CN110365707A

CN110365707A - 面向区块链物联网系统的边缘计算网关及其实现方法

Info

Publication number: CN110365707A
Application number: CN201910709913.3A
Authority: CN
Inventors: 余向阳; 尹健威; 洪伟槟; 蔡烨帆; 余自如; 张华荣
Original assignee: Shanghai Zhichain Technology Co Ltd; Guangzhou Zhichain Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhichain Technology Co Ltd; Guangzhou Zhichain Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2019-10-22

Abstract

本发明公开了面向区块链物联网系统的边缘计算网关及其实现方法，网关包括应用层、系统层和硬件层；所述硬件层包括微处理器和硬件设备；所述系统层设有系统内核的驱动程序和网关设备的驱动程序；所述应用层设有密钥生成程序、加密程序、注册账户程序、构建交易提案程序、设备或节点间的通讯程序、发送和接收消息的程序以及控制下级物联网设备的程序。本发明减少了区块链物联网系统中物联网采集数据终端设备的成本需求和边缘服务器的计算能力需求，效率高、计算资源占用率小、提高了数据安全性，且无需为区块链物联网更换已有物联网设备，成本低，可广泛应用于区块链技术领域。

Description

面向区块链物联网系统的边缘计算网关及其实现方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其是面向区块链物联网系统的边缘计算网关及其实现方法。

背景技术

物联网即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。物联网的产业规模快速增长，物联网的终端数也快速增多。传统的物联网流行的是中心化的技术架构，物联网设备的数据处理都依赖中心化的服务器来完成，这种中心化架构难以确保数据的安全。

区块链是一种提炼于比特币原理的技术框架，其名称来源于后者的数据存储结构。区块链技术的核心要素包括分布式系统、点对点网络、智能合约、加密算法、共识机制等。区块链的本质是一个去中心化的数据库。将区块链技术引入物联网有利于将物联网去中心化，同时增强物联网的数据安全，防止数据被篡改。

运用区块链技术构建物联网，让物联网数据进入区块链网络，建立区块链物联网系统，可以分为以下模式：

(1)仅改造物联网的服务端，把中心化的架构改为多节点共识的架构，数据存储节点基于收集到的物联网数据构建交易提案并经过区块链共识记录在区块链上。这种模式，仅能保证数据库里的数据安全，但数据从物联网设备到数据存储节点的过程中仍然可能被篡改。

(2)给每个采集数据的物联网设备一个区块链的数字证书，并在其上完成区块链交易提案的构建，这种方式能最大限度地保证数据的安全，数据与每个物联网设备进行身份绑定。但这种方式需要消耗大量的计算资源，每个物联网设备都需要具备在区块链上注册和构建交易提案的能力，一些成本较低，算力较低，或仅有采集数据能力的物联网设备无法达到要求。而且未来物联网设备数量将呈几何级数上升，若构建交易提案的行为在每个物联网设备上均实现，那么交易提案数量会过于庞大，区块链的效率会变低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种效率高且计算资源占用率小的，面向区块链物联网系统的边缘计算网关及其实现方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种面向区块链物联网系统的边缘计算网关，包括应用层、系统层和硬件层；

所述硬件层包括微处理器和硬件设备；

所述系统层设有系统内核的驱动程序和网关设备的驱动程序；

所述应用层设有密钥生成程序、加密程序、注册账户程序、构建交易提案程序、设备或节点间的通讯程序、发送和接收消息的程序以及控制下级物联网设备的程序。

进一步，所述硬件设备包括存储单元、电源模块、GPS定位模块、通信模块和接口；

所述存储单元、电源模块、GPS定位模块、通信模块和接口均与微处理器连接。

进一步，所述通信模块包括蓝牙模块、Wi-Fi模块、2/3/4/5G模块、ZigBee模块、NB-IoT模块、Lora模块和以太网模块中的至少一种。

进一步，所述系统层还设有系统初始化程序、文件系统程序、内存管理程序、进程调度程序、网络应用程序、接口函数的程序以及存放应用数据的嵌入式数据库。

第二方面，本发明实施例还提供了一种面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，包括以下步骤：

根据随机密钥在区块链物联网系统上进行注册，生成边缘计算网关的数字证书；

通过连接物联网设备，构建交易提案；

通过区块链的共识机制将交易信息记录在区块链物联网系统中；

通过交易信息追溯边缘计算网关的行为记录。

进一步，所述根据随机密钥在区块链物联网系统上进行注册，生成边缘计算网关的数字证书这一步骤，包括以下步骤：

将边缘计算网关与区块链物联网系统中的证书机构建立连接；

通过密钥生成程序生成一对公钥和私钥；

通过通信模块将注册信息发送到所述证书机构进行注册；所述注册信息包括但不限于公钥、边缘计算网关的GPS定位信息和边缘计算网关的序列号；

证书机构判断接收到的注册信息是否满足预设要求，若是，则生成该边缘计算网关的数字证书，并返回一个特定身份号作为该边缘计算网关的账号；反之，则确认注册失败。

进一步，所述证书机构判断接收到的注册信息是否满足预设要求这一步骤，包括以下步骤：

所述证书机构判断注册信息的格式是否满足预设的格式要求；

和/或，证书机构判断注册信息的内容是否包括公钥、边缘计算网关的GPS定位信息和边缘计算网关的序列号；

和/或，证书机构判断边缘计算网关的GPS定位信息和边缘计算网关的序列号是否已经存储在区块链物联网系统中。

进一步，所述通过连接物联网设备，构建交易提案这一步骤，包括以下步骤：

将边缘计算网关与物联网设备连接；

对每个物联网设备的上传数据进行设备标记；

通过通信模块或本地时间确定上传数据的时间戳；

通过密钥生成程序和加密程序获取上传数据的加密信息；

根据上传数据、加密信息和边缘计算网关的特定身份号，构建交易提案。

进一步，所述通过区块链的共识机制将交易信息记录在区块链物联网系统中这一步骤，包括以下步骤：

将交易提案发送到区块链物联网系统中的各个记录节点；

基于证书机构中存储的边缘计算网关的数字证书，各个记录节点通过区块链的共识机制对交易提案的数字签名信息进行验证；

将验证通过的交易信息记录在区块链物联网系统中。

进一步，还包括以下步骤：

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的时间；

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的数据量；

通过边缘计算网关对物联网设备上传的数据进行预处理。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例在边缘计算网关的应用层设置了密钥生成程序、加密程序、注册账户程序以及构建交易提案程序，能够根据随机密钥在区块链物联网系统上进行注册，生成边缘计算网关的数字证书；并能够构建物联网设备的交易提案，进而将交易信息记录在区块链物联网系统中，实现对边缘计算网关的行为记录的追溯；本发明把构建交易提案的流程放在边缘网关，而不是物联网采集数据终端设备上或边缘服务器上，减少了区块链物联网系统中物联网采集数据终端设备的成本需求和边缘服务器的计算能力需求，效率高且计算资源占用率小；相较于在边缘服务器上构建交易提案，在边缘网关构建交易提案对数据更安全；另外，本发明使区块链网络能追溯物联网数据直至边缘计算网关上，且无需为区块链物联网更换已有物联网设备，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明的注册账户的流程示意图；

图3为本发明的构建交易提案的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种面向区块链物联网系统的边缘计算网关，包括应用层、系统层和硬件层；

所述硬件层包括微处理器和硬件设备；

其中，所述边缘计算网关设置在区块链物联网系统中，所述区块链物联网系统中包括边缘计算网关以及与边缘计算网关连接的下级物联网设备以及上级网关和上级节点，该边缘计算网关包括依次连接的应用层、系统层和硬件层，所述硬件层包括微处理器和分别都与微处理器连接的存储单元、电源模块、GPS定位模块、通信模块、接口，所述系统层设有系统内核和网关设备的驱动程序，所述应用层设有密钥生成程序和加密程序，注册账户程序和构建交易提案程序，与其他设备或节点连接的程序、发送和接收消息的程序以及控制下级物联网设备的程序。

本发明的边缘计算网关可以管理一定范围或数量的物联网采集数据终端设备。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述硬件设备包括存储单元、电源模块、GPS定位模块、通信模块和接口；

具体的，边缘计算网关可以通过生成的公钥信息以及GPS定位信息、序列号等在区块链物联网系统注册账户，区块链物联网系统返回特定身份号作为账户，区块链物联网系统保留其数字证书。

边缘计算网关可以基于收集的物联网数据构建区块链物联网系统的交易提案。

进一步作为优选的实施方式，所述通信模块包括蓝牙模块、Wi-Fi模块、2/3/4/5G模块、ZigBee模块、NB-IoT模块、Lora模块和以太网模块中的至少一种。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述系统层还设有系统初始化程序、文件系统程序、内存管理程序、进程调度程序、网络应用程序、接口函数的程序以及存放应用数据的嵌入式数据库。

基于图1所示的结构，本发明实施例还提供了一种面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，包括以下步骤：

通过连接物联网设备，构建交易提案；

通过交易信息追溯边缘计算网关的行为记录。

进一步作为优选的实施方式，所述根据随机密钥在区块链物联网系统上进行注册，生成边缘计算网关的数字证书这一步骤，包括以下步骤：

通过密钥生成程序生成一对公钥和私钥；

进一步作为优选的实施方式，所述证书机构判断接收到的注册信息是否满足预设要求这一步骤，包括以下步骤：

进一步作为优选的实施方式，所述通过连接物联网设备，构建交易提案这一步骤，包括以下步骤：

将边缘计算网关与物联网设备连接；

对每个物联网设备的上传数据进行设备标记；

通过通信模块或本地时间确定上传数据的时间戳；

通过密钥生成程序和加密程序获取上传数据的加密信息；

进一步作为优选的实施方式，所述通过区块链的共识机制将交易信息记录在区块链物联网系统中这一步骤，包括以下步骤：

将交易提案发送到区块链物联网系统中的各个记录节点；

将验证通过的交易信息记录在区块链物联网系统中。

进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的时间；

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的数据量；

通过边缘计算网关对物联网设备上传的数据进行预处理。

下面结合说明书附图，详细描述本发明的边缘计算网关控制物联网的具体工作原理：

本发明提出一种面向区块链物联网系统的边缘计算网关，边缘计算网关设置在区块链物联网系统中，系统中包括边缘计算网关以及与边缘计算网关连接的下级物联网设备以及上级网关和上级节点。边缘计算网关能够生成随机密钥并在区块链物联网系统注册。边缘计算网关能够连接原有物联网设备或现有物联网设备，一般是各种传感器，并允许对物联网设备进行部分控制，例如上传数据的时刻。能对收集的数据进行定时定量地整理并对数据进行加密包括数字签名。能向上级网关、级节点或互联网请求所需数据。

以区块链物联网系统中边缘计算网关控制温湿度传感器为例，如图1所示该边缘计算网关包括依次连接的应用层、系统层和硬件层。

硬件层设计采用模块化思想，包括微处理器和分别都与微处理器连接的存储单元、GPS定位模块、电源模块、通信模块以及用于后期功能扩展的预留接口。本实施例中，通信模块包括但不限于蓝牙模块、Wi-Fi模块、2/3/4/5G模块和ZigBee模块、Lora模块、NB-IoT模块、以太网模块。系统层设有：系统内核，边缘计算网关的驱动程序，初始化程序BootLoader，为应用层提供服务的文件系统、内存管理、进程调度、网络应用以及各类接口函数的程序，存放应用数据的嵌入式数据库，应用层设有密钥生成程序和加密程序，注册账户程序和构建交易提案程序、发送和接收消息的程序以及控制温湿度传感器的程序。其中密钥生成程序生成数字签名所需的公钥和私钥，加密程序为数字签名程序、加密程序、对称加密程序。

该边缘计算网关的工作原理包括：

(1)注册功能：边缘计算网关在区块链物联网系统注册账户的功能。

(2)管理控制：负责管理控制温湿度传感器，包括与各传感器的连接，接收传感器数据，规定传感器上传时刻。

(3)数据处理：对来自布置于不同温湿度传感器数据进行整理、有效数据提取等预处理后，将传感器的数据构建成交易提案上传到区块链物联网系统。

如图2所示，边缘计算网关注册账户的过程如下：边缘计算网关先与区块链物联网系统中的证书机构建立连接，然后用密钥生成程序生成一对公钥和私钥，然后将公钥、GPS定位信息和边缘计算网关的序列号等信息通过以太网模块发送到区块链物联网系统的区块链网络中的证书机构进行注册。证书机构检查接收到的信息是否合乎区块链物联网以下要求中的一个或多个：格式是否符合要求；是否具有公钥信息、GPS定位信息、序列号等；GPS定位信息、序列号等信息是否有备案。若合乎要求，则可生成该边缘计算网关的数字证书，并返回一个特定身份号作为该边缘计算网关的账号。该边缘计算网关把生成的私钥和返回的特定身份号存储在其存储单元中。

如图3所示，边缘计算网关构建交易提案的过程如下：边缘计算网关连接通过通信模块连接温湿度传感器，协调各个传感器上传数据的时刻，对于接收到的传感器数据，标记好每个传感器与其采集到的数据的关系。通过以太网模块在互联网或本地获得时间戳等附加信息。用存储单元中记录的私钥、数字签名程序、加密程序等加密传感器数据和附加信息获得加密信息(包括数字签名信息)。最后将加密信息、该边缘计算网关的特定身份号一起构建成交易提案并发送到区块链物联网系统中的各个记录节点，节点可以通过证书机构中该边缘计算网关的数字证书验证数字签名信息，通过区块链的共识机制后，就可以将交易记录在区块链物联网系统中，通过交易的相关信息即可追溯到该边缘计算网关的相关行为。

综上所述，相较于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明在计算网关设计中，应用层增加了密钥生成程序和加密程序，区块链物联网系统注册程序和交易提案构建程序。

2、边缘计算网关注册区块链物联网系统的账号，并使用账号构建交易提案交由区块链网络共识处理，使区块链网络能追溯物联网数据直至边缘计算网关上，且无需为区块链物联网更换已有物联网设备。

3、把构建交易提案的流程放在边缘网关，而不是物联网采集数据终端设备上或边缘服务器上，减少区块链物联网系统中物联网采集数据终端设备的成本需求和边缘服务器的计算能力需求。相较于在边缘服务器上构建交易提案，在边缘网关构建交易提案对数据更安全。

4、所述边缘计算网关构建的交易提案仅指物联网采集数据的终端设备上传采集数据至区块链物联网系统存证的过程，区块链物联网系统内的其他交易事件应在上级节点进行，这样使边缘计算网关的部署变得更容易。区块链的记账服务只在上级记账节点进行，使区块链网络的共识速度更快。

5、使区块链网络能追溯物联网数据直至边缘计算网关上，且无需为区块链物联网更换已有物联网设备。

本发明实施例还提供了一种数据处理装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.面向区块链物联网系统的边缘计算网关，其特征在于：包括应用层、系统层和硬件层；

所述硬件层包括微处理器和硬件设备；

2.根据权利要求1所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关，其特征在于：

所述硬件设备包括存储单元、电源模块、GPS定位模块、通信模块和接口；

3.根据权利要求2所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关，其特征在于：所述通信模块包括蓝牙模块、Wi-Fi模块、2/3/4/5G模块、ZigBee模块、NB-IoT模块、Lora模块和以太网模块中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关，其特征在于：所述系统层还设有系统初始化程序、文件系统程序、内存管理程序、进程调度程序、网络应用程序、接口函数的程序以及存放应用数据的嵌入式数据库。

5.面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过连接物联网设备，构建交易提案；

通过交易信息追溯边缘计算网关的行为记录。

6.根据权利要求5所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：所述根据随机密钥在区块链物联网系统上进行注册，生成边缘计算网关的数字证书这一步骤，包括以下步骤：

通过密钥生成程序生成一对公钥和私钥；

7.根据权利要求6所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：所述证书机构判断接收到的注册信息是否满足预设要求这一步骤，包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：所述通过连接物联网设备，构建交易提案这一步骤，包括以下步骤：

将边缘计算网关与物联网设备连接；

对每个物联网设备的上传数据进行设备标记；

通过通信模块或本地时间确定上传数据的时间戳；

通过密钥生成程序和加密程序获取上传数据的加密信息；

9.根据权利要求5所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：所述通过区块链的共识机制将交易信息记录在区块链物联网系统中这一步骤，包括以下步骤：

将交易提案发送到区块链物联网系统中的各个记录节点；

将验证通过的交易信息记录在区块链物联网系统中。

10.根据权利要求5所述的面向区块链物联网系统的边缘计算网关的实现方法，其特征在于：还包括以下步骤：

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的时间；

通过边缘计算网关控制物联网设备的数据上传的数据量；

通过边缘计算网关对物联网设备上传的数据进行预处理。