CN110166567B - 一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统，涉及区块链技术领域，包括根据域内网络结构参数，结合已建立的非线性目标函数，计算每个区半径，并根据区半径，建立层次型的由多个管理域网络组成的分布式物联网系统框架，且每个管理域网络内的每个层区结构的区半径相同，不同层区结构的区半径不同；在每个区内构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构；结合主从多链结构的低开销共识算法，将区内数据源节点作为发布者来构建发布新区块以达到区内共识，将贡献度最大的区头节点作为全局区块发布者来构建发布新全局区块以达成全局区块共识，从而实现去中心化网络能量资源可靠共享和最大化网络资源利用率。

Description

一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，特别是涉及一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统。

背景技术

据Gartner预测，预计2020年将有数百亿设备接入网络。大量的智能嵌入式设备接入网络形成具有功能性的智能物联网，如何实现去中心化网络资源管理保障物联网持续提供服务将成为面临的核心问题之一。其中，物联网的异构性是导致资源闲置率高，资源浪费问题的主要因素。因此，在物联网接入节点资源受限的制约下，如何管理网络资源，提高最大化网络资源利用率和物联网性能是关键。受滴滴出行、共享单车等共享经济模式的启发，充分调动社会闲置资源，将物联网中的资源共享是实现资源利用率最大化的有效方案，即将物联网中的接入终端充当资源实体，实现资源交互。然而在不可靠的分布式物联网环境下，如何避免自私或恶意节点侵占网络资源，在节点之间建立可靠的共享关系是首要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统，以实现去中心化网络能量资源可靠共享和最大化网络资源利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于区块链的物联网资源共享方法，包括：

获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数；

根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数；

根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同；

在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构；

确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识；

确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点；

结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识。

可选的，所述根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径，具体包括：

根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

可选的，所述非线性目标函数为

其中，

表示整个域内网络节点的能量消耗；

表示第i个层区结构内节点的能量消耗。

可选的，在所述两层区块链结构中，每个区内维护的一个子区块链形成从链，多个区形成多链结构，从而构成全局区块链；其中，一个全局区块为t时刻各区头节点通过全局共识形成的区块；

每个所述子区块链均由子区块头和子区块体两部分组成；其中，所述子区块头包含的信息包括{子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig，区块Hash值，Merkle树根，合作节点列表NodeList，合作节点贡献度列表ContriList，时间戳t}，所述子区块体存储协作传输的数据包头信息；

所述全局区块链由全局区块头和全局区块体两部分组成，所述全局区块头包含的信息包括{区块序号GBlockID，区头节点签名CSig，区块Hash值，Merkle树根，时间戳t}，所述全局区块体存储协作传输列表List。

可选的，所述确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识，具体包括：

确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点；

在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值；

通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块；

通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

可选的，所述结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识，具体包括：

信息收集；通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者；

建立新全局区块；全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块；

达成共识；全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中；

区头更新；当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

一种基于区块链的物联网资源共享系统，包括：

域内网络结构参数获取模块，用于获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数；

区半径计算模块，用于根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数；

分布式物联网系统框架建立模块，用于根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同；

两层区块链结构建立模块，用于在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构；

区内共识模块，用于确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识；

全局区块发布者确定模块，用于确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点；

全局区块共识模块，用于结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识。

可选的，所述区半径计算模块，具体包括：

区半径计算单元，用于根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

可选的，所述区内共识模块，具体包括：

数据源节点确定单元，用于确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点；

协作传输单元，用于在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值；

新区块建立单元，用于通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块；

区内共识单元，用于通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

可选的，所述全局区块共识模块，具体包括：

信息收集单元，用于通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者；

新全局区块建立单元，用于全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块；

全局区块共识单元，用于全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中；

区头更新单元，用于当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统，通过建立多链结构，结合主从多链结构的低开销共识算法，降低区块链维护开销，实现去中心化网络能量资源可靠共享以及最大化网络资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1基于区块链的物联网资源共享方法的流程示意图；

图2为本发明实施例2层次型分布式物联网系统框架图；

图3为本发明实施例2基于协作传输的非均匀分区示意图；

图4为本发明实施例2两层区块链架构图；

图5为本发明实施例1基于区块链的物联网资源共享系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

区块链的去中心化、不可篡改和可追溯等特性改变了传统的经济交易模式，不同的经济实体或用户可以在没有第三方监管的环境下实现数据的共享、交换和传输等操作，在分布式环境下实现去中心化的可信交易，区块链技术具有独特的优势。针对背景技术提出的问题，基于区块链实现异构物联网接入节点间的可靠资源共享是行之有效的解决方案。物联网中节点能量受限制约其传输范围，感知数据必然要借助网络中其他节点合作实现远距离传输。资源共享实现网络资源利用率最大化，由区块链技术为节点资源共享提供可靠环境，将区块链技术与物联网结合使得在无中央控制中心的分布式环境下建立节点之间的可信共享关系具有可行性。

本发明考虑物联网中节点的能量受限性，主要基于能量资源管理展开调研。针对如何提升网络能量资源利用率，现从由能耗不平衡、负载不均衡驱动的能量资源调度研究和由区块链驱动的能量资源共享研究两个方面展开深入分析。

(1)能耗不平衡、负载不均衡驱动的能量资源调度研究

物联网接入节点的能耗不平衡导致能量空洞问题使网络不再连通，数据传输无法持续进行，是致使网络能量利用率低和数据传输效率低的关键因素。能耗平衡与负载均衡相互影响，实现能耗平衡的根源为负载均衡，而负载均衡的关键是发现网络中的热点区域进行疏导，从而避免能量空洞的出现。相较于传统的平面型网络结构，层次型网络结构可有效提升网络能量利用率，其中，如何优化分簇结构实现能耗平衡为主要解决的问题。部分学者基于聚类算法、群智能优化算法等实现簇结构优化，但该类研究没有考虑网络的可扩展问题；部分学者基于网络传输特征构建簇半径优化数学模型，将其描述为非线性规划问题进行求解，该类研究主要针对特定应用场景；非均匀分簇机制在实现网络资源调度中更具优势，但簇结构维护将产生额外开销。针对如何实现网络中节点负载均衡，部分学者采用多路径机制缓解负载拥塞问题，从而分散高能耗区域产生的能耗，但维护路由表会产生额外的开销；有的研究成果致力于提出负载均衡的节点部署策略，从而保证网络中的负载均衡性，然而对于大规模物联网，节点的非均匀分布实施难度较大；部分学者基于功率控制调整网络的负载分布，该类方法通常具有较高的计算复杂度。因此，基于能耗均衡的能量资源调度方案仅能缓解能量空洞问题而无法避免能量空洞的产生；资源受限的节点必然借助多跳转发实现远距离传输，需借助第三方节点分流或者较复杂的功率控制算法才能缓解负载不均衡问题，但制约了网络的可扩展性；同时此类研究成果通常没有考虑物联网的异构特征。

(2)区块链驱动的资源共享管理研究

随着接入网络设备的智能化程度越来越高，物联网将进一步演化为社交物联网，即网络中的设备可具有社交属性，利用设备间的“朋友关系”实现可靠的数据传递，使得物联网可有效进行自我演化和扩展。具备社交属性的设备可能会呈现恶意、自私等属性，这样的节点在进行协作传输的过程中会出现篡改数据、丢包和恶意侵占能量资源等现象，因此如何实现物联网中大量设备节点的“共享关系”的管理是需要首先解决的问题。区块链技术的优势正好与物联网的分布式特性相吻合，但区块链与物联网的融合仍面临诸多问题和挑战，不乏许多企业与研究人员纷纷投入该领域进行深入研究。较具代表性的企业IoTeX致力于以隐私为中心建立区块链驱动的去中心化物联网网络，通过链中链的区块链结构解决物联网异构性问题，但没有涉及基于区块链实现网络资源共享的研究。大部分研究成果集中在给出融合区块链和物联网的应用方案、基于区块链的物联网信任管理等。基于德国的能源产业进行调研得出：在能源交易方面，区块链技术将实现从本地能源交易扩展到全球平台，而能源交易实则为资源共享的实施方式。考虑到物联网资源调度存在的信任问题，即恶意节点占用大量网络资源致使网络瘫痪，基于VCG拍卖理论提出一种资源可信计算，使网络中节点趋向诚实行为，但是没有考虑物联网的异构性特征。基于区块链结构实现云数据中心的智能资源管理框架，有效降低了云计算中心的能量消耗，但是该框架不适用于物联网。因此基于区块链实现资源管理将是未来发展趋势，如何基于区块链建立适用于物联网的资源共享模式亟需深入研究。

针对上述问题，本发明综合考虑物联网的异构型，网络资源受限等问题，提出了一种基于区块链的物联网资源共享方法及系统，实现去中心化网络能量资源可靠共享以及最大化网络资源利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供的基于区块链的物联网资源共享方法，包括：

步骤101：获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数。

步骤102：根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数。

步骤103：根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同。

步骤104：在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构。

步骤105：确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识。

步骤106：确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点。

步骤107：结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识。

步骤102具体包括：

根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

所述非线性目标函数为

其中，

表示整个域内网络节点的能量消耗；

表示第i个层区结构内节点的能量消耗。

在所述两层区块链结构中，每个区内维护的一个子区块链形成从链，多个区形成多链结构，从而构成全局区块链；其中，一个全局区块为t时刻各区头节点通过全局共识形成的区块；

每个所述子区块链均由子区块头和子区块体两部分组成；其中，所述子区块头包含的信息包括{子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig，区块Hash值，Merkle树根，合作节点列表NodeList，合作节点贡献度列表ContriList，时间戳t}，所述子区块体存储协作传输的数据包头信息；

所述全局区块链由全局区块头和全局区块体两部分组成，所述全局区块头包含的信息包括{区块序号GBlockID，区头节点签名CSig，区块Hash值，Merkle树根，时间戳t}，所述全局区块体存储协作传输列表List。

步骤105具体包括：

确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点。

在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值。

通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块。

通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

步骤107具体包括：

信息收集；通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者。

建立新全局区块；全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块。

达成共识；全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中。

区头更新；当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

实施例2

为了解决物联网中资源共享问题，本实施例需要建立一种可靠的共享机制，节点间通过区块链多链结构实现能量资源共享。区块链多链结构用于记录节点间能量资源共享行为，如哪个节点贡献多少能量等等，从而保证节点间能量共享是可靠的。

本实施例提出的基于非均匀分区构建多链结构共包括两个部分：非均匀分区网络结构优化；确立区块结构，提出低开销主从多链结构共识算法。

(1)层次型非均匀网络分区结构优化

物联网的应用环境具有大规模、多样性和异构性等特点，为了促成具有不同属性的网络也可以通过合作完成目标任务，需要建立层次型的分布式物联网系统框架。如图2所示，考虑将物联网分成不同管理域，每个域内存在一个或若干个管理者。定义A_p为第p域的管理者，D_pq表示第p域内的第q个设备，其中，1≤p≤P，1≤q≤Q，Q为一个域内设定的最大设备总数量；各个域的管理者A_p之间可以进行合作，协作传输可以跨域实现，且合作需要建立在信息对等的基础上实现。对于物联网中的每一个域，其接入设备的规模可能很大，如果借助一条公链，域内节点信息维护开销将制约整个网络的生命周期。因此本发明拟在物联网中引入多链机制，实现共享网络的建立。对于每个管理域可分成分若干区，每个区的区头节点用C表示，每个区内构建子区块链，由区头节点共同维护全局区块链。其中，个网络是一个管理域，不同的网络之间可以协作。

本发明中，节点协作主要表现为协作传输，即数据源节点依靠其邻居节点完成数据传输，靠近数据收集基站的数据源节点需要的合作节点数少于那些远离数据收集基站的数据源节点，即远离数据收集基站的数据源节点需要借助更多的合作节点完成远距离数据传输，从而降低单个节点在传输过程中产生的能耗，而距离数据收集基站近的数据源节点则需要较少的合作节点即可完成近距离传输，甚至直接将数据传给数据收集基站。因此为了实现全网能耗均衡，本发明中对于单个域内的组成节点采用非均匀分区进行管理，如图3所示。

假设域内网络长度为L，且域内网络宽度为W，共N个接入节点位于网络内部完成监测任务，将感知数据传输到数据收集基站。整个域内网络被分为若干个非均匀层区结构，每层区结构包括若干个区，第i层的区半径为R_i，且大小相等，不同层的区半径大小不相等。为了实现网络中的能耗均衡，确定每一层区半径的最优值则为本发明要解决的优化问题。待求解的区半径解可表示为R＝{r₁，r₂，……r_i，……r_n}，其中n表示将整个域内网络划分为n个层次，每个区内节点借助协作传输采用波束成形技术将数据直接传输到数据采集基站，在波束成形技术中，根据电磁波相干叠加的特性，当有N个合作节点以相同功率传输数据时，在数据采集基站处有N²的增益，则节点的发射功率减小到1/N²，由于合作节点之间的距离d_transmit远小于数据源节点与数据采集基站之间的距离，本发明认为合作节点和与数据采集基站之间的距离，与数据源节点和数据采集基站之间的距离相等。因此第i层的节点总传输能量可表示为该层节点的个数与每个区的传输能耗的乘积，即：

其中，W为域内网络宽度，r_i为第i层的区半径，N_i为第i层参与协作传输的节点数量，E_elec为发射电路损耗的能量，l为传输数据长度，ε为传输衰减模型功率放大所需要的能量，

为第i层合作节点之间的距离。每一层区内参与协作传输的节点数量与该区内的节点数量c_i呈比例关系，而每个区内的节点数量c_i可表示为与区半径之间的函数，即c_i＝2πr_i ²ρ，θ表示一个区内参与协作传输的节点比例，因此域内网的能量消耗E_total可以表示为：

从能耗角度可建立该优化问题的非线性目标函数为：

该目标函数保证了全网能耗最小，同时兼顾各层区之间的能耗均衡，需要求解的优化变量为各层区半径，即为r。

本发明对于该非线性目标函数的优化求解将采用引力搜索算法进行最优化求解，在搜索空间中有N个粒子，该问题的解可表示为N个粒子的位置向量，表示为X＝(x₁,x₂,...,x_i,...,x_N)，第i次迭代过程中，每一个方向对第n个粒子作用力总和表示为：

其中，rand_i是[0,1]之间均匀分布的随机数，保证搜索具有一定的随机性，R_nj代表粒子n和粒子j之间的距离，ε是一个非常小的常量；G(t)为此时的引力常数，其大小与迭代次数有关，计算表达式为公式(5)：

Gⁱ＝G₀×e^(-αt/T) (5)

其中G₀为初始时刻引力常数；T为最大的迭代次数。

由牛顿第二定律可知，受其他粒子引力的作用而产生的加速度，加速度计算公式为：

惯性质量的大小与计算得到的适应度值有关，在算法中，粒子的惯性质量更新公式为：

每一次迭代中，粒子速度由加速度和上一代粒子的速度来计算得出，粒子的位置由更新得到的速度和上一代粒子的位置得出，为了提高搜索效率，引入x_best防止最优解徘徊在局部最优解，x_best为保留的之前所有迭代产生的全局最优解。速度和位置的表达式为：

非均匀分区结构优化算法的具体流程为：

Step1：初始化X₀，即随机产生在一定范围内的粒子位置X₀，初速度V¹为0，惯性质量M¹为0。

Step2：对种群边界化处理，由目标函数及X＝(x₁,x₂,…,x_d)，计算每个粒子的适应度值，根据公式找出第i轮迭代的最优值p_best＝min{f_i}、最差值p_worst＝max{f_i}。

Step4：记录每次迭代产生的全局最优解对应的位置向量x_best。

Step3：根据求得的最优值p_best、p_worst，计算粒子惯性质量M，并更新引力常数G。计算出周围粒子对个体的引力F_n，同时更新加速度和速度。

Step4：根据公式(9)、(10)更新粒子的速度和位置。

Step5：返回Step2循环迭代，直到达到循环次数。

Step6：循环结束，获取的向量X即为最优的各层区半径大小R。

网络进行区结构划分在节点部署之后一次完成，后续传输过程对分区结构不产生影响。

(2)确立组成区块结构及建立全局多链共识机制

本发明借助区块链建立具有共享特征的物联网，形成共享网络，利用区块链技术记录节点转发行为，从而保障节点可对等交互信息，保证共享网络具有可靠性，因此对于每一个区块，将记录节点间的共享行为。

A.基于优化分区的两层区块链结构

每个区内维护一个子区块链形成从链，多个区形成多链结构，从而构成全局区块链，一个全局区块为t时刻各区头节点通过全局共识形成的区块，每个子区块链由子区块头和子区块体两部分组成。一个子区块链C_i可以表示为{CBlock_i∣i∈N^*}，对于每个CBlock_i，其子区块头包含的信息包括{子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig，区块Hash值，Merkle树根，合作节点列表NodeList，合作节点贡献度列表ContriList，时间戳t}，子区块体存储协作传输的数据包头信息，一个全局区块链可以表示为{GBlock_i∣i∈N^*}，对于每个GBlock_i，其全局区块头包含的信息包括{区块序号GBlockID，区头节点签名CSig，区块Hash值，Merkle树根，时间戳t}，全局区块体存储协作传输列表List。具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构如图4所示。

B.子区块链区块发布与共识

不同于传统区块链的共识机制，区块链的引入为协作传输服务，数据源节点产生感知数据驱动协作传输进行。因此，在本发明中的共识机制将进行简化，即节点不需要通过竞争确立区块的发布权，仅由数据源节点构建发布新区块，从而降低节点争取区块发布权产生的能耗。当数据源节点Node_i获取感知数据包完成协作传输之后，所有合作节点构成合作节点列表NodeList，数据源节点Node_i将参与合作节点在合作过程中消耗的资源转化为该数据源节点的共享行为评估，从而形成贡献度列表ContriList，形成数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值。数据源节点Node_i将上述信息写入子区块头和子区块体内，形成新区块C_i进行发布，该区内数据源节点确认发布该新区块，并进行本地存储，实现区内共识。

C.全局区块链区块发布与共识

协作传输通常是依靠数据源节点周围的邻居节点组成合作节点实现，即协作传输主要在一个区内进行，不涉及跨区域合作的现象，但是对于贡献度低的节点，考虑其合作意愿不强，因此其选择合作节点的范围有限，即仅有少数节点参与该节点生成数据的协作传输，该节点传输范围受限，无法直接传输到基站，对于这种情况则需要借助其他区转发数据进行传输，本发明中仅考虑两跳转发机制，即S—R—D模式，数据源节点将数据转发给中继区，中继再将数据传输到目的基站，即数据采集站。

考虑到实时进行全局区块链共识会造成较大的能量浪费，而且仅当数据源节点的传输距离有限而不能到达基站时才需要全局区块链达成共识实现跨区合作，因此当该条件满足时，每个区块的区头节点通过全局区块链共识算法实现将各个区域节点的共享属性及协作传输列表传输到全局区块链上，每个区块的区头节点仅用于实现全局区块同步，且进行周期更新，为保证节点能耗的均衡性，每次选取剩余能量最多的节点充当区头节点，该选择方式无需额外消耗能量，再节点交互过程中即可确定区内成员节点的能耗，因此该区头选择方法的复杂度为O(1)。

每个区确定区头节点C_i之后，依据每个区头节点的贡献度，将具有最大贡献度的区头节点C_max＝MAX(Contri(C_i)作为新区块的发布者，其他区头节点形成本区内子区块的协作传输列表，并发给C_max构建新的区块，新区块构建完成之后由节点C_max广播给其他区头节点达成全局区块链共识。具体流程为：

Step1：计算节点贡献度。具体为：考虑节点能量受限，将节点的共享能量与节点的贡献度建立映射关系作为节点共享关系评估的组成部分。根据节点所具有的不同属性，节点具有不同的行为，其行为主要表现为合作转发、自私行为、沉默行为和丢包行为四种类型，因此对共享关系评估可分为如下三种情况进行讨论。

合作转发

假设节点Node_i通过执行合作转发而共享自己的能量为E_contri，则该节点在本次协作传输中获得的贡献度为Contri(i)拟表示为：

其中，E_remain为节点当前的剩余能量，该函数取值小于1，值越大表明该节点能量的贡献率高。

沉默行为

假设节点Node_i的行为属于沉默行为时将不参与合作，则该节点在本次协作传输中没有贡献自己的能量，因此其贡献度Contri(Node_i)为0。

自私行为与恶意行为

假设节点Node_i的行为属于自私行为和恶意行为，即表现为参与合作的意愿但是提前终止合作，造成合作损失，因此其贡献度拟表示为数据源节点与该节点建立合作关系产生的能耗与其自身剩余能量之比。

Step2：确立全局区块发布者。从所有区头节点中选出具有最大贡献度的节点作为全局区块发布者。

Setp3：信息收集。其他区头节点构建本全局区块的协作传输列表传输给全局区块发布者。

Step4：建立新全局区块。全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到区块体内，构建新全局区块。

Step5：达成共识。全局区块发布者将新全局区块广播给其他区头节点，其他区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中。

Step6：区头更新。当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将自己存储的全局区块链删除。

由于每次都是选取具有最大贡献度的节点作为区块发布者，因此认为全局区块链的构建过程时可信的，不考虑有恶意行为。

实施例3

如图5所示，本实施例提供了一种基于区块链的物联网资源共享系统，包括：

域内网络结构参数获取模块100，用于获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数。

区半径计算模块200，用于根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数。

分布式物联网系统框架建立模块300，用于根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同。

两层区块链结构建立模块400，用于在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构。

区内共识模块500，用于确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识。

全局区块发布者确定模块600，用于确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点。

全局区块共识模块700，用于结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识。

其中，所述区半径计算模块200，具体包括：

区半径计算单元，用于根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

在所述两层区块链结构中，每个区内维护的一个子区块链形成从链，多个区形成多链结构，从而构成全局区块链；其中，一个全局区块为t时刻各区头节点通过全局共识形成的区块；

每个所述子区块链均由子区块头和子区块体两部分组成；其中，所述子区块头包含的信息包括{子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig，区块Hash值，Merkle树根，合作节点列表NodeList，合作节点贡献度列表ContriList，时间戳t}，所述子区块体存储协作传输的数据包头信息；

所述全局区块链由全局区块头和全局区块体两部分组成，所述全局区块头包含的信息包括{区块序号GBlockID，区头节点签名CSig，区块Hash值，Merkle树根，时间戳t}，所述全局区块体存储协作传输列表List。

所述区内共识模块500，具体包括：

数据源节点确定单元，用于确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点。

协作传输单元，用于在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值。

新区块建立单元，用于通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块。

区内共识单元，用于通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

所述全局区块链共识模块700，具体包括：

信息收集单元，用于通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者。

新全局区块建立单元，用于全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块。

全局区块共识单元，用于全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中。

区头更新单元，用于当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于区块链的物联网资源共享方法，其特征在于，所述物联网资源共享方法包括：

获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数；

根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数；

根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同；

在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构；

确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识；

确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点；

结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识；

所述非线性目标函数为

其中，

表示整个域内网络节点的能量消耗；R为区半径的集合，R＝{r₁，r₂，……r_i，……r_n}，n为区半径的总数，r为区半径；W为域内网络宽度，r_i为第i层的区半径，表示一个区内参与协作传输的节点比例，c_i第i层的节点数量，l为传输数据长度，E_elec为发射电路损耗的能量，ε为传输衰减模型功率放大所需要的能量，

为第i层合作节点之间的距离；

表示第i个层区结构内节点的能量消耗，N_i为第i层参与协作传输的节点数量；

L为域内网络长度，r₁为第1层的区半径，r₂为第2层的区半径，r_k为第k层的区半径，r_n为第n层的区半径。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网资源共享方法，其特征在于，所述根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径，具体包括：

根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网资源共享方法，其特征在于，在所述两层区块链结构中，每个区内维护的一个子区块链形成从链，多个区形成多链结构，从而构成全局区块链；其中，一个全局区块为t时刻各区头节点通过全局共识形成的区块；

每个所述子区块链均由子区块头和子区块体两部分组成；其中，所述子区块头包含的信息包括{子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig，区块Hash值，Merkle树根，合作节点列表NodeList，合作节点贡献度列表ContriList，时间戳t}，所述子区块体存储协作传输的数据包头信息；

所述全局区块链由全局区块头和全局区块体两部分组成，所述全局区块头包含的信息包括{区块序号GBlockID，区头节点签名CSig，区块Hash值，Merkle树根，时间戳t}，所述全局区块体存储协作传输列表List。

4.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网资源共享方法，其特征在于，所述确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识，具体包括：

确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点；

在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值；

通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块；

通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网资源共享方法，其特征在于，所述结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识，具体包括：

信息收集；通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者；

建立新全局区块；全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块；

达成共识；全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中；

区头更新；当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

6.一种基于区块链的物联网资源共享系统，其特征在于，所述物联网资源共享系统包括：

域内网络结构参数获取模块，用于获取域内网络结构参数；所述网络结构参数包括域内网络长度、域内网络宽度以及域内节点个数；

区半径计算模块，用于根据所述域内网络结构参数，结合已经建立的非线性目标函数，计算每个区半径；所述非线性目标函数为域内总能耗最小且各层区结构之间能耗均衡的目标函数；

分布式物联网系统框架建立模块，用于根据所述区半径，建立层次型的分布式物联网系统框架；所述分布式物联网系统框架划分为多个管理域网络，每个所述管理域网络由若干个非均匀层区结构组成，每个层区结构包括若干个相同的区，且不同层区结构的区半径不同；

两层区块链结构建立模块，用于在所述分布式物联网系统框架的每个区内均构建一个子区块链，进而建立具有子区块链和全局区块链的两层区块链结构；

区内共识模块，用于确定每个区内的数据源节点，并在所述子区块链中，通过所述数据源节点构建发布新区块，达到区内共识；

全局区块发布者确定模块，用于确定每个区内的区头节点，并分别计算每个所述区头节点的贡献度，将贡献度最大的区头节点确定为全局区块发布者；所述区头节点为区内剩余能量最多的节点；

全局区块共识模块，用于结合主从多链结构的低开销共识算法，通过所述全局区块发布者构建发布新全局区块，达成全局区块共识；

所述非线性目标函数为

其中，

表示整个域内网络节点的能量消耗；R为区半径的集合，R＝{r₁，r₂，……r_i，……r_n}，n为区半径的总数，r为区半径；W为域内网络宽度，r_i为第i层的区半径，表示一个区内参与协作传输的节点比例，c_i第i层的节点数量，l为传输数据长度，E_elec为发射电路损耗的能量，ε为传输衰减模型功率放大所需要的能量，

为第i层合作节点之间的距离；

表示第i个层区结构内节点的能量消耗，N_i为第i层参与协作传输的节点数量；

L为域内网络长度，r₁为第1层的区半径，r₂为第2层的区半径，r_k为第k层的区半径，r_n为第n层的区半径。

7.根据权利要求6所述的基于区块链的物联网资源共享系统，其特征在于，所述区半径计算模块，具体包括：

区半径计算单元，用于根据所述域内网络结构参数和已经建立的非线性目标函数，采用引力搜索算法，计算每个区半径。

8.根据权利要求6所述的基于区块链的物联网资源共享系统，其特征在于，所述区内共识模块，具体包括：

数据源节点确定单元，用于确定每个区内的数据源节点，并将所述数据源节点确定为所述子区块链中新区块的发布者；所述数据源节点为获取感知数据包的节点；

协作传输单元，用于在所述数据源节点获取感知数据包并完成协作传输之后，将所有的合作节点构成合作节点列表，然后将所述数据源节点在参与所述合作节点的合作过程中消耗的资源转化为所述数据源节点的贡献度，形成贡献度列表和数据包头信息，生成子区块序号CBlockID，数据源节点签名DSig和区块Hash值；

新区块建立单元，用于通过所述数据源节点将所述合作节点列表、所述贡献度列表、所述生成子区块序号CBlockID、所述数据源节点签名DSig和所述区块Hash值写入的子区块头，将数据包头信息写入子区块体内，形成新区块；

区内共识单元，用于通过所述数据源节点发布新区块，并进行本地存储，从而实现区内共识。

9.根据权利要求6所述的基于区块链的物联网资源共享系统，其特征在于，所述全局区块共识模块，具体包括：

信息收集单元，用于通过除全局区块发布者以外的区头节点构建全局区的协作传输列表，并传输给全局区块发布者；

新全局区块建立单元，用于全局区块发布者生成全局区块头，并将收集的协作传输列表存储到全局区块体内，构建新全局区块；

全局区块共识单元，用于全局区块发布者将新全局区块广播给除全局区块发布者以外的区头节点，除全局区块发布者以外的区头节点将新全局区块存入到自己的全局区块链中；

区头更新单元，用于当区头需要进行更新时，旧区头将存储的全局区块链转移给新区头，同时将旧区头存储的全局区块链删除。

Images