CN110113186A - 一种基于区块链的混合智慧城市网络结构 - Google Patents

一种基于区块链的混合智慧城市网络结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于区块链的混合智慧城市网络结构，解决的是存在的高延迟、带宽瓶颈，安全与隐私和可伸缩性的技术问题，通过采用包括核心网络和边缘网络，核心网络包含矿工节点，边缘网络包含边缘节点；矿工节点自边缘节点收到事务后，在核心网络中执行挖掘处理过程的技术方案，较好的解决了该问题，可用于智慧城市中。

Description

一种基于区块链的混合智慧城市网络结构
技术领域
本发明涉及智慧城市领域，具体涉及一种基于区块链的混合智慧城市网络结构。
背景技术
最近，随着作为可持续发展的物联网的兴起，“智能城市”的概念有了极大的发展。智能城市是基于自治和分布式基础设施,其中包括异构网络基础设施的智能信息处理与控制系统和无处不在的数以百万计的传感器等物联网终端。
然而，当前智能城市网络体系结构存在高延迟、带宽瓶颈，安全与隐私和可伸缩性的技术问题。本发明主要提供一种新的基于区块链的混合智慧城市网络结构用以解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的高延迟、带宽瓶颈，安全与隐私和可伸缩性的技术问题。提供一种新的基于区块链的混合智慧城市网络结构，该基于区块链的混合智慧城市网络结构具有通过将计算和存储资源接近端点的高效、安全、可伸缩的分布式架构的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于区块链的混合智慧城市网络结构，所述基于区块链的混合智慧城市网络结构包括核心网络和边缘网络，核心网络包含矿工节点，边缘网络包含边缘节点；矿工节点自边缘节点收到事务后，在核心网络中执行挖掘处理过程。
本发明的工作原理：在智慧城市网络中，物联网终端设备产生大量数据和实时处理需求。本发明方法，边缘节点提供快速实时处理，并部署在边缘网络。边缘节点的存储能力和计算能力有限，负责预处理来自终端设备的原始数据，过滤数据获取有效信息。数据预处理之后，边缘节点传输预处理后的加密数据到智慧城市的核心网络层。核心网络的旷工节点将进一步分析预处理数据，制定决策，验证和核实工作量证明机制过程，生成区块。为了确保核心网络中存储数据的完整性，我们使用数字签名和区块链中的散列存储。这些区块链中的散列是不可变的，是证明数据完整性的证据。在本发明中挖掘处理工程是在核心网络中执行，能够克服边缘节点资源的限制。
上述方案中，为优化，进一步地，所述挖掘处理过程包括：
步骤1，边缘节点接收来自物联网设备或用户的一个新服务的事务请求后，向核心网络中每个矿工节点发送一个事务请求；
步骤2，矿工节点检查并核实接收的事务请求是否被修改和是否存在于区块链中；所述事务未被修改且不存在于区块链中，矿工节点将执行步骤3；否则，矿工节点中止开采过程并在核心网络中进行广播报告；
步骤3，矿工节点首先检索导区块ID，开始工作量证明机制过程，定义创世区块为区块链中第一个区块；如果事务判定为创世区块，定义先导区块ID为0；在工作量证明机制过程中，矿工节点创建一个新的区块迭代的散列信息，所述散列信息包括先导区块ID、创建区块ID、日期和时间戳、已验证事务以及矿工的数字签名；
步骤4，区块被创建后，核心区块检查并核实所有存在的区块；
步骤5，矿工节点发送一个更新的区块链到所有边缘节点，并向物联网设备或用户提供服务。
进一步地，步骤3包括：
步骤3.1，构建区块，把拟写入区块的交易信息组成交易列表，通过Merkle树算法把交易列表信息生成Merkle根哈希；
步骤3.2，把Merkle根哈希、难度值d相关字段组装成区块头，把区块头80字节数据作为工作量证明的数据输入；
步骤3.3，持续变更区块头的随机数nonceN的数值，变更后不断采用SHA256运算，将运算结果与目标值作对比判断；如果运算结果小于目标值，则定义解题成功，完成工作量证明机制过程，即为PoW过程。
进一步地，所述工作量证明机制过程为存储持续化的工作量证明机制过程：
所述存储持续化的工作量证明机制过程包括，输入挖掘任务XI[1…T]和任务难度d，输出(N，I，L，Z)；
其中，定义T表示数组元素个数，N为随机数，I表示选择叶子的指标集合，L表示选择的叶子集合，Z表示默克尔树集合。
进一步地，步骤3.3中还包括，证明选择的叶子集合和他们的前件：
定义l表示一次搜索的长度，HS表示可变大小的哈希函数；
步骤3.3.1，步骤建立挖掘任务XI[1...T]，长度为l的独立段P，其中P；
步骤3.3.2，计算默克尔哈希树X_Merkle的根；
步骤3.3.3，选择随机数N；
步骤3.3.4，计算
步骤3.3.5，如果1，计算i＝Y modT，
步骤3.3.6，反向排序中间散列的反向扫描
步骤3.3.7，如果ω已经有d个二进制前导0，则pow结束，返回(N，I，L，Z)，否则，返还执行步骤3.3.3。
本发明的有益效果：本发明的架构分为核心网络和边缘网络。通过混合体系结构的设计，本发明的结构继承了集中式和分布式网络体系结构的优势。同时也在本发明的模型中设计一个工作量证明机制过程过程，以确保安全和隐私。核心节点在收到来自边缘节点的事务后，挖掘处理过程将开始。本发明中挖掘处理工程是在核心网络中执行的，可以克服边缘节点资源的限制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中混合网络架构示意图；
图2，实施例1中混合网络架构数据处理工作流图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于区块链的混合智慧城市网络结构，如图1，所述基于区块链的混合智慧城市网络结构包括核心网络和边缘网络，核心网络包含矿工节点，边缘网络包含边缘节点；矿工节点自边缘节点收到事务后，在核心网络中执行挖掘处理过程。
本实施例应用在智慧城市网络中，物联网终端设备产生大量数据和实时处理需求。其中，边缘节点提供快速实时处理，并部署在边缘网络。边缘节点的存储能力和计算能力有限，负责预处理来自终端设备的原始数据，过滤数据获取有效信息。数据预处理之后，边缘节点传输预处理后的加密数据到智慧城市的核心网络层。核心网络的旷工节点将进一步分析预处理数据，制定决策，验证和核实工作量证明机制过程过程，生成区块。为了确保核心网络中存储数据的完整性，我们使用数字签名和区块链中的散列存储。这些区块链中的散列是不可变的，是证明数据完整性的证据。
具体地，如图2，所述挖掘处理过程包括：
步骤1，边缘节点接收来自物联网设备或用户的一个新服务的事务请求后，向核心网络中每个矿工节点发送一个事务请求；
步骤2，矿工节点检查并核实接收的事务请求是否被修改和是否存在于区块链中；所述事务未被修改且不存在于区块链中，矿工节点将执行步骤3；否则，矿工节点中止开采过程并在核心网络中进行广播报告；
步骤3，矿工节点首先检索导区块ID，开始工作量证明机制过程，定义创世区块为区块链中第一个区块；如果事务判定为创世区块，定义先导区块ID为0；在工作量证明机制过程中，矿工节点创建一个新的区块迭代的散列信息，所述散列信息包括先导区块ID、创建区块ID、日期和时间戳、已验证事务以及矿工的数字签名；
步骤4，区块被创建后，核心区块检查并核实所有存在的区块；
步骤5，矿工节点发送一个更新的区块链到所有边缘节点，并向物联网设备或用户提供服务。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，构建区块，把拟写入区块的交易信息组成交易列表，通过Merkle树算法把交易列表信息生成Merkle根哈希；
步骤3.2，把Merkle根哈希、难度值d相关字段组装成区块头，把区块头80字节数据作为工作量证明的数据输入；
步骤3.3，持续变更区块头的随机数nonceN的数值，变更后不断采用SHA256运算，将运算结果与目标值作对比判断；如果运算结果小于目标值，则定义解题成功，完成工作量证明机制过程。
具体地，所述工作量证明机制过程为存储持续化的工作量证明机制过程：
所述存储持续化的工作量证明机制过程包括，输入挖掘任务XI[1…T]和任务难度d，输出(N，I，L，Z)；
其中，定义T表示数组元素个数，N为随机数，I表示选择叶子的指标集合，L表示选择的叶子集合，Z表示默克尔树集合。
具体地，步骤3.3中还包括，证明选择的叶子集合和他们的前件：
定义l表示一次搜索的长度，HS表示可变大小的哈希函数；
步骤3.3.1，步骤建立挖掘任务XI[1…T]，长度为l的独立段P，其中P；
步骤3.3.2，计算默克尔哈希树X_Merkle的根
步骤3.3.3，选择随机数N；
步骤3.3.4，计算
步骤3.3.5，如果1，计算i＝Y modT，
步骤3.3.6，反向排序中间散列的反向扫描
步骤3.3.7，如果ω已经有d个二进制前导0，则pow结束，返回(N，I，L，Z)，否则，返还执行步骤3.3.3。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于区块链的混合智慧城市网络结构，其特征在于：所述基于区块链的混合智慧城市网络结构包括核心网络和边缘网络，核心网络包含矿工节点，边缘网络包含边缘节点；
矿工节点自边缘节点收到事务后，在核心网络中执行挖掘处理过程。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的混合智慧城市网络结构，其特征在于：所述挖掘处理过程包括：
步骤1，边缘节点接收来自物联网设备或用户的一个新服务的事务请求后，向核心网络中每个矿工节点发送一个事务请求；
步骤2，矿工节点检查并核实接收的事务请求是否被修改和是否存在于区块链中；所述事务未被修改且不存在于区块链中，矿工节点将执行步骤3；否则，矿工节点中止开采过程并在核心网络中进行广播报告；
步骤3，矿工节点首先检索导区块ID，开始工作量证明机制过程，定义创世区块为区块链中第一个区块；如果事务判定为创世区块，定义先导区块ID为0；在工作量证明机制过程中，矿工节点创建一个新的区块迭代的散列信息，所述散列信息包括先导区块ID、创建区块ID、日期和时间戳、已验证事务以及矿工的数字签名；
步骤4，区块被创建后，核心区块检查并核实所有存在的区块；
步骤5，矿工节点发送一个更新的区块链到所有边缘节点，并向物联网设备或用户提供服务。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的混合智慧城市网络结构，其特征在于：步骤3包括：
步骤3.1，构建区块，把拟写入区块的交易信息组成交易列表，通过Merkle树算法把交易列表信息生成Merkle根哈希；
步骤3.2，把Merkle根哈希、难度值d相关字段组装成区块头，把区块头80字节数据作为工作量证明的数据输入；
步骤3.3，持续变更区块头的随机数nonceN的数值，变更后不断采用SHA256运算，将运算结果与目标值作对比判断；如果运算结果小于目标值，则定义解题成功，完成工作量证明机制过程，即为PoW过程。
4.根据权利要求3所述的基于区块链的混合智慧城市网络结构，其特征在于：所述工作量证明机制过程为存储持续化的工作量证明机制过程：
所述存储持续化的工作量证明机制过程包括，输入挖掘任务XI[1…T]和任务难度d，输出(N，I，L，Z)；
其中，定义T表示数组元素个数，N为随机数，I表示选择叶子的指标集合，L表示选择的叶子集合，Z表示默克尔树集合。
5.根据权利要求4所述的基于区块链的混合智慧城市网络结构，其特征在于：步骤3.3中还包括：
定义l表示一次搜索的长度，HS表示可变大小的哈希函数；
步骤3.3.1，步骤建立挖掘任务XI[1…T]，长度为l的独立段P，其中P；
步骤3.3.2，计算默克尔哈希树X_Merkle的根
步骤3.3.3，选择随机数N；
步骤3.3.4，计算
步骤3.3.5，如果1，计算i＝Y modT，Y↓j＝H↓S(Y↓(j|1)||X↓I(i↓(j|1)]|I)；
步骤3.3.6，反向排序中间散列的反向扫描ω＝H↓S(Y↓l||...||Y↓(1|lmod2)|I)；
步骤3.3.7，如果ω已经有d个二进制前导0，则pow结束，返回(N，I，L，Z)，否则，返还执行步骤3.3.3。
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