区块链的共享账本和共识机制管理物联网设备的交易信息，其特征在于：在设备互联的起始阶段、身份识别和认证过程中，采用区块链的方式交互所有设备身份认证信息，保证物联网边缘网关以下的所有物联网设备拥有该局部网络的所有设备的身份信息，并在此基础上，对该局部网络采取一序列安全措施，不允许该局部网络中再加入其它的物联网设备，以防止恶意设备连入网络；或在该边缘网关以下的网络保证每两个设备之间通信方式采用独立通信链路进行通信，他们之间的通信内容不能被恶意设备监听到，因为恶意设备要接入该网络，也必须通过该区块链方式的网络身份认证，该方式使得恶意设备无法读懂其它两两互联设备之间的通信内容。

2、根据权利要求1所述的采用区块链的物联网，其特征在于所述的序列安全措施为一种通过锁网技术形成一个闭环网络；所述物联网设备之间通信多采用自由协议通信，而物联网之间的通信多采用采用p2p网络通信形式，通信对象之间可采用加密通信技术；所述物联网设备之间的身份识别和认证采用区块链方式，物联网设备之间也采用p2p通信方式或者采用自有通信协议。

3、根据权利要求2所述的采用区块链的物联网，其特征在于所述的区块链中的连接设备的合法性采用哈希值校验，并且只有能够正确计算出所有连接设备的区块链的设备允许接入网络，并保存在每个设备的合法设备列表里面，保证任意两个设备之间的点对点通信。

所述的闭环网络是在若区块链膨胀到该设备的存储极限或者计算能力极限，或者在接收到用户的网络闭环命令时，该设备可以发出一个网络闭环命令给它的区块链中存在的设备，告知物联网其它该设备因为存储能力或者计算能力的原因，将形成一个以该设备为中心的逻辑上的闭环网络，并且不再接受另外设备的连接信息，其它设备要连接该设备，只能通过该设备的邻居设备连接到该设备，该逻辑闭环网络就是一个物联网的自治系统。

本发明具有能够节省通信量，保证通信效率，能够实现去中心化和去信任，提高物联网的安全性，显著降低物联网设备的软件维护成本，降低物联网设备交易成本等特点。

附图说明

图1是现有基于云网络的物联网系统图。

图2是本发明所述采用区块链的物联网系统图。

图3是本发明所述区块链链接的设备列表图。

图4是本发明所述物联网设备的自治系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的一种采用区块链的物联网，所述的物联网采用区块链技术进行设备识别和身份认证，采用区块链的共享账本和共识机制管理物联网设备的交易信息，其特征在于：在设备互联的起始阶段、身份识别和认证过程中，采用区块链的方式交互所有设备身份认证信息，保证物联网边缘网关以下的所有物联网设备拥有该局部网络的所有设备的身份信息，并在此基础上，对该局部网络采取一序列安全措施，不允许该局部网络中再加入其它的物联网设备，以防止恶意设备连入网络；或在该边缘网关以下的网络保证每两个设备之间通信方式采用独立通信链路进行通信，他们之间的通信内容不能被恶意设备监听到，因为恶意设备要接入该网络，也必须通过该区块链方式的网络身份认证，该方式使得恶意设备无法读懂其它两两互联设备之间的通信内容。

本发明所述的序列安全措施为一种通过锁网技术形成一个闭环网络；所述物联网设备之间通信采用自由协议通信，或者采用p2p网络通信形式，通信对象之间可采用加密通信技术；所述物联网设备之间的身份识别和认证采用区块链方式，物联网设备之间也采用p2p通信方式或者采用自有通信协议。

本发明所述的区块链中的连接设备的合法性采用哈希值校验，并且只有能够正确计算出所有连接设备的区块链的设备允许接入网络，并保存在每个设备的合法设备列表里面，保证任意两个设备之间的点对点通信。

所述的闭环网络是在若区块链膨胀到该设备的存储极限或者计算能力极限，或者在接收到用户的网络闭环命令时，该设备可以发出一个网络闭环命令给它的区块链中存在的设备，告知物联网其它该设备因为存储能力或者计算能力的原因，将形成一个以该设备为中心的逻辑上的闭环网络，并且不再接受另外设备的连接信息，其它设备要连接该设备，只能通过该设备的邻居设备连接到该设备，该逻辑闭环网络就是一个物联网的自治系统。

实施例：

一、本发明采用区块链的物联网的设备识别和身份认证：

区块链的去中心化技术体现在区块链网络不能采用中心化的服务器架构，比特币的原始设计里，采用每个客户端都能够对记账进行认证的方式确认交易的有效性，它带来的问题是随着交易量的增加，每笔交易账单都包含以往所有的交易链条信息，导致每笔新交易账单都要附加上以往的所有交易信息，现在每笔新交易的记账信息已经到达或者超过1M的数据量，每笔交易账单的生成速度非常慢，账单的网络传输的速度就更慢，以致每笔交易需要交易者花费大量的时间完成交易。为了解决这个问题，比特币网络采用了一种账单分支的方法，每隔一段时间备份以往的账单，从头开始生成新记账信息在网络上传输。

物联网中的设备存储容量和内存容量有限，特别地，物联网的部分无线设备采用电池供电，为了节约电池电量，采用所有通信内容完全放入区块链的方式导致通信报文过长，会浪费电池电量，所以不适合于完全采用区块链的每笔通信内容都放入区块链中发送的通信方式。但是在设备互联的起始阶段的身份识别和认证过程中，却可以采用区块链的方式交互所有设备身份认证信息，保证物联网边缘网关以下的所有物联网设备拥有该局部网络的所有设备的身份信息，在此基础上，可以对该局部网络采取一序列安全措施，比如通过锁网技术形成一个闭环网络，不允许该局部网络中再加入其它的物联网设备，防止恶意设备连入网络；也可在该边缘网关以下的网络保证每两个设备之间通信方式采用独立通信链路进行通信，他们之间的通信内容不能被恶意设备监听到，因为恶意设备要接入该网络，也必须通过该区块链方式的网络身份认证，该方式使得恶意设备无法读懂其它两两互联设备之间的通信内容。

物联网设备之间通信多采用自由协议通信,或者采用p2p网络通信形式，通信对象之间可采用加密通信技术。物联网设备之间的身份识别和认证若采用区块链方式，那么物联网设备之间也要采用p2p通信方式或者采用自有通信协议。P2p技术有很多介绍，这里不作阐述。

二、区块链的哈希值用于校验连接设备的合法性，只有能够正确计算出所有连接设备的区块链的设备允许接入网络，并保存在每个设备的合法设备列表里面，如图3中。物联网连接的设备目前已经有200亿个，物联网络中的设备若接受到网络闭环信息，则每个设备不再更改设备列表，保证本局部网络设备连接数量的稳定，可在成百亿的物联网络设备中形成一个自治系统。因为每个设备都有整个自治系统的所有连接设备，可以保证自治系统中任意两个设备之间的点对点通信。在中心化网络中，每个物联网设备只能和控制中心通信，由控制中心负责转发两个设备之间的通信信息，控制中心的通信负担过重，使得控制中心的设备的成本较高。而在采用区块链的物联网中，每个设备都保有该局部网络中所有设备的区块链，使得每个设备都可以和该局部网络中其它所有设备直接点对点通信；控制中心只需要负责接收一些人工输入的命令并且可以采用同样的点对点链接的方式转发到所有局部网络中的设备，使得控制中心可采用简单低价的通信设备，降低了整个物联网互联通信的成本。若每个设备的存储空间足够大，则可以在设备列表区块链中可以接入更多的设备进行点对点通信，扩大整个可信物联网络的连接设备数量。

三、物联网设备的自治系统：

物联网络是一个开放的网络，任何设备只要符合物联网络的连接标准都可以接入物联网，但是物联网设备的低成本注定物联网设备不可能带有不受限制的物理存储空间，而且也不需要让每个物联网设备和物联网络中所有的设备通信，每个通信设备只要能够把需要和它通信的设备的身份信息保存在区块链中，并进行区块链的交换和通信，可保证该设备不需要使用很大的存储空间就可以保存必须和它进行通信的设备的身份信息，

依据物联网设备的存储空间极限或者计算能力的极限，若物联网连接设备数量膨胀到该设备的存储极限或者计算能力极限，或者在接收到用户的网络闭环命令时，该设备可以发出一个网络闭环命令给它的区块链中存在的设备，告知物联网其它该设备因为存储能力或者计算能力的原因，将形成一个以该设备为中心的逻辑上的闭环网络，并且不再接受另外设备的连接信息，其它设备要连接该设备，只能通过该设备的邻居设备连接到该设备。最后形成一个如图2所示的物联网络逻辑图。该逻辑闭环网络就是一个物联网的自治系统。

自治系统内的设备之间可以互相交换信息，形成一个局部可信网络，比如家用智能物联网，可以控制空调系统调节室内温度，控制门锁的关闭状态，控制电灯泡的关闭，自动调节电冰箱的温度，以及自动控制电视机打开和关闭。

图4中的物联网设备不能接受闭环之外的设备的连接请求，图中虚线上的×表示该连接不能被接受，只能通过闭环内的其它设备连接，图4中用实线表示。网络闭环标志放置在图2所示的区块链数据结构中。

四、物联网隐私保护：

如图4所示，物联网形成一个自治系统以后，容易保护该自治系统之内连接的设备的隐私信息。某设备的隐私信息只能和区块链中已经存在的设备进行交换，区块链之外的设备要连接到该自治系统，必需通过该自治系统中的某个边缘设备的信息转发才能和该自治系统通信，边缘设备验证外部设备的连接请求，确认外部设备的可信程度，决定是否转发自治系统内部设备的隐私信息是否发送到该外部设备。从而保证自治系统内部的物联网设备的隐私信息。利用区块链技术，很容易形成一个物联网自治系统，从而有效保护自治系统内部物联网设备的隐私信息。

五、区块链降低物联网成本：

物联网成本包含物联网的交易成本和物联网的维护成本。应用区块链技术可以显著降低物联网的交易成本，区块链技术提供了物联网设备进行信息交换或者价值交换的身份识别和身份认证问题，区块链的共享账本和共识机制保证价值交易的不可否认性。在区块链的共享账本体系里，所有的参与者都能同时负责账本的维护并保证帐户的安全。通过公开每个物联网设备的身份信息来确保共同对某一作弊行为进行惩罚。区块链中每个人都可以为系统的安全做出贡献，和中心化的系统比较，区块链物联网无需维护一个昂贵的中心化系统，可以显著降低物联网的交易成本。

物联网的维护成本包括物联网设备的软件升级和修补等工作，传统物联网的软件升级多是由人工采用读写器连接设备，然后对设备进行软件写入操作，效率低，工作量大；如果设备数量很大，采用人工完成软件的升级和修补工作，几乎是不可能完成的浩大工程，人力成本巨大。但是，采用区块链技术则可以显著降低物联网设备的软件更新成本，厂商只需要选中该类型设备的某一个设备，对它进行软件更新和修补，该设备跨越物联网的自治系统，经由点对点通信协议连接其他位置的同类型设备，发送软件更新或者修补的信息给同类设备，依据约定的协议传送待更新的可执行文件完成软件更新和修补，最后把软件更新的状态信息回传到厂商，告知厂商软件更新的结果，可显著降低物联网设备的软件更新维护的成本。其过程如下：

1）具备设备软件更新维护功能的设备在其自治系统中查找同类型设备，若存在同类型设备，连接该同类型设备发送软件更新通信以及软件更新所需数据。软件更新完成的同类型设备继续查找它的设备列表区块链寻找同类型设备，直至所有同类型设备更新完成。

2）向该自治系统中的其它类型设备广播该类型设备的软件更新信息，由其它类型设备查找其设备列表区块链，寻找待更新软件的同类型设备。

3）若其它类型设备中存在待更新软件的设备类型，则该其它类型设备变成一个通信桥接设备，转发更新软件二进制文件给同类型设备让其完成软件更新，软件更新完成以后，同类型设备采用步骤一的方法继续软件更新。

4）若其他类型设备的区块链中存在不同类型的设备，向所有不同类型的设备广播该类型类社的更新信息，采用步骤3的方法完成该类型设备的软件更新。直至完成所有该类型设备的软件更新。

Claims (3)

1.一种采用区块链的物联网，所述的物联网采用区块链技术进行设备识别和身份认证，采用区块链的共享账本和共识机制管理物联网设备的交易信息，其特征在于：在设备互联的起始阶段、身份识别和认证过程中，采用区块链的方式交互所有设备身份认证信息，保证物联网边缘网关以下的所有物联网设备拥有该局部网络的所有设备的身份信息，并在此基础上，对该局部网络采取一序列安全措施，不允许该局部网络中再加入其它的物联网设备，以防止恶意设备连入网络；或在该边缘网关以下的网络保证每两个设备之间通信方式采用独立通信链路进行通信，他们之间的通信内容不能被恶意设备监听到，因为恶意设备要接入该网络，也必须通过该区块链方式的网络身份认证，该方式使得恶意设备无法读懂其它两两互联设备之间的通信内容。

2.根据权利要求1所述的采用区块链的物联网，其特征在于所述的序列安全措施为一种通过锁网技术形成一个闭环网络；所述物联网设备之间通信多采用自由协议通信，而物联网之间的通信多采用采用p2p网络通信形式，通信对象之间可采用加密通信技术；所述物联网设备之间的身份识别和认证采用区块链方式，物联网设备之间也采用p2p通信方式或者采用自有通信协议。

3.根据权利要求2所述的采用区块链的物联网，其特征在于所述的区块链中的连接设备的合法性采用哈希值校验，并且只有能够正确计算出所有连接设备的区块链的设备允许接入网络，并保存在每个设备的合法设备列表里面，保证任意两个设备之间的点对点通信,所述的闭环网络是在若区块链膨胀到该设备的存储极限或者计算能力极限，或者在接收到用户的网络闭环命令时，该设备可以发出一个网络闭环命令给它的区块链中存在的设备，告知物联网其它该设备因为存储能力或者计算能力的原因，将形成一个以该设备为中心的逻辑上的闭环网络，并且不再接受另外设备的连接信息，其它设备要连接该设备，只能通过该设备的邻居设备连接到该设备，该逻辑闭环网络就是一个物联网的自治系统。