CN109889326B - 一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法 - Google Patents

一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法，本方法结合了区块链和物联网的特征，无人机辅助物联网进行数据收集使得在偏远地区没有高速无线链路覆盖的情况下，数据能够通过无人机有效的传输，引入区块链技术，以加密货币的形式激励无人机采集数据，无人机充当区块链节点将采集到的原始传感数据上传到区块链。同时传感器节点计算其收集的原始传感数据的哈希值，通过宏基站上传到区块链中。此外，本发明还提出了已验证数据证明共识机制，验证数据的真实性，同时确保了奖励的公平性。

Description

一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法
技术领域
本发明属于区块链技术领域，以基于区块链的物联网架构及共识算法为研究对象，在此基础上提出了一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法。
背景技术
近年来，无人机技术的不断提升引起了各行业的广泛关注，无人机的应用范围从军事、农业等领域发展到了物联网中的各个方面，例如无人机搭载通信设施作为空中基站为地面通信设备提供通信服务，以及作为物联网节点协助传感器节点提供缓存服务。物联网中基于无人机节点的数据收集能够均衡网络能耗，延长网络生命周期。物联网设备尤其是在无线传感器网络中传感器，大多由小型电池供电，无法进行远距离的数据传输，无人机作为数据收集的移动节点，可将收集到的物联网设备的数据传输到距离网络区域较远的基站或其他设备。
区块链和共识技术的发展解决了分布式系统中的去中心化和安全性等问题。前期基于比特币的区块链采用工作量证明(POW,Proof of Work)共识机制，高度依赖节点算力来保证区块链各节点分布式记账的一致性和去中心性，同时，通过算力竞争也保障了系统的安全性，但是强大的算力造成了电力等资源的极大浪费。基于以上问题，随着区块链技术的不断发展，研究者提出了权益证明(POS,Proof of Stake)共识机制，采用股权证明来达成节点的一致，由系统中具有最高权益的节点获得区块的记账权，从根本上解决了POW中的资源浪费现象。授权股份证明(DPOS,Delegated Proof of Stake)是POS的一个改进机制，首先由POS选出代表,然后再从代表中选出区块生成者并获得收益，DPoS减少了参与验证和记账的节点数量，利于实现快速共识。
本发明将区块链技术应用于无人机辅助数据收集的物联网系统中，运用共识技术激励无人机采集数据，并且保证了采集数据的真实性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于区块链的无人机辅助数据收集的物联网系统架构(UIB,UAV-assisted IoT system based on blockchain)，并引入7层区块链逻辑架构。基于UIB提出了已验证数据证明(PoVD,Proof of Verified Data)共识机制,保证无人机采集数据的真实性，并且解决了工作量证明(PoW,Proof of Work)共识机制中消耗大量无用资源的问题。
本发明为解决上述问题采用以下技术方案：
1.以下从物理架构和逻辑架构两方面来介绍UIB系统
UIB系统网络架构如图1所示，在物联网场景中，位置固定不变的传感器节点大多只有有限的电量，且具有一定的计算和通信能力。在UIB系统中，无人机在网络区域上方移动，通过无人机与传感器之间短距离/高速率的通信链路有效的收集传感器所采集的数据。无人机在从传感器接收到传感数据后，充当区块链节点将原始传感数据上传到区块链。同时传感器节点计算其收集的原始传感数据的哈希值，通过远距离/低速率的链路将哈希值发送到宏基站，并由宏基站上传到区块链中。在UIB系统中，无人机具有两种通信模式，如图1所示，左侧的无人机将部分区块链功能转移给地面站以减小其计算和存储负荷，无人机仅将传感器的传感数据传递给作为区块链节点的地面站即可；图1中的另外两个无人机则具有数据上传、区块创建以及共识等完整的区块链功能。
UIB系统的逻辑架构如图2所示。数据层和网络层将传感器采集的传感数据上传到区块链，将物理世界与区块链联系到一起。网络层包括基础设施子层以及接入子层，基础设施子层中的宏基站和核心网络与接入子层中的无人机协同工作，使区块链节点相互连接。共识层采用本发明提出的PoVD共识机制，激励无人机收集数据并能够保证数据不会被中间节点篡改和伪造。分布式账本拓扑层、激励层和合约层与其他分布式记账系统类似，分别包括链式架构、加密货币以及智能合约。应用层中的用户子层提供了支持各种用户应用的平台，决策子层则利用机器学习和大数据技术等进行信息处理和技术分析等。
2.本发明基于UIB系统提出了PoVD共识机制，防止中间节点篡改或伪造传感数据。通过对块结构的设计和传感数据加权大小的定义，UIB系统以分布式方式对区块达成共识。无人机作为区块链节点主动收集传感数据以获得奖励，避免了POW共识机制中消耗大量无用资源的问题，引入了哈希值上传机制以确保传感数据的真实性。下面从区块创建和共识过程来介绍。
A.节点和块
UIB系统中，传感器、无人机以及地面站可作为区块链节点。该系统中包含两种类型的块：哈希块(HB，Hashblock)以及传感数据块(SDB，Sensing Data Block)。HB由传感器节点(SN，Sensor Node)创建，负责广播原始传感数据的哈希值，以检测数据的真实性。SDB包含由无人机节点(UN，UAV Node)创建的验证数据。
B.共识过程
PoVD的共识共识过程包含5个步骤，如图3所示。
步骤1：上报哈希值。
在th，传感器e计算出哈希值H(∈(e，th))，并通过低速率无线信道通过宏基站将带有签名的哈希值H(∈(e，th))上传到区块链。
步骤2：创建HB。
采用改进的POS共识机制在链上创建HB，与传统的POS不同的是节点持有的股权不再是其账户中加密货币的数量，而是在th时传感器e需要发送的传感数据量|∈(e，th)|，无人机没有股权，因此没有权利创建HB。这样设计不可信节点(例如，无人机)伪造哈希值以获得奖励的潜在风险。
步骤3：上传传感数据。
当传感器到无人机之间的高速通信链路可用时，无人机移动到传感器e上方收集传感数据∈(e，th)。然后，无人机将未经验证的数据∈(e，th)上传到区块链。
步骤4：验证数据。
当无人机u通过区块链接收到另一台无人机u′广播的传感数据∈′(e，u′，th)时，无人机u计算其哈希值H(∈′(e，u′，th))，并与u获得的具有相同交易ID传感器e签名的哈希值H(∈(e，th))进行比较，如果超过一般数量的无人机报告未检测到伪造或篡改的数据，则接受传感数据∈′(e，u′，th)，认为其为真实数据。
步骤5：创建SDB。
拥有最大传感数据加权数据量
Figure BDA0001972675650000031
的无人机u*具有最大的概率创建SDB，同时获得加密货币的奖励。ε(u*，th)表示在时间间隔(th，t]内将传感数据传输给UAV的传感器集合。无人机u′创建SDB的概率表示为
Figure BDA0001972675650000041
作为本发明PoVD共识机制的进一步优选方案，步骤5中，传感数据加权数量的计算方法为首先根据不同地形和距离下无人机在时刻t采集传感器e中的传感数据的难度系数δD(e，t)，表示为
Figure BDA0001972675650000042
th(e)为传感器e首次上传其传感数据的时刻，TD为一个时间间隔。则如果传感器持续等待上传数据，则认为其采集难度增加。则传感数据加权数量定义为
|∈(e，t)|w＝δD(e，t)×|∈(e，th)|
这样定义加权数据量更具有公平性，并且能够确保那以获取的数据被采集。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提出的UIB系统结合了区块链和物联网的特征，无人机辅助物联网进行数据收集使得在偏远地区没有高速无线链路覆盖的情况下，数据能够通过无人机有效的传输，引入区块链技术，以加密货币的形式激励无人机采集数据。此外，本发明还提出了PoVD共识机制，验证数据的真实性，同时确保了奖励的公平性。
附图说明
图1：UIB系统网络架构
图2：UIB系统逻辑架构
图3：UIB系统共识过程
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明将区块链技术与无人机辅助物联网系统相结合，提出了UIB系统，以激励无人机采集传感器数据。
本发明基于UIB系统提出了PoVD共识机制，以验证数据的真实性，并且确保奖励的公平性。
下面对UIB系统和PoVD共识机制做详细介绍。
1.以下从物理架构和逻辑架构两方面来介绍UIB系统。
UIB系统网络架构如图1所示，在物联网场景中，位置固定不变的传感器节点大多只有有限的电量，且具有一定的计算和通信能力。在UIB系统中，无人机在网络区域上方移动，通过无人机与传感器之间短距离/高速率的通信链路有效的收集传感器所采集的数据。无人机在从传感器接收到传感数据后，充当区块链节点将原始传感数据上传到区块链。同时传感器节点计算其收集的原始传感数据的哈希值，通过远距离/低速率的链路将哈希值发送到宏基站，并由宏基站上传到区块链中。在UIB系统中，无人机具有两种通信模式，如图1所示，左侧的无人机将部分区块链功能转移给地面站以减小其计算和存储负荷，无人机仅将传感器的传感数据传递给作为区块链节点的地面站即可；图1中的另外两个无人机则具有数据上传、区块创建以及共识等完整的区块链功能。
UIB系统的逻辑架构如图2所示。数据层和网络层将传感器采集的传感数据上传到区块链，将物理世界与区块链联系到一起。网络层包括基础设施子层以及接入子层，基础设施子层中的宏基站和核心网络与接入子层中的无人机协同工作，使区块链节点相互连接。共识层采用本发明提出的PoVD共识机制，激励无人机收集数据并能够保证数据不会被中间节点篡改和伪造。分布式账本拓扑层、激励层和合约层与其他分布式记账系统类似，分别包括链式架构、加密货币以及智能合约。应用层中的用户子层提供了支持各种用户应用的平台，决策子层则利用机器学习和大数据技术等进行信息处理和技术分析等。
2.本发明基于UIB系统提出了PoVD共识机制，防止中间节点篡改或伪造传感数据。通过对块结构的设计和传感数据加权大小的定义，UIB系统以分布式方式对区块达成共识。无人机作为区块链节点主动收集传感数据以获得奖励，避免了POW共识机制中消耗大量无用资源的问题，引入了哈希值上传机制以确保传感数据的真实性。下面从区块创建和共识过程来介绍。
A.节点和块
UIB系统中，传感器、无人机以及地面站可作为区块链节点。该系统中包含两种类型的块:哈希块(HB,Hashblock)以及传感数据块(SDB,Sensing Data Block)。HB由传感器节点(SN,Sensor Node)创建，负责广播原始传感数据的哈希值，以检测数据的真实性，HB的格式如表1所示，交易哈希值和签名如表2所示。SDB包含由无人机节点(UN,UAV Node)创建的验证数据，除了SDB中交易数据为传感数据外，SDB格式与HB格式类似，表3为SDB的交易格式。
表1区块格式
类别 描述
版本 区块版本号
时间戳 区块的创建时间
节点ID 区块创建者的标识符
区块ID 区块标识符
区块酬载 区块交易(HB中的哈希值，SDB中的传感数据)
表2HB交易格式
Figure BDA0001972675650000061
表3SDB交易格式
Figure BDA0001972675650000062
B.共识过程
PoVD的共识共识过程包含5个步骤，如图3所示。
步骤1：上报哈希值。
在th，传感器e计算出哈希值H(∈(e，th))，并通过低速率无线信道通过宏基站将带有签名的哈希值H(∈(e，th))上传到区块链。
步骤2：创建HB。
采用改进的POS共识机制在链上创建HB，与传统的POS不同的是节点持有的股权不再是其账户中加密货币的数量，而是在th时传感器e需要发送的传感数据量|∈(e，th)|，无人机没有股权，因此没有权利创建HB。这样设计不可信节点(例如，无人机)伪造哈希值以获得奖励的潜在风险。
步骤3：上传传感数据。
当传感器到无人机之间的高速通信链路可用时，无人机移动到传感器e上方收集传感数据∈(e，th)。然后，无人机将未经验证的数据∈(e，th)上传到区块链。
步骤4：验证数据。
当无人机u通过区块链接收到另一台无人机u′广播的传感数据∈′(e，u′，th)时，无人机u计算其哈希值H(∈′(e，u′，th))，并与u获得的具有相同交易ID传感器e签名的哈希值H(∈(e，th))进行比较，如果超过一般数量的无人机报告未检测到伪造或篡改的数据，则接受传感数据∈′(e，u′，th)，认为其为真实数据。
步骤5：创建SDB。
拥有最大传感数据加权数据量
Figure BDA0001972675650000071
的无人机u*具有最大的概率创建SDB，同时获得加密货币的奖励。ε(u*，th)表示在时间间隔(th，t]内将传感数据传输给UAV的传感器集合。无人机u′创建SDB的概率表示为
Figure BDA0001972675650000072

Claims (3)

1.一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法，其特征在于：
步骤1：物联网区域内随机分布有带有固定电量并且具有一定通信能力的传感器节点，用于采集传感数据并计算原始传感数据的哈希值；
步骤2：无人机在网络区域上方移动，通过无人机与传感器之间短距离/高速率的通信链路有效的收集传感器所采集的数据；
步骤3：无人机在从传感器接收到传感数据后，充当区块链节点将原始传感数据上传到区块链：同时传感器节点计算其收集的原始传感数据的哈希值，通过远距离/低速率的链路将哈希值发送到宏基站，并由宏基站上传到区块链中；
步骤4：基于区块链的无人机辅助数据收集的物联网系统架构即UIB系统引入7层逻辑架构，从下到上依次为数据层、网络层、共识层、分布式账本拓扑层、激励层、合约层以及应用层；
步骤2具体为：
步骤2.1：在UIB系统中，无人机具有两种通信模式，一种无人机将部分区块链功能转移给地面站以减小其计算和存储负荷，无人机仅将传感器的传感数据传递给作为区块链节点的地面站即可；另一种则具有数据上传、区块创建以及共识完整的区块链功能；
步骤3的实施过程如下，
步骤3.1：上报哈希值：在th,传感器e计算出哈希值H(∈(e,th))，并通过低速率无线信道通过宏基站将带有签名的哈希值H(∈(e,th))上传到区块链；
步骤3.2：创建HB：采用改进的POS共识机制在链上创建HB，与POS不同的是节点持有的股权不再是其账户中加密货币的数量，而是在th时传感器e需要发送的传感数据量|∈(e,th)|，无人机没有股权，因此没有权利创建HB：这样设计不可信节点伪造哈希值以获得奖励的潜在风险：
步骤3.3：上传传感数据：当传感器到无人机之间的高速通信链路可用时，无人机移动到传感器e上方收集传感数据∈(e,th)：然后，无人机将未经验证的数据∈(e,th)上传到区块链；
步骤3.4：验证数据：当无人机u通过区块链接收到另一台无人机u'广播的传感数据∈'(e,u',th)时，无人机u计算其哈希值H(∈'(e,u',th)),并与u获得的具有相同交易ID传感器e签名的哈希值H(∈(e,th))进行比较，如果超过一般数量的无人机报告未检测到伪造或篡改的数据，则接受传感数据∈'(e,u',th)，认为其为真实数据；
步骤3.5：创建SDB：拥有最大传感数据加权数据量
Figure FDA0003500719900000021
的无人机u*具有最大的概率创建SDB，同时获得加密货币的奖励：ε(u*,th)表示在时间间隔(th,t]内将传感数据传输给UAV的传感器集合：无人机u'创建SDB的概率表示为
Figure FDA0003500719900000022
2.如权利要求1所述的一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法，其特征在于，步骤4具体为：
数据层和网络层将传感器采集的传感数据上传到区块链，将物理世界与区块链联系到一起：网络层包括基础设施子层以及接入子层，基础设施子层中的宏基站和核心网络与接入子层中的无人机协同工作，使区块链节点相互连接：共识层采用PoVD共识机制，激励无人机收集数据并能够保证数据不会被中间节点篡改和伪造：分布式账本拓扑层、激励层和合约层与其他分布式记账系统类似，分别包括链式架构、加密货币以及智能合约：应用层中的用户子层提供了支持各种用户应用的平台，决策子层则利用机器学习和大数据技术进行信息处理和技术分析。
3.如权利要求1所述的一种基于区块链的物联网架构以及已验证数据证明共识方法，其特征在于，
UIB系统中，传感器、无人机以及地面站可作为区块链节点；
UIB系统中包含两种类型的块：哈希块HB以及传感数据块SDB：HB由传感器节点SN创建，负责广播原始传感数据的哈希值，以检测数据的真实性：SDB包含由无人机节点UN创建的验证数据；
共识过程包含上报哈希值、创建HB、上传传感数据、验证数据以及创建SDB。
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