CN108881169B - 基于区块链的时间分发和同步方法及系统、数据处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息检索及数据库结构技术领域，公开了一种基于区块链的时间分发和同步方法及数据处理系统，包括：时间源发布时间；定期从时间节点中选举出共识节点，共识节点将时间打包成区块并全网广播，区块链被用来记录和传递时间区块；时间节点接收时间区块，记录到账本中并更新本地时间；终端设备访问时间节点，获取时间，完成时间同步。本发明具有适应网络拓扑变化的优势，可以抵御恶意节点的攻击。利用POS的共识机制，可以有效地实现时间同步；具有较高的效率和较低的成本实现时间分发和同步。本发明主要解决了原有时间分发方式无法避免恶意节点的攻击，少量的恶意节点会影响整个系统的运转。

Description

基于区块链的时间分发和同步方法及系统、数据处理系统
技术领域
本发明属于信息检索及数据库结构技术领域，尤其涉及一种基于区块链的时间分发和同步方法及系统、数据处理系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：物联网是实现物与物相连的互联网。传统的互联网是以人为主体去获取信息资料，而物联网是通过无线传感器自动读取数据，系统会筛选需要的数据并进行传输从而真正实现无人工干预信息自动捕获目标。在这个过程当中，这些物联网需要利用众多的分布式单元共同协作完成信息采集、远程监控以及自动化管理等，故而时间的准确性和安全性就显得至关重要。分布式物联网中，每一个节点都有自己的本地时钟，这就有可能出现各个节点时间不一致的情况，为了应对这种情况，在系统中会进行时间同步操作。传统的时间同步方案大体上可以分为两类：基于树的时间同步协议、分布式的时间同步协议。基于树的时间同步协议中，时间源作为树的根节点存在，从根节点一层一层的向下传递时间，以达到时间同步的目的，但是此种方法存在的一个显著问题是当某一个节点发生错误的时候，错误会被传递下去，导致错误的节点以指数形式增长，即健壮性有缺陷。分布式的时间同步协议迥异于树形结构的单向通信，是通过节点向四周的邻居节点广播时间从而实现同步，因此在健壮性方面更占优。但是物联网本身就是一个相对开放的系统，也就是说存在恶意节点会对系统发起攻击，此时这些传感器节点无法辨认接收信息的真假。因而部分节点有可能获取错误时间进行同步，甚至最坏的情况是这些正常的普通节点会广播假的时间信息，导致越来越多的节点受到传染。结果是，少量的恶意节点影响了整个系统的时间同步过程。
综上所述，现有技术存在的问题是：物联网中各个节点都有同步时间的需求，因为本身物联网系统是开放的系统，系统非常容易受到攻击，使得普通节点会收到假的时间，使得自身本地时间与权威时间不一致，造成物联网终端节点之间本地时间各不相同，相互之间无法互相协同配合，甚至发生意外，例如无人驾驶系统中车辆路径规划混乱和智慧城市系统市政工程开启、关闭混乱。另一个问题是，节点之间无法判定谁的时间出现了问题，都认为本地时间是正常的，缺乏错误纠正机制。
解决上述技术问题的难度和意义：防止时间被恶意节点篡改，如何高效又安全得分发时间等这些问题为现有的安全共享方法带来困难。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于区块链的时间分发和同步方法及系统、数据处理系统。
本发明是这样实现的，一种基于区块链的时间分发和同步方法，所述基于区块链的时间分发和同步方法的时间源定期产生时间；所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，在整个网络广播；制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
进一步，所述基于区块链的时间分发和同步方法具体包括以下步骤：
步骤一，时间源搭建、管理系统；时间源将定期产生时间；
步骤二，所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，而这些共识节点会随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；是，时间源会选择出部分节点成为共识节点；在符合条件节点当中，随机某个节点成为当前时间的共识节点，随机过程时间源无法干预；时间源将本轮共识节点标识和轮次全网广播；
步骤三，共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，在整个网络广播，网络中所有的节点验证区块是否可信；
步骤四，制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；
步骤五，网络中需要进行更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
进一步，所述步骤一的时间源作为系统的发起者进行初始化包括：
(1)时间源将定期发起时间同步；
(2)通过时间源验证的节点才可以作为时间节点加入联盟；
(3)通过验证的节点会得到由时间源颁发的安全证书。
进一步，所述步骤二的共识节点选举方法包括：
(1)每经过一段时间，将进行时间同步；在当前轮次利用Pos共识机制，选举出共识节点，以接收时间源同步的时间；
(2)当前轮次，在进行共识节点的选取时，所有节点会将其掌有的资源报备给时间源，资源代表着时间节点所连接的要进行时间同步的设备，时间源会给出一个资源量，所有连接的设备数量大于该标准的时间节点会被选举出来成为备选共识节点，共识节点会随机选出一个参与新区块的生成、广播与共识；
(3)时间源拒绝某一时间节点连续当选；
(4)时间源将本轮共识节点标识和轮次全网广播。
进一步，所述步骤三的系统同步时间方法包括：
(1)时间源将最新的精确时间发送给共识节点；
(2)共识节点会将时间打包新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播。
进一步，所述步骤四的终端设备同步时间方法具体包括：
(1)网络中所有的节点验证后，认为该区块可信，全网将该区块写入账本中；
(2)时间节点按照指定账本结构写入信息，包括以下信息：
-当前hash:当前区块的区块体的哈希值；
-前一区块hash:前一个区块头的哈希值，用于与前一个区块进行连接；
-共识节点签名:共识节点的数字签名，用于验证区块信息的合法性、真实性；
-共识节点ID:共识节点的独一无二的身份ID；
-当前时间:时间源发布的最新的时间信息；
(3)所有时间节点获取同步时间后，根据同步时间将本地时钟的时间偏移置零。
进一步，所述步骤五的时间节点同步时间方法具体包括：
(1)终端设备向最近的时间节点发送请求，请求同步时间；
(2)请求发起前，终端设备判断是否能够连接到以前使用的时间节点，如果连接不存在，终端设备需要重新寻找时间节点并建立连接，提交设备EID以及IP地址，时间节点则需要根据接收到的信息更新节点白名单；
(3)如果连接存在，时间节点就只需验证设备是否在黑名单中，如果在黑名单中，时间节点拒绝服务，否则节点需要接收到设备发出的请求后作出相应；
(4)时间节点给终端设备更新时间需要用到三个参数，即账本最后一个区块记录的时间t1、时间节点本地时钟记录的时间偏移t2、网络时延t3；绝对时间为三个参数相加，完成设备的时间更新：
T＝offset+Tb+Tc＝((T2-T1)+(T3-T4))/2+Tb+Tc。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于区块链的时间分发和同步方法的基于区块链的时间分发和同步系统，所述基于区块链的时间分发和同步系统包括：
时间源模块，用于负责搭建、管理系统，将定期产生时间；
本轮共识节点产生模块，用于所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；
验证区块模块，用于共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播，网络中所有的节点验证区块是否可信；
更新模块，用于制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；
时间同步模块，用于进行更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于区块链的时间分发和同步方法的数据处理系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：使用的区块链技术保证了分布式账本中的信息的真实性，账本上的哈希值保证了时间文件的完整性以及不可篡改性。如果时间节点被攻击，攻击者想要篡改账本记录的时间，以影响该节点管理的终端设备，则账本中记录的哈希值将发生变化，使得攻击者发动的攻击能被立刻识别出来；账本公开可验证的特性保证了任何用户可以自由查看账本明文信息。本发明可以安全、高效同步时间。
本发明区块链共识机制保证了系统内只有达成共识的时间才会成为可信时间。当系统内共识节点接收到时间源发布的时间后，将时间打包成新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播才会被所有节点接收，其余节点将其记录到账本中；恶意节点无法通过广播错误时间给其他节点对系统造成伤害，因为时间区块上标记有时间源的签名，其余节点通过验证签名的真伪可以判断区块的真实性。本发明可以有效抵制恶意节点对系统的攻击。
本发明终端设备只需要访问就近的时间节点，获取时间节点本地时间信息、账本时间信息以及通信时延信息，即可完成时间同步工作，非常简单便捷。通过这种主动请求的方式同步终端设备的时间降低了系统的开销，提高了系统的效率。
本发明的时间源是联盟链的发起者，拥有着最高的系统权限，时间源也作为身份认证中心存在，即如果某一节点需要加入到该区块链系统当中，需要时间源对其提交的身份信息进行安全认证，只有通过时间源验证的节点才可以作为时间节点加入该联盟。如果有节点妄图恶意篡改账本中的时间，系统可以及时发现并剔除恶意节点，保证了系统稳定性。现有技术无法将恶意节点剔除出系统，只能尽可能的降低恶意节点对系统的影响，将其影响范围控制在最小，并不能从根本上解决问题。依据图6本发明实施例提供的数据安全性的仿真图可以看到。系统内即使存在恶意节点，也可以保证精确地时间同步。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法的实现流程图。
图3是本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法的模型图。
图4是本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法的具体实现流程图。
图5是本发明实施例提供的区块链账本结构图。
图6是本发明实施例提供的数据安全性的仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明以实现时间的安全、高效同步，利用区块链的共识方式，实现抵抗恶意节点的攻击。区块链是一个时序的链式数据结构；区块的添加确认是以时间顺序作为基准的，既可以避免添加区块时发生区块碰撞，也可以保证系统的安全性。另一方面，区块链的共识机制保证了，正确时间得到系统中绝大部分节点的认可，恶意节点无法将错误时间在系统内部扩散。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法包括以下步骤：
S101：时间源负责搭建、管理系统，将定期产生时间；
S102：所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间，如果是的话，时间源会选择出部分节点成为共识节点；
S103：共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播，网络中所有的节点验证区块是否可信；
S104：制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；
S105：网络中需要进行更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
下面结合附图对本发明的应用原理做进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法具体包括以下步骤：
步骤一，时间源发布时间。
步骤二，时间节点按照发布周期，定期选举出共识节点。
步骤三，共识节点接收时间，将其打包成区块，并全网广播。
步骤四，时间节点同步时间。
步骤五，终端设备访问最近的时间节点，完成时间同步。
如图4所示，本发明实施例提供的基于区块链的时间分发和同步方法进一步具体包括以下步骤：
(1)初始化：
为了实现系统能正常运转，需要在起始阶段对系统进行初始化。初始化过程包括：
1a)时间源作为联盟链的发起者，负责搭建、管理系统，并监控系统内异常情况。同时，掌握最精确的全局时间，是时钟同步过程的发起点，时间源将定期产生时间。
1b)时间源也作为身份认证中心存在，拥有着最高的系统权限，即如果某一节点需要加入到该区块链系统当中，需要时间源对其提交的身份信息进行安全认证，只有通过时间源验证的节点才可以作为时间节点加入该联盟。
1c)通过验证的节点会得到由时间源颁发的安全证书，证书中包含有一个唯一的序列号以及公私钥对，序列号代表节点的身份，公私钥对用于签名。在终端设备初次连接时间节点进行初始化的时候，安全证书可以证明节点身份的合法性，该节点将成为时间节点。
(2)共识节点选举
2a)按照系统约定，每经过一段时间，系统将进行时间同步。系统需要在当前轮次利用Pos共识机制，选举出备选共识节点，以接收时间源同步的时间。
2b)当前轮次，在进行共识节点的选取时，所有节点会将其掌有的资源报备给时间源，这种资源代表着时间节点所连接的要进行时间同步的设备，时间源会给出一个资源量，所有连接的设备数量大于该标准的时间节点会被选举出来成为共识节点，而这些共识节点会随机选出一个参与新区块的生成、广播与共识。
2c)时间源无法干预随机过程的结果，但可以拒绝某一时间节点连续当选。
2d)时间源将本轮共识节点标识和轮次全网广播。
(3)系统同步时间
3a)时间源将最新的精确时间发送给共识节点。
3b)共识节点会将时间打包新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播。
(4)时间节点同步时间
4a)网络中所有的节点验证后，认为该区块可信，全网将该区块写入账本中。
4b)时间节点按照指定账本结构写入信息，主要包括以下信息：
-当前hash:当前区块的区块体的哈希值。
-前一区块hash:前一个区块头的哈希值，用于与前一个区块进行连接。
-共识节点签名:共识节点的数字签名，用于验证区块信息的合法性、真实性。
-共识节点ID:共识节点的独一无二的身份ID。
-当前时间:时间源发布的最新的时间信息。
4c)所有时间节点获取同步时间后，根据同步时间将本地时钟的时间偏移置零。
(5)终端设备同步时间
5a)终端设备向最近的时间节点发送请求，请求同步时间；
5b)请求发起前，终端设备判断是否能够连接到以前使用的时间节点，如果连接不存在，终端设备需要重新寻找时间节点并建立连接，提交设备EID以及IP地址，时间节点则需要根据接收到的信息更新节点白名单。
5c)如果连接存在，时间节点就只需验证设备是否在黑名单中，如果在黑名单中，时间节点拒绝服务，否则节点需要接收到设备发出的请求后作出相应。
5d)时间节点给终端设备更新时间需要用到三个参数，即账本最后一个区块记录的时间t1、时间节点本地时钟记录的时间偏移t2、网络时延t3。其中前两个参数可以通过读取账本、时间节点的响应信息获取到，如公式所示，第三个参数根据网络时间协议计算得出。最后的绝对时间为三个参数相加，完成设备的时间更新。
T＝offset+Tb+Tc＝((T2-T1)+(T3-T4))/2+Tb+Tc。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1.仿真条件
仿真环境是：联想笔记本，配置是Intel(R)Core(TM)i5-3210M CPU@2.50GHz 4.0GRAM。
2.仿真内容与结果分析
采用本发明模拟恶意节点对时间同步系统发动攻击，结果如图6所示，展示了时间源附近的恶意设备对几种方案的同步率的影响，之所以选取时间源附近的节点是考虑到时间源附近的节点对于信息传播的影响，越靠近时间源影响越大。为了便于分析，使用Ganeriwal等人Timing-sync protocol for sensor networks一文中提出的TPSN以及T.Qiu等人文章STETS:A novel energyefficient time synchronization scheme basedon embedded networking device提出的STETS两种方案与本发明方案进行对比，从结果可以看出TPSN与STETS两种方案容错性较差，恶意设备距离时间源越近，同步率越低。而本发明的方案，无论恶意设备距离时间源多近，对于设备的同步率并没有影响，都能够实现所有正常设备的时间同步。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述基于区块链的时间分发和同步方法的时间源定期产生时间；所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，共识节点随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，在整个网络广播；制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
2.如权利要求1所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述基于区块链的时间分发和同步方法具体包括以下步骤：
步骤一，时间源搭建、管理系统；时间源将定期产生时间；
步骤二，所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，而这些共识节点会随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；是，时间源会选择出部分节点成为共识节点；在符合条件节点当中，随机某个节点成为当前时间的共识节点，随机过程时间源无法干预；时间源将本轮共识节点标识和轮次全网广播；
步骤三，共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，在整个网络广播，网络中所有的节点验证区块是否可信；
步骤四，制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；
步骤五，网络中需要进行更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
3.如权利要求2所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述步骤一的时间源作为系统的发起者进行初始化包括：
(1)时间源将定期发起时间同步；
(2)通过时间源验证的节点才可以作为时间节点加入联盟；
(3)通过验证的节点会得到由时间源颁发的安全证书。
4.如权利要求2所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述步骤二的共识节点选举方法包括：
(1)每经过一段时间，将进行时间同步；在当前轮次利用Pos共识机制，选举出共识节点，以接收时间源同步的时间；
(2)当前轮次，在进行共识节点的选取时，所有节点会将其掌有的资源报备给时间源，资源代表着时间节点所连接的要进行时间同步的设备，时间源会给出一个资源量，所有连接的设备数量大于标准的时间节点会被选举出来成为备选共识节点，备选共识节点会随机选出一个参与新区块的生成、广播与共识；
(3)时间源拒绝某一时间节点连续当选；
(4)时间源将本轮共识节点标识和轮次全网广播。
5.如权利要求2所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述步骤三的系统同步时间方法包括：
(1)时间源将最新的精确时间发送给共识节点；
(2)共识节点会将时间打包新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播。
6.如权利要求2所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述步骤四的终端设备同步时间方法具体包括：
(1)网络中所有的节点验证后，认为该区块可信，全网将该区块写入账本中；
(2)时间节点按照指定账本结构写入信息，包括以下信息：
-当前hash:当前区块的区块体的哈希值；
-前一区块hash:前一个区块头的哈希值，用于与前一个区块进行连接；
-共识节点签名:共识节点的数字签名，用于验证区块信息的合法性、真实性；
-共识节点ID:共识节点的独一无二的身份ID；
-当前时间:时间源发布的最新的时间信息；
(3)所有时间节点获取同步时间后，根据同步时间将本地时钟的时间偏移置零。
7.如权利要求2所述的基于区块链的时间分发和同步方法，其特征在于，所述步骤五的时间节点同步时间方法具体包括：
(1)终端设备向最近的时间节点发送请求，请求同步时间；
(2)请求发起前，终端设备判断是否能够连接到以前使用的时间节点，如果连接不存在，终端设备需要重新寻找时间节点并建立连接，提交设备EID以及IP地址，时间节点则需要根据接收到的信息更新节点白名单；
(3)如果连接存在，时间节点就只需验证设备是否在黑名单中，如果在黑名单中，时间节点拒绝服务，否则节点需要接收到设备发出的请求后作出响应；
(4)时间节点给终端设备更新时间需要用到三个参数，即账本最后一个区块记录的时间T1、时间节点本地时钟记录的时间偏移T2、网络时延T3；绝对时间为三个参数相加，完成设备的时间更新：
T＝offset+Tb+Tc＝((T2-T1)+(T3-T4))/2+Tb+Tc。
8.一种实现权利要求1所述基于区块链的时间分发和同步方法的基于区块链的时间分发和同步系统，其特征在于，所述基于区块链的时间分发和同步系统包括：
时间源模块，用于负责搭建、管理系统，将定期产生时间；
本轮共识节点产生模块，用于所有时间节点根据系统规则定期选举产生本轮共识节点，随机参与新区块的生成、广播与共识；时间源判断当前时间是否是选举时间；
验证区块模块，用于共识节点会接收时间源发出的本轮时间，将时间打包成新区块，添加自己的签名，之后在整个网络广播，网络中所有的节点验证区块是否可信；
更新模块，用于制作的区块得到证实通过后，全网所有的时间节点将该区块添加到账本中；所有时间节点根据时间，更新本地时间，保证本地时间与时间一致；
时间同步模块，用于进行更新时间的终端设备主动连接时间节点并同步时间。
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