CN108737348A - 一种基于区块链的智能合约的物联网设备访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的智能合约的物联网设备访问控制方法。该方法主要将访问控制规则编写成智能合约，放入区块链中高度冗余的分布式存储；在访问控制中，主体对客体的智能合约进行签名，当客体访问主体时，首先验证签名合法后，通过区块链的事务流触发智能合约中的规则，共识后，自动获得主体资源；而非法用户无法达成共识获得网络资源。本发明能够解决当下海量物联网设备在云计算中遇到的访问控制权限界定不明确导致物联网中的资源使用不安全的问题。

Description

一种基于区块链的智能合约的物联网设备访问控制方法

技术领域

本发明属于信息技术、物联网技术领域，具体涉及一种基于区块链的智能合约实现的访问控制方法及系统，主要将访问控制规则编写成智能合约，放入区块链中高度冗余的分布式存储。在访问控制中，主体对客体的智能合约进行签名，当客体访问主体时，首先验证签名合法后，通过区块链的事务流触发智能合约中的规则，达成共识后，自动获得主体资源。而非法用户无法达成共识获得网络资源。

背景技术

近年来物联网设备成爆炸式的指数增长。各大厂家纷纷推出了自己的车联网、智能家居、可穿戴式设备(如智能手环、智能手表、心跳起搏器、智能眼镜)等等，均在打造自己的生态圈。但安全问题却少有关注。2014年10月23日，一场名为“安全极客嘉年华暨GeekPwn”的活动在北京举办。从主办方提供的日程来看，从小到智能WiFi插座，大到特斯拉汽车，一些被称为“安全极客”的高手将展示他们发现的产品漏洞，并现场重现破解的过程。2015年7月9日，360安全工程师不到一周时间破解了比亚迪新车，整个过程无需任何工具，只要与攻击者用过同一个WiFi，或者点击过攻击者发的微信钓鱼链接，车就能被开走。最关键的是，即使车被开走了，这车所处的云平台也不会发出任何警告信息。打开手机App观看的时候，只显示车正在正常运行。

由此可以看出，在这个物联网与云计算如火如荼的时代，安全问题却非常薄弱。当前比较流行的物联网、云计算的架构如图1所示。前端物联网设备对信息进行采集，经过简单的加密后上报到云服务器，云服务器再对信息处理后做存储。当用户想要获取信息时则从云服务器上直接获取。这样会存在某些问题，比如前端设备没有完善的认证机制，从而导致设备与云服务器交互时很容易被黑客利用，从而非法获取授权，进行越权操作。例如，上面提到的特斯拉、比亚迪电车的破解，就是由于权限设置不明确引起的。导致上面问题产生的原因，主要是由于物联网设备的带宽较低，运算能力较弱，无法完成PC上面复杂的安全的认证授权机制。同时，由于该架构下，所有的服务均是由中心服务器提供，这就要求云服务器必须安全可靠。作为智慧城市的信息系统必须拥有强大的计算能力、感知能力和数据的安全应用能力。由于前端设备的运算能力较低，但云服务器的运算能力强大，因此，物联网和云计算的架构为智慧城市建设提供了可行性。但是，由于众多物联网设备均需要依靠中心服务器，又会带来新的几个问题：中心服务器维护困难、维护中心服务器代价高、权限管理困难(权限划分不明确即粗粒度、前端缺乏必要的认证机制)、可扩展性较弱。因此，在物联网与云计算的架构中难于解决当前众多物联网设备的权限管理不当的问题。

从上面例子可以看出，由于依赖的中心服务器对众多物联网设备访问控制的权限设定不明，导致很容易被黑客利用后进行非法授权，从而干扰设备正常运作；并且一旦中心服务器被攻击，将带来无法弥补的后果。因此一套安全的访问控制权限问题亟待解决。

自2015年下半年以来，“区块链”成为新兴技术，其去中心化、去信任的机制得到全球市场的认同，并有望成下一代“价值互联网”的基础协议。它是比特币(BitCoin)技术中的核心部分，其功能简单而言类似于一种账本，将所有交易记录在这个账本上，利用密码学算法对交易数据进行保护，其它用户可以快速验证交易数据的合法性，从而在互联网上建立一种信任。如果说互联网的诞生使得人们可以方便的传递消息进行交流，那么区块链则可以说是在一个去中心化的不可信的网络中对价值直接进行安全的传递。截止目前已经引起世界各国的金融机构、政府以及科技企业和资本市场的高度重视与广泛关注。2016年1月，英国政府发布区块链专题研究报告，积极推行区块链在金融和政府事务中的应用。一时间多国央行、各大交易所、国际投行、IT巨头纷纷涌入。

由于区块链在金融上进行价值传递的独特优势，好多互联网巨头考虑将其应用于解决其它方面的问题。如IBM与三星正在合作的ADEPT项目，用于解决物联网之间的分享，这里的分享，将不仅仅是数据的分享，通过区块链指令，设备可以共享计算机功率、带宽甚至电力等等一切具有价值的东西。而分享的这些有价值的东西本身就是对权限进行管理。它的产生将会对诸如银行、支付和转账、网络安全、学术验证、投票、汽车租赁、物联网、智能合同、预测、在线音乐、出行共享、股票交易等等行业产生巨大的冲击。因此，达沃斯论坛创始人说区块链和智能合约是第四次工业革命，可以颠覆未来。

由此可见，区块链的应用非常广泛，其中最大的亮点便是智能合约，可以将其应用于访问控制的管理。但目前区块链仍处于萌芽阶段，其在物联网方面有巨大的应用场景。由此看似离我们遥远的区块链，在多年以后可能将真的颠覆我们的金融市场，甚至整个社会的构建方式。因为它的出现是不可逆的。

发明内容

本发明研究的是如何解决当下海量物联网设备在云计算中遇到的访问控制权限界定不明确导致物联网中的资源使用不安全的问题。本发明提出了通过区块链的智能合约解决这些问题的一套机制。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于区块链的智能合约的物联网设备访问控制方法，其步骤包括：

1)对物联网设备的访问控制权限进行细粒度的划分，并设定物联网设备的响应规则；

2)将物联网设备的访问控制权限和响应规则编写成智能合约，将智能合约部署到区块链中，实现分布式存储；

3)用户访问物联网资源时，资源提供者调用智能合约验证用户是否合法，合法用户得到授权并获得资源，非法用户无法获得资源。

进一步地，通过基于PKI的成员权限管理，对接入的节点和客户端的能力进行限制，其中包含三种证书：注册证书，交易证书，以及确保安全通信的TLS证书。

进一步地，用户获取证书以及进行访问控制的过程是：用户向注册证书颁发机构注册，注册证书颁发机构判断用户属性是否合法，合法则返回用户证书，然后将用户ID以及属性信息通知访问控制引擎，访问控制引擎则将访问控制权限写入访问控制列表中；在事务传递过程中，用户请求一个事务，交易认证机构判断该事务合法并将该事务传递至访问控制引擎，访问控制引擎通过访问控制列表获取合法性并得到查询结果，访问控制引擎将查询结果返回给交易认证机构，交易认证机构返回最终结果给用户或节点。

进一步地，所述智能合约包含实现功能的所有逻辑处理过程，并对外提供接口，外部通过调用链码接口来改变世界观，其中链码是指区块链上的应用代码，世界观是指是一个键值数据库，链码用它来存储交易相关的状态。

进一步地，在访问控制中，所述智能合约实现的逻辑处理过程包括：链码拥有者注册用户或节点、用户或节点的访问控制列表的维护、对用户或节点的管理、对用户或节点的审计、对用户或节点的访问管理。

进一步地，所述链码支持的交易类型包括：部署、调用和查询。

进一步地，通过区块链服务完成众多节点的共识，即使得每一个事件流能够得到多个智能合约统一的回应。

本发明的有益效果如下：

传统的访问控制方法中，访问控制权限记录在中心服务器上，难于细粒度的划分权限，并且该服务器必须完全的受信任，一旦中心服务器被攻击利用，则访问控制的权限很容易被绕过或者篡改。而本发明则是利用了区块链的智能合约，将访问控制完全分布式地存放在多台主机上，黑客想要篡改访问控制的权限，需要攻破全网一半以上的主机来修改，这样的情况是非常困难的，所以本发明在一定程度上保证了访问控制的安全。

附图说明

图1是物联网与云计算框架图。

图2是Hyperledger Fabric架构图。

图3是访问控制基本模型图。

图4是访问控制过程图。

图5是智能合约执行图。

图6是四种方案10次测试的响应时间对比图。

图7是四种方案在恶意用户不断增加的情况下授权用户访问成功率的变化情况对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本方案基于Hyperledger Fabric的智能合约进行访问控制。主要包含了以下三个模块：成员管理模块、智能合约模块以及区块链服务模块。Hyperledger Fabric是IBM开放区块链架构，其整体架构如图2所示。其中，“注册”是指用户信息计入系统中，从而获得某种进入系统的权利；“身份管理”是指管理各个成员以及他们的授权访问；“审计”是指在一定权限和许可下，可以对链上的交易进行审计和检查；“共识管理”是指管理各个节点，使得最终各个节点的意见一致；“分布式账本”是指每个节点都有一份账本，分布式的存放在各个节点中，且保持一致；“P2P协议”是指点对点协议，即点对点直接进行传输，不需要中心服务器；“账本存储”是指将账本内容同步到本地账本中；“容器”是指docker容器；“gRPC消息”是指google发布的一个高性能、跨语言的通用RPC框架；“APIs.SDKs”是指应用程序接口、软件开发工具包。

访问控制引擎将通过某种安全策略来判断主体是否有权限访问客体所需的资源，只有具备权限的主体才可以得到授权。图3是一个访问控制的基本模型图。由于基于属性的访问控制较为灵活，但其采用了公钥加密机制，在物联网中通常为轻量级设备，不适合做复杂的加解密运算。因此，采用基于属性的访问控制需要将复杂的加解密置于多台服务器上分布式计算，而嵌入式设备只需要查询结果即可。

1.成员管理模块

通过基于PKI(Public Key Infrastructure,公开密钥基础设施)的成员权限管理，平台可以对接入的节点和客户端的能力进行限制。证书有三种：注册证书(EnrollmentCertificate)，交易证书(Transaction Certificate)，以及确保安全通信的TLS(Transport Layer Security,安全传输层协议)证书。

1)注册证书(ECert)：颁发给提供了注册凭证的用户或节点，一般长期有效，一般用于需要验证用户和节点的合法性；其中用户是指系统的参与者，节点是指某个运行着智能合约的系统；

2)交易证书(TCert)：颁发给用户，控制每个交易的权限，一般针对某个交易，短期有效，一般用于用户进行传递事务时进行的签名；所述事务是指一次交易(即a对b的一次访问，可以看做一次交易过程)，此交易要么全部完成，要么一点也不执行，即是一个原子操作；

3)通信证书(TLSCert)：控制对网络的访问，并且防止窃听，用于用户或节点通信时候进行的加密，在区块链服务中已经实现。

在访问控制中，用户获取各证书以及访问控制流程关系如图4所示，其中ECA为注册证书颁发机构，TCA为交易认证机构。e1～e5为用户获取ECert过程，首先e1为用户向ECA注册，e2为ECA判断用户属性是否合法，合法则返回用户证书(如图4中e3所示)，然后通知访问控制引擎(即负责逻辑关系的链码(chaincode))用户ID以及属性信息(如图4中e4所示)，访问控制引擎则将访问控制权限写入访问控制列表中(如图4中e5所示)。t1～t6为事务传递过程，t1为用户请求的一个事务，t2为TCA判断该事务合法并将该事务传递至访问控制引擎，t3为访问控制引擎通过访问控制列表获取合法性，t4为查询结果返回，t5为访问控制引擎返回给TCA，t6为TCA返回最终结果给用户或节点。

所有通信过程都是通过TLSCert加密传输的，此处隐去了该加密传输(TLS)过程(为本领域的公知技术)。

2.智能合约模块

智能合约需要包含实现功能的所有逻辑处理过程，并对外提供接口，外部通过调用链码接口来改变世界观。其中链码(chaincode)是指区块链上的应用代码，扩展自“智能合约”概念，支持golang、nodejs等。世界观是指是一个键值数据库，链码用它来存储交易相关的状态。在访问控制中，需要实现的逻辑处理过程有：链码拥有者(链码的部署者)注册用户或节点、用户或节点的访问控制列表的维护、对用户或节点的管理(包括用户注销、登录、修改密码等)、对用户或节点的审计、对用户或节点的访问管理。

链码目前支持的交易类型包括：部署(Deploy)、调用(Invoke)和查询(Query)。

部署：VP(Validating Peer，验证节点)节点利用链码创建沙盒，沙盒启动后一次性发送包含ChaincodeID信息的注册消息(REGISTER消息)给VP节点，进行注册；注册完成后，VP节点通过gRPC传递参数并调用链码Invoke函数完成初始化；

调用：VP节点发送交易消息(TRANSACTION消息)给链码沙盒，链码沙盒用传过来的参数调用链码的Invoke函数完成调用；

查询：VP节点发送查询消息(QUERY消息)给链码沙盒，链码沙盒用传过来的参数调用链码的Query函数完成查询。

不同链码之间可能互相调用和查询。

智能合约模块需要实现的功能详细描述如下：

1)系统中访问控制列表

该模块主要设计系统中的访问控制列表，比如Bob可以访问Alice访问控制列表中的func。则将该规则做成访问控制列表的形式。

2)Chaincode的编写与部署

该模块主要根据上述的访问控制列表以及用户证书，编写chaincode，使得合法资源调用者可以合理调用资源。

3)Chaincode的执行

该模块主要在运行时接收到事务流时，首先提取签名字段进行验签，如果验签成功，达成共识后进行授权访问操作。所述达成共识是指各个节点通过共识算法，各个节点最终的验证结果一致。

访问控制就是给出一套方法，将系统中的所有功能标识出来，组织起来，托管起来，将所有的数据组织起来，标识出来，托管起来，然后提供一个简单的唯一的接口，这个接口的一端是应用系统，另一端是权限引擎。权限引擎所回答的只是：谁是否对某资源具有实施某个动作的权限。返回的结果只有：有、没有、权限引擎异常了。因此基于智能合约的访问控制包含的实体如下：

1、cc：是一个包含单个函数func的chaincode；

2、Alice：是cc的部署者；

3、Bob：是cc的函数调用者。

Alice想要确保只有Bob可以调用函数func。

为了完成上述的Alice指定自己的访问控制列表(如上述提到的func)并且只有Bob可以访问到，智能合约模块必须提供如下的功能才能实现：

1、Alice和Bob可以使用他们拥有的特定交易证书或者注册证书来签名和验签任何的事务；

2、允许每个事务绑定一个名字，用于将应用层数据绑定到传输它的底层事务上。

3、事务的格式可以扩展。

3.区块链服务模块

区块链服务主要完成的是众多节点的共识，即使得每一个事件流可以得到多个智能合约统一的回应。该模块已经在Hyperledger Fabric中实现。

图5是智能合约执行图，其具体过程包括以下步骤：

1)预置触发条件：管理员先对系统的访问控制权限做出细粒度的划分；

2)预置响应规则：管理员设定具备什么条件做出授权，提供资源；

3)将上述内容编写成智能合约，部署到区块链中；

4)当用户访问某个资源时，资源提供者直接调用智能合约的查询接口，智能合约根据预置条件自动执行，合法用户得到授权，非法用户无法获得资源。

上述三个模块是Hyperledger Fabric具有的。而利用Fabric的智能合约做访问控制是本发明提出的(即访问控制引擎加入到区块链中)。本发明的技术创新性在于，抛弃了传统的访问控制模型(中心化的)，而利用了Fabirc的完全分布式，将访问控制分布式地存放在了各个节点上，比传统的访问控制模型更加安全。

在物联网中通常为轻量级的设备，无法进行复杂的认证加密操作，因此，当下比较流行的做法是采用了“物联网+云计算”的架构，即，物联网设备将收集的数据上报到云端，用户通过云端直接访问需要的数据。这样带来的问题是海量的物联网设备都接入云端服务器，带来的问题是：1、云端服务器压力大；2、云端服务器的访问控制权限很难设定的非常明确；3、云端服务器一旦被攻击，则访问控制权限将大开。而本发明提出的用区块链的智能合约解决访问控制问题，则解决了这些问题，完全分布式的存放在各个节点上，对于不同类型的设备放在不同的智能合约里面，由于完全分布式，攻破几台主机不能获取到相应权限，而攻破全网的大部分主机的困难程度极高。因此在一定程度上保证了安全。

为证明本方案的性能优势，本发明在相同的环境中分别实现了UNAC(统一网络访问控制体系)方案、U-TNC(预授权和授权时的网络访问控制模型)方案和RS-UCON(基于可信计算技术的双向证明支持策略执行模型)方案，并将它们与本文方案在关键性能指标上进行比较。

图6是上述四种方案10次测试的响应时间情况。由于本发明的方案采用基于区块链的方式，完全分布式的系统在权限验证时需要所有节点分别计算后达成共识，因此本发明的方案在时间性能上稍弱于其他方案。但是从实验数据可以看出，时间性能的数量级与其他方案在同一级别。

图7是四种方案在恶意用户不断增加的情况下授权用户访问成功率的变化情况。由该图可以看出，在总用户为n个时，当恶意用户小于(n-1)/3时，本发明的方案具有明显的优势。当恶意用户大于上述比例时，本发明的方案的访问成功率与其他三种方案结果接近。根据区块链的共识机制，本发明实现的基于区块链的访问控制模型在恶意用户数量小于(n-1)/3时，可以保证访问控制的安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种基于区块链的智能合约的物联网设备访问控制方法，其步骤包括：

1)对物联网设备的访问控制权限进行细粒度的划分，并设定物联网设备的响应规则；

2)将物联网设备的访问控制权限和响应规则编写成智能合约，将智能合约部署到区块链中，实现分布式存储；

3)用户访问物联网资源时，资源提供者调用智能合约验证用户是否合法，合法用户得到授权并获得资源，非法用户无法获得资源。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过基于PKI的成员权限管理，对接入的节点和客户端的能力进行限制，其中包含三种证书：注册证书，交易证书，以及确保安全通信的TLS证书。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，用户获取证书以及进行访问控制的过程是：用户向注册证书颁发机构注册，注册证书颁发机构判断用户属性是否合法，合法则返回用户证书，然后将用户ID以及属性信息通知访问控制引擎，访问控制引擎则将访问控制权限写入访问控制列表中；在事务传递过程中，用户请求一个事务，交易认证机构判断该事务合法并将该事务传递至访问控制引擎，访问控制引擎通过访问控制列表获取合法性并得到查询结果，访问控制引擎将查询结果返回给交易认证机构，交易认证机构返回最终结果给用户或节点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述智能合约包含实现功能的所有逻辑处理过程，并对外提供接口，外部通过调用链码接口来改变世界观，其中链码是指区块链上的应用代码，世界观是指是一个键值数据库，链码用它来存储交易相关的状态。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在访问控制中，所述智能合约实现的逻辑处理过程包括：链码拥有者注册用户或节点、用户或节点的访问控制列表的维护、对用户或节点的管理、对用户或节点的审计、对用户或节点的访问管理。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述链码支持的交易类型包括：部署、调用和查询。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过区块链服务完成众多节点的共识，即使得每一个事件流能够得到多个智能合约统一的回应。