CN109873825A - 基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法及系统；所述系统包括无线传感网络下的控制中心和若干车联网设备，以及区块链网络下的智能合约、多个代理节点、矿工节点以及普通节点；其中部分普通节点被注册成为管理员；所述无线传感网络用于车联网设备间的通信与识别；所述控制中心用于将车联网设备编码的CoAP消息转换为JSON‑RPC消息；所述车联网设备通过控制中心与区块链网络的节点相连接；本发明基于区块链技术，将访问控制策略强制执行；消除了集中访问管理；简化了区块链网络中的整个过程，并减少了节点之间的通信开销；另外，访问控制信息也能被实时提供给车联网设备。

Description

基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法及系统。

背景技术

现如今，车联网技术正在飞速发展，根据物联网服务器的最新研究报告，到2022年，车联网的设备数量预计将到达180亿台，车联网(Internet of Vehicles，简称IoV)已经成为一项在许多垂直市场上具有重要影响力的技术。可以预见，许多车联网服务将为数以百万计的简单设备提供全球覆盖。除此之外，许多车联网设备的约束能力，以及基于集中式和分层结构的当前访问控制系统，都在车联网领域带来了新的挑战。集中式访问控制系统(也称为客户端/服务器范例)旨在满足传统的面向人机的Internet场景的需求，其中设备位于同一信任域内，这通常需要集中式访问管理。

但是，在传统场景中，车联网设备可能是移动的，并且在其生命周期内属于各种管理社区。另一方面，车联网设备可以由多个管理员同时管理。此外，许多车联网设备和受限制的管理器在CPU，内存和电池资源等方面将过于有限，无法使用当前系统正常运行。

区块链于2009年由Satoshi Nakamoto首次推出。比特币是第一个广泛使用的点对点无信任电子现金实施。从那时起，许多其他形式的电子现金(加密货币)已经使用类似的结构进行创建。与此同时，多年来开发了使用区块链的不同应用程序来实现除了加密货币以外的其他方案。智能合约(Smart contract)和智能财产等新概念已经进入现场。智能合约是促进，验证或执行合同谈判或履行的计算机协议。它们提供了直接跟踪和执行各方之间复杂协议的能力，而无需人工干预。

因而有人提出了将区块链与车联网系统相结合的技术，例如刘勇等人提出的“基于区块链技术的车联网汽车身份认证可行性研究”，该研究基于区块链技术的特征和原理，将区块链技术与车联网相结合，应用在汽车身份认证中，提出适用于车联网身份认证的区块链系统框架；还比如中国专利CN109068299A中提出了“一种基于区块链的车联网架构及其工作方法”，其主要解决了传统中心化车联网架构的中心化、实体间相互不信任的问题；

但现有的区块链车联网系统中采用的区块链网络一般都是较为复杂的，传感器节点之间的通信开销非常大，导致车联网系统的访问控制十分繁琐不便捷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，以解决上述问题。

本发明提供的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法及系统，

一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，包括无线传感网络下的控制中心和若干车联网设备，以及区块链网络下的智能合约、多个代理节点、矿工节点以及普通节点；其中部分普通节点被注册成为管理员；所述无线传感网络用于车联网设备间的通信与识别；所述控制中心用于将车联网设备编码的CoAP消息转换为JSON-RPC消息；所述车联网设备通过控制中心与区块链网络的节点相连接。

进一步的，

所述代理节点用于在控制系统中部署唯一的智能合约；

所述普通节点为实体设备节点，所述普通节点通过注册成为管理员，所述管理员用于管理一组车联网设备的访问控制权限；

所述智能合约用于定义访问控制系统所允许的操作；

所述矿工节点用于保持全局可访问的交易信息。

可选的，所述智能合约包括映射结构以及结构体。

进一步的，所述智能合约定义的操作包括注册管理员、注册设备、将管理员添加到设备、从设备中移除管理员、添加访问控制、注销管理员、注销设备、撤销许可、查询管理员以及查询许可；其中，所述设备包括车联网设备、实体设备以及控制中心的管理器。。

进一步的，所述控制中心包括一个JavaScript接口，用于车联网设备与区块链网络的连接；所述接口使用web3JavaScript API通过远程过程调用RPC调用与以太坊节点通信，并使用名为node-coap5的CoAP JavaScript库与车联网设备连接。

本发明还提出了一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在区块链网络中创建访问控制系统，代理节点将智能合约部署到区块链网络中；

步骤2、将控制中心的管理器和车联网设备分别注册到访问控制系统中；将部分普通节点注册成为访问控制系统的管理员；

步骤3、管理员为车联网设备的资源定义访问控制规则；

步骤4、矿工节点将车联网设备的访问策略通知给控制中心，控制中心将所述访问控制策略发送给对应的车联网设备。

进一步的，所述步骤1包括代理节点将智能合约部署到区块链网络中，代理节点从管理员处获取智能合约的地址；该地址用于识别访问控制系统中的智能合约，区块链网络的节点通过智能合约的地址与所述智能合约交互。

进一步的，所述步骤2包括注册管理员以及注册车联网设备；具体包括普通节点从代理节点处获取智能合约的地址，将注册事务发送给智能合约，从而注册成为管理员，该智能合约的地址将标识控制中心的管理器，即注册管理器，在管理员的控制下注册车联网设备。

进一步的，所述步骤3包括通过定义出有权访问特定资源的设备，所述设备包括车联网设备、实体设备以及控制中心的管理器；管理员通过获取其控制下的车联网设备的地址，以及访问该车联网设备的地址；执行策略，并为智能合约创建交易。

进一步的，所述步骤4包括第一车联网设备通过管理器请求的访问第二车联网设备的控制信息；第一车联网设备发现集线器的IP地址；控制中心将车联网设备的消息转换为RPC消息，并将RPC信息发送给与其相连的区块链网络中的矿工节点；从而实现对车联网分布式的访问管理。

本发明的有益效果：

1、本发明有助于使用区块链技术为车联网设计新的分布式访问控制架构；本发明采用特定设计以避免将区块链技术集成到车联网设备中，使得能够满足在大量具有性能限制的车联网场景中的可用性。

2、与其他解决方案相反，本发明在单个智能合约中运行，简化了区块链网络中的整个过程，并减少了节点之间的通信开销。另外，访问控制信息被实时提供给车联网设备。

3、本发明采用的方法中，区块链技术专门被用于更好地处理可扩展性，并获得比轻量级车联网方案中的当前解决方案更好的结果。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的控制中心组件示意图；

图3是本发明的智能合约数据结构示意图；

图4是本发明的系统组件交互流程示意图。

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，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例中的基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，包括：将分布式访问控制系统划分为六个不同的组件；使用区块链技术存储和分发访问控制信息；将除车联网设备和控制中心之外，所有实体都将成为区块链的一部分；由智能合约定义访问控制系统允许的所有操作。

首先，本发明将分布式访问控制系统划分为三个组件包括：无线传感网络、控制中心以及区块链网络；进一步的，本发明中将区块链网络划分为四个组件包括矿工节点、代理节点、智能合约以及普通节点；即本发明区块链网络的节点包括矿工节点、代理节点、以及普通节点；可以理解的是，图1中的管理员是通过普通节点注册而来，但本发明为了方便凸显该特征，将管理员单独作为一个组件。

其中，无线传感网络，是用于车联网设备间的通信与识别。

控制中心，是将车联网设备在CoAP消息中编码的信息转换为区块链网络的节点可理解的JSON-RPC消息。控制中心直接与区块链网络的节点(例如矿工节点)连接。无线传感网络下的多个传感器可以连接到控制中心，多个控制中心可以连接到同一个区块链网络的节点。车联网设备只能使用控制中心从区块链请求访问信息。控制中心不能是受约束的设备。这些控制中心设备也即是管理器需要高性能特性才能从车联网设备尽可能多地同时请求。

一般而言，在最简单的情况下，不需要身份验证，任何车联网设备都可以直接连接到任何控制中心并访问区块链网络。

但是，本发明考虑到在许多情况下都需要使用访问控制；因而车联网设备只能连接到某些特定的控制中心。本发明在将车联网设备添加到控制系统中之后，该车联网设备的管理器将必须通知特定控制中心关于该设备的凭证，以及向车联网设备通知控制中心的位置。

如图2所示，车联网设备方案中，控制中心可以自由地请求任何车联网设备的信息，并几乎立即从区块链网络的节点获得结果。另一方面，在控制中心方案中，查询操作不存储在区块链中，是因为控制中心不使用事务来从区块链中获取信息，该信息直接从区块链网络的节点的存储设备中获取。查询区块链中的信息不会产生任何费用或延迟。

本实施例中，控制中心采用JavaScript接口，可帮助车联网设备与区块链网络连接。该接口使用web3JavaScript API通过RPC调用与以太坊节点通信，并使用名为node-coap5的CoAP JavaScript库与车联网设备连接。

区块链网络，负责整个系统的分布式访问控制管理。

进一步的，管理员，负责管理一组车联网设备的访问控制权限。通常，管理员在系统中被视为轻量级节点。轻量级节点不存储区块链信息，也不像普通的矿工节点验证区块链的事务。因此，受约束的设备也可以成为系统中的管理员，而不会对其硬件限制产生障碍。此外，管理员不需要经常连接到区块链网络，这有助于减少其硬件资源的使用。任何实体都可以注册为管理员。但是，任何设备注册为车联网设备必须在管理员的控制下注册。可以避免管理员在未经管理器许可的情况下注册其控制下的设备。此外，系统中所有已注册的车联网设备必须属于至少一个注册管理器。否则，无人能够管理该设备。已注册的车联网设备可以同时属于多个管理器。在管理员控制下注册车联网设备后，管理员可以为他们定义特定的访问控制权限。

代理节点，代理节点是架构中的特定区块链节点，负责在系统中部署唯一的智能合约。代理节点是访问控制系统生命周期内智能合约的所有者，一旦智能合约被部署到区块链网络中，代理节点就会收到一个地址，用于识别区块链网络内的智能合约。为了与智能合约进行交互，区块链网络中的所有节点都需要知道智能合约的地址。

智能合约，定义访问控制系统所允许的操作。此智能合约是唯一的，无法从系统中删除。因此，访问控制系统中允许的所有操作都在智能合约中定义，并由区块链事务触发。一旦通过交易触发操作，矿工将保持全局可访问的交易信息。智能合约及其运营也可在全球范围内使用。除此之外，还必须考虑到管理者是唯一能够与智能合约交互以便在系统中定义新策略的实体。

如图3所示，表示了管理员与设备的映射关系，在智能合约中包含一定的数据结构：受约束的设备信息，管理器信息和访问控制策略细节分别存储在智能合约中的两个不同的数据结构中，用于存储信息的数据结构称为映射。映射结构类似于散列表，其中值从一开始就使用所有可能的键进行初始化。映射有助于组合不同的数据类型以形成统一的数据类型。

在智能合约中定义如下操作：假设I是每个管理器m的公钥I(m)的集合，假设有n个公钥；G是每个车联网设备的公钥G(s)的集合，P是策略P的集合，其中p₁ ^s->sr'指的是具有公钥s的车联网设备对具有公钥s’的车联网设备的资源r的权限。

I＝{I(m₁),I(m₂),...,I(m_n)}

G＝{G(s₁),G(s₂),...,G(s_n)}

具体的操作如下：

注册管理员RegisterManager(I_m),对于任意设备m来说，将设备m注册成为管理员表示为I'←I∪I_m。

注册设备RegisterDevice(I_m,G_s),如果设备m是设备s的管理员,则表示为G'←G∪G_S。

将管理员添加到设备AddManagertoDevice(I_m；G_s)，如果设备m是设备s的管理员，则表示为G'←G∪G_S。

从设备中移除管理员RemoveManagerfromDevice(I_m；G_s)，如果设备m是设备s的管理员，则表示为G'←G∩G_S。

添加访问控制AddAccessControl(I_m；G'_s；G_s；r；p),如果设备m是设备s的管理员，则表示为

注销管理员DeregisterManager(I_m)，则表示为I'←I∩I_m。

注销设备DeregisterDevice(G_s),则表示为G'←G∩G_s。

撤销许可RevokePermission则表示为

查询管理员QueryManager(I_m),当返回元组(m,S)。

查询许可QueryPermission(G_s')，返回集合

如图4所示，不同组件之间拥有不同的交互，包括：

交互可以分为四个不同的阶段：设置区块链网络，将管理器和车联网设备注册到系统中，为上述组件定义策略，以及发现策略。

设置区块链网络：在此阶段，在区块链网络中创建访问控制系统。在创建区块链网络后，代理节点将智能合约部署到区块链网络中。这个单一的智能合约定义了访问控制控制系统的所有操作。一旦智能合约被接纳到区块链网络中，代理节点就会收到智能合约的地址。该地址用于识别访问控制系统中的智能合约，区块链网络的其他组件需要智能合约的地址与之交互。例如，系统中的所有管理器都将与此单一智能合约进行交互，以注册为管理员或修改车联网设备的控制访问规则。图4显示了管理器和控制中心如何发现地址，查询代理节点；通常可作为获取信息的一种可能性。

但是，本发明为简单起见，将该信息被硬编码到这些组件中。控制中心则连接区块链网络中最近的可用节点，即图4中的矿工节点。该矿工节点托管区块链的个人副本。此外，它还使RPC端口可以侦听请求，并允许控制中心连接到它。控制中心还必须有一种方法来查找其旁边的可用节点。该信息可以从Internet的集中式系统获得，也可以在每个控制中心手动设置。

注册：访问控制系统中的任何区块链节点，即任何实体设备节点都可以注册为管理员。为了使区块链节点将自己注册为管理者，它需要知道智能合约的地址。一旦获得该信息，它就可以注册自己将事务发送到智能合约中定义的函数RegisterManager。此后，一旦交易成功被接收到区块链中，经理将收到其注册地址。该地址将标识访问控制系统中的管理器。Manager节点还可以在管理员的控制下注册车联网设备。车联网设备可以拥有的管理员数量没有限制。因此，车联网设备可以随时拥有多个管理器。与前一种情况一样，管理器将接收注册设备的地址，该地址将用于将设备识别到访问控制系统中。车联网设备应该能够在区块链中接受操作之前验证管理员下的注册。否则，任何经理都可以在其控制下注册任何设备。为简单起见，本发明的实施避免了验证，但仍能保证本发明的架构的可行性。

策略定义：管理员可以为其车联网设备的资源定义访问控制规则。可以通过多种方式定义权限。作为一种可选方式，本发明的权限列出了有权访问特定资源的设备，此后，管理员不仅需要知道其控制下的设备的地址，还需要知道有权访问其车联网设备的地址。管理人员可以执行策略，使用所有信息为智能合约创建交易。

策略发现：当图4中的设备S2希望访问由设备S1托管的资源时，S2发送请求S1的资源信息的CoAP消息。因此，S1可以通过管理集线器请求S2的访问控制信息。在车联网设备可以连接到最近的管理器之前，本实施例中采用管理集线器，设备首先需要发现集线器的IP地址。可以有多种机制来发现最近的控制中心，但实现中使用的方法假设每个设备都有一个默认位置。然后，控制中心将设备的消息转换为RPC消息，并将其发送给与其相连的区块链网络中的矿工。该操作查询来自存储在矿工中的区块链的信息。从本质上讲，这意味着该操作不是事务，也不存储在区块链中。因此，操作立即处理，不会产生任何费用。一旦矿工将S1的访问策略通知控制中心，控制中心就将答案转换回S1。S1根据控制中心收到的信息采取相应的行动。

可以理解的是，本发明的系统以及控制方法的部分特征可以相互引用，本发明不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在区块链网络中创建访问控制系统，代理节点将智能合约部署到区块链网络中；

步骤2、将控制中心的管理器和车联网设备分别注册到访问控制系统中；将部分普通节点注册成为访问控制系统的管理员；

步骤3、管理员为车联网设备的资源定义访问控制规则；

步骤4、矿工节点将车联网设备的访问策略通知给控制中心，控制中心将所述访问控制策略发送给对应的车联网设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，其特征在于，所述步骤1包括代理节点将智能合约部署到区块链网络中，代理节点从管理员处获取智能合约的地址；该地址用于识别访问控制系统中的智能合约，区块链网络的节点通过智能合约的地址与所述智能合约交互。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，其特征在于，所述步骤2包括注册管理员以及注册车联网设备；具体包括普通节点从代理节点处获取智能合约的地址，将注册事务发送给智能合约，从而注册成为管理员，该智能合约的地址将标识控制中心的管理器，即注册管理器，在管理员的控制下注册车联网设备。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，其特征在于，所述步骤3包括通过定义出有权访问特定资源的设备，所述设备包括车联网设备、实体设备以及控制中心的管理器；管理员通过获取其控制下的车联网设备的地址，以及访问该车联网设备的地址；执行策略，并为智能合约创建交易。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制方法，其特征在于，所述步骤4包括第一车联网设备通过管理器请求的访问第二车联网设备的控制信息；第一车联网设备发现集线器的IP地址；控制中心将车联网设备的消息转换为RPC消息，并将RPC信息发送给与其相连的区块链网络中的矿工节点；从而实现对车联网分布式的访问管理。

6.一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，其特征在于，包括无线传感网络下的控制中心和若干车联网设备，以及区块链网络下的智能合约、多个代理节点、矿工节点以及普通节点；其中部分普通节点被注册成为管理员；所述无线传感网络用于车联网设备间的通信与识别；所述控制中心用于将车联网设备编码的CoAP消息转换为JSON-RPC消息；所述车联网设备通过控制中心与区块链网络的节点相连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，其特征在于，

所述代理节点用于在控制系统中部署唯一的智能合约；

所述普通节点为实体设备节点，所述普通节点通过注册成为管理员，所述管理员用于管理一组车联网设备的访问控制权限；

所述智能合约用于定义访问控制系统所允许的操作；

所述矿工节点用于保持全局可访问的交易信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，其特征在于，所述智能合约定义的操作包括注册管理员、注册设备、将管理员添加到设备、从设备中移除管理员、添加访问控制、注销管理员、注销设备、撤销许可、查询管理员以及查询许可；所述设备包括车联网设备、实体设备以及控制中心的管理器。

9.根据权利要求6所述的一种基于区块链技术的车联网分布式访问控制系统，其特征在于，所述控制中心包括一个JavaScript接口，用于车联网设备与区块链网络的连接；所述接口使用web3JavaScript API通过远程过程调用RPC与以太坊节点通信，并使用名为node-coap5的CoAP JavaScript库与车联网设备连接。