CN110602252B - 一种区块链增强的开放物联网接入架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种区块链增强的开放物联网（Internet of Things，简称IoT）接入架构，包括无线通信接入点、IoT设备、哈希接入机制、区块链矿工网络、管理IoT设备网络接入的区块链使能机制。本发明提出的区块链增强的开放IoT接入架构利用区块链分布式存储、不可篡改、可追溯等特性，为IoT网络中的多方设备提供了一个安全可靠、公平公正的短数据包接入服务平台，能够在无信任的大规模IoT网络中，促进设备之间的合作，保证网络的安全与效率。本发明所述的区块链增强的开放IoT接入架构不仅安全可靠，并且设备接入时延较低，具有很高的实际应用价值。

Description

一种区块链增强的开放物联网接入架构
技术领域
本发明涉及物联网无线通信技术领域，尤其是一种区块链增强的开放物联网接入架构。
背景技术
自2008年比特币（Bitcoin）这一加密货币出现以来，其背后的支撑技术：区块链，正式出现于公众面前。基于比特币的电子现金交易打破了原有法定货币作为唯一交易代币的模式，创造出了一种去中心化的全新交易机制，通过密码学原理与分布式共识机制将交易固化于首尾相接的区块并存储在网络的各个节点中，其具备的去中心化、安全性、不可篡改性等特点带来了巨大价值。近十年的发展中，区块链技术经历过数阶段，从完全服务于数字货币的1.0时代和以智能合约为代表的2.0时代，进入了以跨领域综合应用为代表的区块链3.0时代。
进入跨领域应用与融合的区块链3.0时代的同时，物联网（Internet of Things，简称IoT）也作为近年来飞速发展的前沿技术，激起了产业界和研究者们巨大的研究兴趣。其中IoT的接入网络架构，作为IoT研究的核心领域之一，与区块链技术的结合具备良好的应用前景。2018年世界移动通信大会上，美国联邦通信委员会也展望了区块链技术与未来无线通信网络技术的有机融合。
随着IoT技术的迅猛发展，IoT规模将不断扩大，IoT设备的数量将呈指数级增长，在实践中，IoT网络通常会包含大量来自不同运营商或制造商的设备，这意味着在所述环境下，设备之间无法实现高度信任并相互合作，现有基于主导运营商或制造商与可信设备的IoT结构所带来的限制愈发显著。一类新的多运营商无信任协作IoT接入架构，将能够有效地突破包括资源共享、激励机制、网络安全在内的诸多传统IoT接入架构瓶颈。本发明提出的区块链增强的开放IoT接入架构可充分利用区块链分布式存储、不可篡改、可追溯等特点，结合新近提出的哈希接入机制，提供一种可行、高效的IoT接入架构升级方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种区块链增强的开放物联网接入架构，架构中接入点和IoT设备可以在无信任的环境下进行安全可靠的短数据包接入服务，能够有效地克服传统IoT接入架构的缺点，解决分布式IoT接入中的多方信任问题，促进网络中的多方合作，提升整体效率。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种区块链增强的开放物联网接入架构，包括无线通信接入点、IoT设备、区块链矿工网络以及核心网；所述的无线通信接入点向IoT设备提供短数据包接入服务，服务过程受管理IoT设备网络接入的区块链使能机制控制。
作为本发明的一种改进，所述的区块链使能机制控制控制步骤如下：
1）在进入IoT网络之前，IoT设备需要将一定数量的存款存入其自身的区块链在线账户，注册信息作为公共账本记录在区块链中；
2）服务开始前，IoT设备和接入点就服务达成一致，IoT设备随即填写并签署一份包含此次接入服务细节的电子智能合约，随后IoT设备将所述智能合约、待传短数据包以及数据包的哈希值一起发送至无线通信接入点，请求无线通信接入点提供相应的短数据包接入服务；
3）无线通信接入点接收到来自IoT设备的短数据包和智能合约之后，检查并验证智能合约的内容、签名与IoT设备的存款，验证成功后，接入点将智能合约以及短数据包的哈希值上传至矿工网络，同时直接将IoT设备发来的短数据包上传至核心网；
4）矿工网络在对所述的IoT设备发送的包含接入请求的智能合约检查验证后，将其记录在区块链中，在得到一定数量后续区块的确认后，智能合约中规定的服务费用将自动从IoT设备账户转移到接入点账户中，若智能合约未能成功在区块链中得到确认，接入点将出于自身利益再次上传该智能合约至矿工网络，直至智能合约在区块链中得到确认，即确保此次服务完成，IoT设备向接入点支付服务费用成功。
作为本发明的一种改进，所述的步骤2中的接入服务细节包括此次接入服务费用、相关的接入控制信息、IoT设备与接入点的数字化电子签名。
作为本发明的一种改进，数据包的哈希值，是IoT设备利用哈希函数，将待传短数据包作为输入，计算所得的固定长度字串。哈希函数具有不可逆、碰撞约束和易于验证的特性，将数据包的哈希值存入区块链，能够确保接入点上传的数据安全，若接入点出错，上传了错误的信息至核心网，IoT设备将有迹可循，可依据追溯信息对接入点发起申诉。
作为本发明的一种改进，接入点接收到接入请求后，对IoT设备传来的智能合约内容进行核查，并核实发起本次接入请求的IoT设备的余额，一旦验证成功，接入点直接为IoT设备提供短数据包接入服务，即将短数据包转发至核心网，而无需等待智能合约在区块链中得到确认。在IoT设备成功支付服务费前提供接入服务可大幅降低短数据包接入服务的延迟，尤为适用IoT接入场景下的业务需求。
作为本发明的一种改进，所述的步骤（3）中核实IoT设备的存款具体为：核实该IoT设备的存款是否大于本次服务费用，若其存款不足以支付本次服务的费用，接入点忽略该IoT设备的接入请求。
作为本发明的一种改进，跨网络融合的开放物联网，具体指多家运营商或制造商所负责运营的物联网利用所述的区块链增强的开放物联网接入架构，连接成一个整体。各家物联网所组成的大型物联网允许所有设备公平接入，无需要求接入过程匹配特定运营商或制造商的接入点设备，通过区块链保障接入过程的公开透明与接入费用分配。
将哈希接入与区块链架构相结合。哈希接入强制所有IoT设备计算相关数据的哈希值，公平地竞争信道资源的使用权，将其与区块链架构相结合的优势在于，若接入点不诚实地上传IoT设备的数据包，或者单纯地上传出错，IoT设备可依据上传至核心网的数据哈希值与区块链链上哈希值的差异事实，发起申诉。另外，由于IoT设备服务费预存于链上，接入点服务完成后无需考虑IoT设备拖欠费用的情况，智能合约将自动保障服务费从IoT设备账户向接入点账户的转移。当智能合约上链失败时，包含IoT设备签名的智能合约可由接入点反复尝试上传至区块链，直至确认成功以保障接入点的利益。
有益效果：
本发明所述的区块链增强的开放IoT接入架构，有效地利用区块链分布式存储、不可篡改、可追溯等特点，解决了传统IoT网络接入结构中的信任问题，适用于包含多运营商或制造商的无信任IoT场景，网络中的IoT设备与无线通信接入点可以在无信任的环境下，进行公平的接入服务交易。本发明利用区块链的特性，保证了IoT网络中设备之间交易的安全可靠，公平公正，促进网络中多方设备的高度合作，提高资源利用率，十分有益于大规模IoT场景的部署。同时，本发明中的支付前服务机制可以大幅减小IoT设备的接入延迟，适用于低延迟短数据包的IoT场景，具有很强的实际部署与应用价值。
附图说明
图1为区块链增强的开放IoT接入架构。
图2为在1台能够提供接入服务的无线通信接入点、3台IoT设备且确认区块数为2的条件下，区块链增强的开放IoT架构的工作流程示意图。
图3为在一个有两个独立运营商的IoT网络中，区块链增强的开放IoT接入架构与传统Aloha方式的接入架构分别在平衡的网络负载流量和不平衡的网络负载流量下，吞吐量性能的对比。
图4为在一个有两个独立运营商的IoT网络中，区块链增强的开放IoT接入架构与传统Aloha方式的接入架构分别在平衡的网络负载流量和不平衡的网络负载流量下，延迟时间的对比。
图5为在一个有两个独立运营商的IoT网络中，区块链增强的开放IoT接入架构与传统Aloha方式的接入架构分别在平衡的网络负载流量和不平衡的网络负载流量下，成功接入概率的对比。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实例并配合附图说明如下。
参考图1所示，区块链增强的开放物联网接入架构包括：无线通信接入点，IoT设备、管理区块链的矿工组成的矿工网络以及核心网。所述的无线通信接入点能够和IoT设备之间进行公平公开的接入服务交易，向IoT设备收取一定的服务费用，并为IoT设备提供相应的接入服务。IoT设备在进入IoT网络之前，将一定数量的存款存入区块链在线账户，注册信息作为公共账本记录在区块链中。IoT设备与接入点在交易前通过无线信道就服务内容及细节进行沟通并达成一致，IoT设备在需要进行接入时，填写并签署一份包含相应接入服务细节的电子智能合约，并将所述智能合约、待传短数据包以及数据包的哈希值一起发送给接入点，接入点在核实验证后，将智能合约以及短数据包的哈希值上传至矿工网络，同时，直接将IoT设备发来的短数据包上传至核心网。在智能合约通过矿工网络的验证上链并得到一定数量的后续确认区块后，智能合约中规定的服务费用将自动从IoT设备账户转移到接入点账户中。
参考图2所示，根据本发明的一种典型实施例，给定区块链增强的开放IoT架构的具体参数如下：1个能够提供接入服务的无线通信接入点，3台IoT设备（编号为设备1、设备2和设备3）。
如图2所示，仅展示所述的本发明典型实施例中三次按序发生的IoT设备接入服务，对应的申请接入服务的智能合约被分别标记为智能合约1、智能合约2和智能合约3。
本发明的典型实施流程如下：
1）在进入IoT网络之前，3台IoT设备将一定数量的存款存入区块链账户作为注册过程，3台设备的存款分别为150、180、10，注册信息将作为公共账本记录在区块链中；
2）服务开始前，IoT设备和接入点就服务达成一致。在第2时隙，设备1填写并签署一份包含本次接入服务细节的电子智能合约1，服务费用为12。随后设备1将所述智能合约1、待传短数据包以及待传短数据包的哈希值一起发送给接入点，请求接入点提供相应的接入服务；
3）接入点接收到来自设备1的短数据包和智能合约之后，检查并验证智能合约1的内容与签名，核实设备1的存款是否大于本次服务费用，经过查询，设备1的存款为150，足以支付本次服务的费用12，接入点直接将智能合约1以及短数据包的哈希值上传至矿工网络，同时，直接为IoT设备提供相应的接入服务；
4）智能合约1通过管理区块链的矿工网络，被更新到区块链中。在得到2个后续区块的确认后，智能合约1中规定的服务费用将自动从设备1账户转移到接入点账户中，本次服务结束；
5）在第7时隙，设备2按照类似步骤1至步骤4的流程发起智能合约2，申请接入服务，但智能合约2在更新到区块链后，没有被主链接受，没能得到成功的确认，于是接入点为保证自己的利益，继续将智能合约2上传至矿工网络，同样在得到2个后续区块的确认后，智能合约2中规定的服务费用将自动从设备2账户转移到接入点账户中，本次服务结束；
6）在第10时隙，设备3发起智能合约3，申请接入服务，但经过接入点查询，设备3余额并不足以支付本次接入服务的费用，接入点便忽略此次接入申请。
参考图3至图5，在一个有两个独立运营商的IoT网络中，对所述区块链增强的开放IoT接入架构进行了平衡网络负载流量和不平衡网络负载流量下的仿真，对吞吐量、接入延迟和成功接入概率三项性能进行了分析，并与传统Aloha方式的接入架构做了对比，结果如下。
图3反映了整个IoT网络中，在两个独立运营商的接入点所承受业务流量均衡的情况下，本发明所述的区块链增强的开放IoT接入架构与传统的Aloha方式的接入架构拥有相同的吞吐量。然而，当IoT网络中接入点的负载流量不平衡时，本发明所述的接入架构可以利用所述的跨IoT网络融合，使得属于不同运营商的接入点与IoT设备之间可以进行安全可靠的短数据包接入服务交易，从而最优化资源利用率，吞吐量保持与平衡流量情况下相同，而在传统的接入架构，由于设备之间不信任，无法进行跨网络的合作，致使资源分配不合理，最终导致吞吐量下降。
图4和图5分别反映了在上述情况下，接入延迟和成功接入概率两项性能在本发明所述架构与传统架构之间的对比。与图3情况类似，本发明所述的区块链增强的开放IoT接入架构在网络负载流量平衡时，性能与传统架构相当，但是当IoT网络中接入点的负载流量不平衡时，本发明所述的接入架构可以利用所述的跨IoT网络融合，优化资源分配，确保网络性能，而传统接入架构的性能则有较为明显下降。
虽然本发明已以较优实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：包括无线通信接入点、IoT设备、区块链矿工网络以及核心网；所述的无线通信接入点向IoT设备提供短数据包接入服务，服务过程受管理IoT设备网络接入的区块链使能机制控制；
所述的区块链使能机制控制的控制步骤如下：
1）在进入IoT网络之前，IoT设备需要将一定数量的存款存入其自身的区块链在线账户，注册信息作为公共账本记录在区块链中；
2）服务开始前，IoT设备和接入点就服务达成一致，IoT设备随即填写并签署一份包含此次接入服务细节的电子智能合约，随后IoT设备将所述智能合约、待传短数据包以及数据包的哈希值一起发送至无线通信接入点，请求无线通信接入点提供相应的短数据包接入服务；
3）无线通信接入点接收到来自IoT设备的短数据包和智能合约之后，检查并验证智能合约的内容、签名与IoT设备的存款，验证成功后，接入点将智能合约以及短数据包的哈希值上传至矿工网络，同时直接将IoT设备发来的短数据包上传至核心网；
4）矿工网络在对所述的IoT设备发送的包含接入请求的智能合约检查验证后，将其记录在区块链中，在得到一定数量后续区块的确认后，智能合约中规定的服务费用将自动从IoT设备账户转移到接入点账户中，若智能合约未能成功在区块链中得到确认，接入点将出于自身利益再次上传该智能合约至矿工网络，直至智能合约在区块链中得到确认，即确保此次服务完成，IoT设备向接入点支付服务费用成功。
2.根据权利要求1所述的区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：所述的步骤2中的接入服务细节包括此次接入服务费用、相关的接入控制信息、IoT设备与接入点的数字化电子签名。
3.根据权利要求1所述的区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：步骤2中的待传短数据包的哈希值是IoT设备利用哈希函数，将待传短数据包作为输入，计算所得的一段固定长度字串，所述字串无法伪造且不可篡改。
4.根据权利要求1所述的区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：所述的步骤3中接入点接收到接入请求后，对相关智能合约内容进行检查验证，并核实发起本次接入请求的IoT设备的余额，一旦验证成功，接入点直接为IoT设备提供服务，将其短数据包上传至核心网，无需等待智能合约在区块链中得到确认，即在IoT设备进行支付前，提供接入服务。
5.根据权利要求1所述的区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：所述的步骤3中检查并验证智能合约的内容、签名与IoT设备的存款具体为：核实该IoT设备的存款是否大于本次服务费用，若其存款不足以支付本次服务的费用，接入点忽略该IoT设备的接入请求。
6.根据权利要求1所述的区块链增强的开放物联网接入架构，其特征在于：多家运营商或制造商所负责运营的物联网利用所述的区块链增强的开放物联网接入架构，连接成一个整体,各家物联网所组成的大型物联网允许所有设备公平接入，无需要求接入过程匹配特定运营商或制造商的接入点设备，通过区块链保障接入过程的公开透明与接入费用分配。
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