CN110213171A - 一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法。在联盟链技术逐步完善的背景下，考虑将网络通信运营商与网络应用服务供应商引入到网络数据流量监测与控制环节中来，改变传统意义上数据流量监控单一依靠用户实现的被动方案，建立明确用户需求、分筛重要数据、迫切需求优先应答的数据监测与控制方法。该方法的核心思想是数据用户、网络通信运营商以及网络应用服务供应商依托联盟链技术对网络数据需求达成一致，保证有效数据包的高效传输、限制或禁止无效或非法数据包传输，将数据源头及传输路径纳入流量监控生态圈，实现数据流量传输的全过程管控。本发明可提升数据流量监测与控制的准确性和可靠性。

Description

一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法

技术领域

本发明属于数据流量监测与控制领域，具体涉及一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法。

背景技术

数据流量监管是基于网络数据流量状况和管理控制策略对数据流进行识别分类并实施流量控制、优化和对关键应用进行保障的相关技术。随着网络流量的不断增长，网络应用的日趋纷繁，不难看到，简单的、无限制的增加网络带宽是不能解决网络流量的根本问题的。因此，必须重视对网络数据流量的监测与管控，了解网络流量使用情况，在此基础上通过网络管理技术来提升网络效能，最终找到优化提升网络性能的途径。

目前，数据流量监控主要是用户侧独立来完成。按照网络数据监控原理的不同，主要有以下几种方法：一是采用API hook技术，API是指应用程序编程接口，是一些预先定义的函数，通过利用API，开发人员能够具备无需访问源码即可访问一组例程的能力。hook是windows中提供的一种“中断”机制。在对特定事件进行hook后，一旦发生已hook事件，对该事件进行hook的程序就会收到系统的通知，这时系统就能在第一时间对该事件做出响应。如对某端口数据流量超标事件进行hook,一旦该端口数据流量超过定值即能收到系统告警。该方法实现简单但会受到多方面因素的限制，得到的结果很有可能不准确、有延时甚至得不到结果。二是通过编写底层驱动的方法实现数据流量监控，采用机器语言编写驱动程序直接访问底层硬件来获取数据流量状况。得益于直接访问底层硬件的原理，该方法不易受其他因素的影响，获得的数据流量信息准确、无延迟，兼容性好，而且容易实现对被监测程序流量的控制。然而，该方法难度技术较高。三是利用系统组件，调用windows性能工具获得数据流量状况，但该方法难度较大且应用范围受制于操作系统类型，应用不广泛。四是加装网络流量器，作为七层的网络管理设备，网络流量器能够根据应用和用户进行带宽的分配和监控。

然而，用户侧的流量监管与控制手段或多或少存在一定的问题：或是监控不准确，或是技术门槛过高让人望而却步，更或是仅能监测不能控制。随着各种网络新技术的应用和网络多媒体技术的发展，网络带宽紧缺的问题越来越明显，尤其是P2P应用更是对带宽的管理带来了严重威胁，如此一来，仅仅依靠用户侧的流量监管与控制手段越来越显得不足和薄弱。因此，在网络数据流量监控上应挖掘“源头治理”和“过程管控”的潜力，将网络通信运营商与网络应用服务供应商纳入数据流量管理环节中来，协同用户侧共同完成数据流量监控。但这在技术实现上存在较大困难，既需要多方参与者相互协同达到流量监控策略上的一致，有需要避免某一方因个人利益干扰网络秩序。区块链技术的出现特别是联盟链技术的发展为上述问题的解决带来了利好——可尝试利用联盟链技术打造包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的“流量监控联盟”，实现数据流通的全过程管控。目前，尚未发现关于上述策略的有益尝试。

发明内容

为解决上述问题，本文发明提出了一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，建立包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的全过程流量监控生态圈，提升数据流量管控与网络带宽管理效果。

本发明的技术方案采用如下步骤：

(1)建立包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的数据流量管控区块链联盟；

(2)数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化；

(3)使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升共识达成速度；

(4)设计数据流量监控联盟的共识达成机制；

(5)采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性。

优选地，所述步骤(1)的具体实现如下：

step1由网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商基于区块链技术组成数据流量监控联盟系统；

step2所述联盟系统分别在数据分筛、数据应答、数据需求响应三个环节进行数据流量监测与控制。

优选地，所述的步骤(2)中的数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化是指：数据用户将自己的数据需求形成数字化文件通过联盟网络共享给联盟内的网络通信运营商和网络应用服务商。在联盟网络达成共识后，网络通信运营商和网络应用服务商将结合用户实际需求完成数据流量定制化服务，从而实现数据流量管控。

进一步地，步骤(2)中的数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化采用以下步骤实现：

step1：由网络通信运营商组织，网络应用服务商节点参与，共同制定数据使用需求数字化规范；

step2：用户将自己的数据使用需求按照既定的数字化规范形成数字化文件，加密后向联盟网络内的通信运营商和应用服务商节点进行广播，通信运营商和应用服务商接收到用户数据需求文件后进行解密，获取用户提请的数据使用需求。

step3：数据流量需求经联盟成员达成共识后，部署到区块链上；

step4：当用户提请新的数据使用需求并经联盟成员达成共识后，将新的需求文件部署到区块链上，旧的需求文件作废。

优选地，所述步骤(3)中使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升共识达成速度具体如下：

在共识机制中采用固定签名集合方案替代动态成员多方签名方案，采用脚本验证替代了工作量证明共识规则，避免穷举式运算对资源的占用，消除新生成区块的重组风险以及实现数据访问与数据应答的低延迟。

优选地，所述步骤(4)中设计数据流量监控联盟的共识机制，其运作原理如下：

Step1固定签名集合中的网络通信运营商和网络应用服务商收到数据用户提请的数据使用需求后基于自身情况(服务器状态、链路情况等)对用户数据需求的合法性及合理性进行判断；

Step2将判断结果在数据流量监控联盟中进行广播；

step3联盟系统根据共识达成规则判断所述数据使用需求合理合法的节点数量是否达到设定阈值；

step4达到阈值，联盟系统内就该数据使用需求达成共识并部署到区块链上，否则判定数据行为非法，提示用户制定新的数据使用方案并重新履行流程。

进一步地，所述共识达成规则制定方法如下：

在固定签名集合中，通信运营商节点和网络应用服务商节点中认为用户提请的数据流量使用需求合理合法的数量大于通信运营商节点和网络应用服务商节点数量总和的3/5时，联盟系统就用户提请的数据使用需求达成共识。

优选地，所述步骤(5)中采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性的方法如下：

Step1数据用户节点提请数据流量管控需求，并用非对称加密算法对数据需求进行加密，使得仅联盟内的网络服务运营商和网络应用供应商等相关方可以查看；

Step2数据用户节点采用hash算法生成加密数据流量管控需求的数字指纹，然后用私钥对其进行签名；

Step3数据用户节点将加密合约、公钥与签名一起广播到区块链网络中；

step4网络参与节点用公钥验证签名，验证通过后确认数据流量管控需求为数据用户节点提请的，同时按照共识机制对加密的数据流量管控需求进行区块化封装并写入区块链。

由此，本发明具有以下有益技术效果：本发明通过引入网络通信运营商和网络应用服务商基于区块链技术组成带有高度分布式自治特点的数据流量监控联盟系统，实现在数据分筛、数据应答、数据需求响应三个环节进行数据流量监测与控制，大大提高数据流量监管效率和精度，提高网络带宽利用水平。

附图说明

图1传统数据流量监控模式与本发明基于联盟系统流量监控模式对比示意图；

图2基于联盟链技术的数据流量监控系统运作流程；

表1实验结果；

表2数据监控联盟有效性实验信息；

表3数据流量监控联盟系统鲁棒性实验信息。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

在本实施例中，本发明的技术方案采用如下步骤：

(1)建立包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的数据流量管控区块链联盟。其中，建立包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的数据流量管控区块链联盟是指：

传统的数据流量监测与控制方法通常仅依靠用户侧来完成，用户根据自己实际的数据使用需求采用API hook或编写底层驱动等方式在个人终端处完成数据流量监测与控制。如图1所示，本发明在传统数据流量监控方法的基础上，引入网络通信运营商和网络应用服务商基于区块链技术组成带有高度分布式自治特点的数据流量监控联盟系统，在该联盟系统内，三方能够就用户提请的合法的数据流量使用需求达成网络共识，分别在数据分筛、数据应答、数据需求响应三个环节进行数据流量监测与控制，大大提高数据流量监管效率和精度，提高网络带宽利用水平。

(2)数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化。其中，数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化是指：

数据用户将自己的数据需求形成数字化文件通过联盟网络共享给联盟内的网络通信运营商和网络应用服务商。在联盟网络达成共识后，网络通信运营商和网络应用服务商将结合用户实际需求完成数据流量定制化服务，从而实现数据流量管控。整个系统的运作流程如图2所示，数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化采用以下步骤实现：

step1：由网络通信运营商组织，网络应用服务商节点参与，共同制定数据使用需求数字化规范；

step2：用户将自己的数据使用需求按照既定的数字化规范形成数字化文件，加密后向联盟网络内的通信运营商和应用服务商节点进行广播，通信运营商和应用服务商接收到用户数据需求文件后进行解密，获取用户提请的数据使用需求。

step3：数据流量需求经联盟成员达成共识后，部署到区块链上；

step4：当用户提请新的数据使用需求并经联盟成员达成共识后，将新的需求文件部署到区块链上，旧的需求文件作废。

(3)使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升共识达成速度。为了消除新生成区块的重组风险以及实现数据访问与数据应答的低延迟，一方面，本发明在共识机制中采用固定签名集合方案替代动态成员多方签名方案，在联盟系统中选取信用好、技术可靠的通信运营商和网络应用服务商节点作为固定签名集合，联盟系统内的共识达成皆依靠固定签名集合成员来实现，与动态成员多方签名方案相比，节省了每次更新动态成员列表的时间；另一方面，本发明采用脚本验证替代了工作量证明共识规则，避免了穷举式运算对资源的占用。

(4)设计数据流量监控联盟的共识机制；

(5)采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性。

所述的步骤2)中的数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化是指：

数据用户将自己的数据需求形成数字化文件通过联盟网络共享给联盟内的网络通信运营商和网络应用服务商。在联盟网络达成共识后，网络通信运营商和网络应用服务商将结合用户实际需求完成数据流量定制化服务，从而实现数据流量管控。整个系统的运作流程如图2所示。

所述的步骤4)中设计数据流量监控联盟的共识机制，其运作原理如下：

固定签名集合中的网络通信运营商和网络应用服务商收到数据用户提请的数据使用需求后基于自身情况(服务器状态、链路情况等)对用户数据需求的合法性及合理性进行判断，将判断结果在数据流量监控联盟中进行广播，当联盟系统内认为某数据使用需求合理合法的节点数量达到设定的门槛值时，联盟系统内就该数据使用需求达成共识并部署到区块链上。

所述的步骤4)中设计数据流量监控联盟的共识机制，其共识达成的规则采用如下方法制定：

联盟内的用户节点不参与共识机制，网络共识的达成仅取决于固定签名集合中的通信运营商节点和网络应用服务商节点。假定固定签名集合中共有m个通信运营商节点和n个网络应用服务商节点，分别用M_i,N_j表示，i＝1,···,n，j＝1,···,m。若第i个通信运营商节点或第j个网络应用服务商节点认为用户提请的数据流量使用需求合理合法则有M_i＝1,N_j＝1，否则有M_i＝0,N_j＝0。那么，当满足下列条件时，联盟系统就用户提请的数据使用需求达成共识：

可以理解为，当固定签名集合中认为用户提请的数据使用需求合理合法的节点数量超过固定签名集合中节点总数的六成时，联盟系统就该数据使用需求达成共识。其中，l_i,k_j为第i个网络通信运营商和第j个网络应用服务商所对应的权重系数，通常可取l_i＝k_j＝1,，表示固定签名集合中所有的通信运营商节点和网络应用服务商节点在共识达成机制中具有完全平等的话语权。当l_i,k_j＞1时，则表示某些网络通信运营商和网络应用服务商在共识达成过程中具有更高的话语权(可理解为其就数据使用需求合理合法性的判定结果的可信度较其它节点更高)，通常可以为规模较大的网络通信运营商和网络应用服务商设定更高的权重，但l_i,k_j取值不宜过大(<1.1为宜)，否则个别节点的判定结果可能会对共识是否达成起决定性作用，降低联盟系统的可靠性。采用上述共识规则，需至少攻陷固定签名集合中40％的节点才能影响整个联盟系统的正常运转，可以实现对拜占庭将军问题的鲁棒，保证联盟系统的可靠性。

所述的步骤5)中采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性的方法如下：

Step1：数据用户节点i提请数据流量管控需求，并用非对称加密算法对数据需求进行加密，使得仅联盟内的网络服务运营商和网络应用供应商等相关方可以查看；

Step2：数据用户节点i采用hash算法生成加密数据流量管控需求的数字指纹，然后用私钥对其进行签名；

Step3：数据用户节点i将加密合约、公钥与签名一起广播到区块链网络中；

Step4：网络参与节点用公钥验证签名，验证通过后确认数据流量管控需求为数据用户节点i提请的，同时按照共识机制对加密的数据流量管控需求进行区块化封装并写入区块链。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

采用一个包含8台PC机的局域网网络验证本发明的可行性和有效性，所采用的PC机型号为：戴尔(DELL)，3667-R1838/R2848商用台式电脑整机，i5-6400CPU，8G内存。其中，5台PC机扮演网络应用服务商节点，依次记为S1、S2、S3、S4、S5；2台PC机扮演数据通信服务商节点，依次记为T1、T2；另外1台PC机扮演客户端，记为U1。选取4台网络应用服务商节点(S1、S2、S3、S4)及1台数据通信运营商节点(T1)组成固定签名集合执行联盟共识算法。分别按照表2表3进行数据流量管控联盟系统的有效性和鲁棒性实验，实验结果分别如表1所示。

表1实验结果

表2数据监控联盟有效性实验信息

表3数据流量监控联盟系统鲁棒性实验信息

从实验结果可以看出：本发明的数据流量监控联盟系统能够实现对用户数据访问需求的应答与管控。另外，必须攻占4成以上固定多方签名成员才能阻止联盟系统共识的达成，这在系统实际应用中是难以实现的，这也就确保了本发明系统的鲁棒性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立包括网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商在内的数据流量管控区块链联盟；

(2)数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化；

(3)使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升共识达成速度；

(4)设计数据流量监控联盟的共识达成机制；

(5)采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性。

2.根据权利要求1所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体实现如下：

1.1由网络用户、网络通信运营商与网络应用服务供应商基于区块链技术组成数据流量监控联盟系统；

1.2所述联盟系统分别在数据分筛、数据应答、数据需求响应三个环节进行数据流量监测与控制。

3.根据权利要求1所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化是指数据用户将自己的数据需求形成数字化文件通过联盟网络共享给联盟内的网络通信运营商和网络应用服务商，在联盟网络达成共识后，网络通信运营商和网络应用服务商将结合用户实际需求完成数据流量定制化服务，实现数据流量管控。

4.根据权利要求1和3所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的数据流量监测管控需求数字化、网络化、共享化采用以下步骤实现：

2.1由网络通信运营商组织，网络应用服务商节点参与，共同制定数据使用需求数字化规范；

2.2用户将自己的数据使用需求按照既定的数字化规范形成数字化文件，加密后向联盟网络内的通信运营商和应用服务商节点进行广播，通信运营商和应用服务商接收到用户数据需求文件后进行解密，获取用户提请的数据使用需求；

2.3数据流量需求经联盟成员达成共识后，部署到区块链上；

2.4当用户提请新的数据使用需求并经联盟成员达成共识后，将新的需求文件部署到区块链上，旧的需求文件作废。

5.根据权利要求1所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用固定多重数字签名代替动态成员多方签名机制提升共识达成速度具体如下：

在共识机制中采用固定签名集合方案替代动态成员多方签名方案，采用脚本验证替代了工作量证明共识规则，避免穷举式运算对资源的占用，消除新生成区块的重组风险以及实现数据访问与数据应答的低延迟。

6.根据权利要求1所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中设计数据流量监控联盟的共识机制，其运作原理如下：

4.1固定签名集合中的网络通信运营商和网络应用服务商收到数据用户提请的数据使用需求后基于自身情况(服务器状态、链路情况等)对用户数据需求的合法性及合理性进行判断；

4.2将判断结果在数据流量监控联盟中进行广播；

4.3联盟系统根据共识达成规则判断所述数据使用需求合理合法的节点数量是否达到设定阈值；

4.4达到阈值，联盟系统内就该数据使用需求达成共识并部署到区块链上，否则判定数据行为非法，提示用户制定新的数据使用方案并重新履行流程。

7.根据权利要求6所述的基于多链架构的数据安全共享方法，其特征在于，所述的步骤4.3中共识达成规则制定方法如下：

在固定签名集合中，通信运营商节点和网络应用服务商节点中认为用户提请的数据流量使用需求合理合法的数量大于通信运营商节点和网络应用服务商节点数量总和的3/5时，联盟系统就用户提请的数据使用需求达成共识。

8.所述的基于联盟链技术的数据流量监测与控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中采用非对称加密算法保证数据流量管控需求和管控策略的私密性的方法如下：

5.1数据用户节点提请数据流量管控需求，并用非对称加密算法对数据需求进行加密，使得仅联盟内的网络服务运营商和网络应用供应商等相关方可以查看；

5.2数据用户节点采用hash算法生成加密数据流量管控需求的数字指纹，然后用私钥对其进行签名；

5.3数据用户节点将加密合约、公钥与签名一起广播到区块链网络中；

5.4网络参与节点用公钥验证签名，验证通过后确认数据流量管控需求为数据用户节点提请的，同时按照共识机制对加密的数据流量管控需求进行区块化封装并写入区块链。