CN110941850A - 基于跨链技术的物联网数据共享方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跨链技术的物联网数据共享方法及系统，所述方法包括：设定不同组的物联网设备共享各自组的子区块链；多个子区块链根据设定的智能合约，进行数据交易。本发明根据应用场景的不同，设定多个物联网设备共用同一个子区块链，多链设计从一定程度上缓解了链上存储量逐渐增大带来的问题，存储空间更大，而且多个子区块链之间通过设定的智能合约进行数据的交互，在保护物联网数据安全性的基础上极大的保护数据的隐私性。

Description

基于跨链技术的物联网数据共享方法及系统

技术领域

本发明涉及移动区块链、跨链和物联网技术领域，具体地说，是一种基于跨链技术的物联网数据共享方法及系统。

背景技术

物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

物联网中台是从全局考虑，集成各类物联网设备数据，是物联网数据共享的平台。物联网中台的建立可以打破物联网设备各自为战、通用性系统无法满足个性化需求的困境，提高各系统的各业务线的复用性。之前物联网中台底层为中心化服务器，中心化服务器有如下的问题：

(1)安全性：若作恶者攻破中心化服务器可以随意篡改其中数据；

(2)宕机问题：中心化服务器宕机对系统造成的损失严重；

(3)隐私问题：任何登陆中心化服务器的用户都可以随意查看其中的数据；

因此，去中心化的数据共享是目前用到的一种方式，基于区块链的物联网信息安全保护方法，先将接收到的物联网数据信息进行数据切分，然后对切分后的数据建立数据块的索引，然后将数据存储在IPFS系统返回的哈希值进行加密，将加密后的密文存储在区块链上，间接实现了数据的隐私保护，但是此解决方法仅把hash密文存储在区块链上，导致区块链存储数据的扩展性较差，无法存储更多类型的数据。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于跨链技术的物联网数据共享方法，以解决现有的基于区块链的物联网信息安全保护方法扩展性差、存储空间有限的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于跨链技术的物联网数据共享方法，所述方法包括：

设定不同组的物联网设备共享各自组的子区块链；

多个子区块链根据设定的智能合约，进行数据交易。

进一步地，物联网设备共享的设定方式包括：

根据区域划分，将某区域内的物联网设备设定为共享同一个子区块链；或者，

根据设备功能属性划分，将设备功能属性相同或相近似的设定为共享同一个子区块链。

进一步地，多个子区块链之间数据交易的步骤包括：

编写用于双方进行数据操作的智能合约；

打开任意两个子区块链之间的跨链通道，并锁定两个子区块链的状态，利用开启的通道进行数据交易；

数据交易操作结束且达到跨链通道关闭时间阈值后，关闭跨链通道并触发智能合约，将子区块链的状态进行更新。

进一步地，编写的智能合约包括：数据共享双方进行的交易操作类型、跨链通道的打开和关闭规则、跨链通道关闭的时间阈值，其中，所述交易操作类型包括查询对方信息的数据操作、在对方子区块链上添加数据的数据操作。

进一步地，两个子区块链之间的跨链通道的打开通过向对方发送一条双方签名认可的打开通道报文来实现，其中，打开通道报文中的关键信息包括：双方公钥、双方协商好的操作类型、双方签名、通道关闭时间阈值。

进一步地，在跨链通道中，双方通过传递更新报文实现数据交易，其中，更新报文格式包括：序列号、数据操作类型、等待时间、双方签名、通道关闭时间，在等待时间内，合约将按照最后提交的更新报文内容在区块链上完成相关的数据操作并关闭通道。

进一步地，在数据交易过程中，还可以设置智能条件，所述智能条件以智能合约中可在区块链上执行的函数形式体现，函数中规定满足设置的智能条件之后，一方子区块链可以对另一方子区块链操作。

进一步地，各组物联网设备所采集的物联网数据经过预处理之后传递到各组的子区块链上，其中，所述预处理将采集后的数据进行完整和统一，其包括如下方式中的一种或多种：数据清理、数据集成、数据变换、数据归约。

基于本发明的另一方面，还提供了一种基于跨链技术的物联网数据共享系统，所述系统包括：

以组划分的多个物联网设备，每组的物联网设备的物联网数据上传至对应组的子区块链上；

多个子区块链，多个子区块链之间设定有智能合约，并在智能合约生效时通过之间的跨链通道进行数据交易。

进一步地，所述系统还包括数据采集模块和数据预处理模块，其中，

所述数据采集模块，用于从物联网设备获取物联网数据；

所述数据预处理模块，用于对采集后的物联网数据进行清洗，实现数据的完整和统一，然后再上传至各组的子区块链上。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于跨链技术的物联网数据共享方法，根据不同应用场景，多个物联网设备共用某一个子区块链，如此根据区域或者设备类型，存在多个子区块链，多链设计从一定程度上缓解了链上存储量逐渐增大带来的问题，存储空间更大，而且多个子区块链之间通过设定的智能合约进行数据的交互，在保护物联网数据安全性的基础上极大的保护数据的隐私性。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于跨链技术的物联网数据共享方法的流程图。

图2为本发明实施例中的基于跨链技术的物联网数据共享系统的架构图。

图3为本发明实施例中的子区块链间的交互示意图。

图4为本发明实施例中的跨链交易的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参照图1～图3所示，本发明实施例公开了一种基于跨链技术的物联网数据共享方法，该方法包括：

步骤S1、物联网数据的收集。

在上述步骤中，利用传感器或监测器等检测设备从物联网消费者设备端收集数据，如安全系统(监控摄像头)、智能电器(如智能电视、智能空调、智能开关)和可穿戴健康装置。数据也可以从商业设备中收集，包括商业安全系统、交通监控设备和天气跟踪系统等。物联网设备收集数据的类型包括自动化数据、状态数据和位置数据。物联网数据的收集有多种方法，例如离线采集法、实时采集法、互联网采集法等。

步骤S2、物联网数据的预处理。

在上述步骤中，数据预处理过程就是对数据进行清洗，把脏的、不完整的和不一致的数据进行统一的过程。主要有以下四种方法：

1)数据清理：数据清理例程通过填写缺失的值、光滑噪声数据、识别或删除离群点并解决不一致性来“清理”数据。

2)数据集成：数据集成例程将多个数据源中的数据结合起来并统一存储，建立数据仓库的过程实际上就是数据集成。

3)数据变换：通过平滑聚集，数据概化，规范化等方式将数据转换成适用于数据挖掘的形式。

4)数据归约：数据挖掘时往往数据量非常大，在少量数据上进行挖掘分析需要很长的时间，数据归约技术可以用来得到数据集的归约表示。

经过预处理后的物联网数据，变得数据格式一致，且完整统一，具备上链的基础。

步骤S3、将处理好的物联网数据添加到各自对应的子区块链中。

在上述步骤中，把经过预处理的物联网数据进行上链操作，每组物联网设备有自己的区块链(子区块链)。如图2所示，空调1，2，3共享子区块链A；摄像头1，2，3共享子区块链B；电视机1，2，3共享子区块链C，各组的物联网设备数据上传到对应组的子区块链上。本方案不仅针对相同设备共用一个子区块链，当然也可以根据区域进行划分，或者部分采用同种类属性的设备，另一部分以区域划分，某一区域内设备共用一个子区块链，具体哪些设备共用哪一个子区块链可以根据具体的业务场景进行选择，图2仅为以功能属性进行划分的一个示例，在此不作任何限定。通过设置不同组别的子区块链，可使得不同的数据类型存储于不同的子区块链中，此外，子区块链根据业务场景划分可以设置有多个，多个之间组成一个区块链网络，本发明实施例的多链架构可以从一定程度上缓解链上存储量逐渐增大的问题。

步骤S4、根据各子区块链编写的智能合约，进行数据交易。

在本步骤中，子区块链A、B、C之间可以根据具体的业务场景实现数据的互通。下面以子区块链A和B为例，来说明本发明的交易过程。

参照图3、图4所示，假设有A和B两个子区块链，首先子区块链A与B之间根据特定的规则编写多重签名的智能合约，此智能合约运行在子区块链A和B上，实现的功能如下：打开子区块链A与B之间的跨链通道，锁定子区块链A与B状态，设置通道关闭条件，设置通道关闭时间阈值；子区块链A与B可以在任意时候打开跨链通道并锁定双方的状态；子区块链A与B利用跨链通道进行数据的查询、添加等操作；等到子区块链A与B数据操作结束且到达跨链通道关闭时间阈值后，任意一方可以关闭跨链通道并触发智能合约把子区块链A与B状态进行更新，更新后的状态通过P2P网络在该子区块链上广播，之后验证状态改变交易，交易写入区块链中。其中，可以设定只有需要交易的子区块链之间存在智能合约，有些无需进行数据交易的子区块链之间可以不设置跨链通道或者不约定智能合约。

跨链交易的具体流程如下：

第一步，编写多重签名的智能合约：编写用于双方进行数据操作的多重签名合约——数据操作合约。数据操作合约运行在子区块链A和B中，数据操作合约中规定了双方可以进行的数据操作(例如查询对方数据操作、在对方链上增加数据操作等)、跨链通道打开和关闭规则、跨链通道关闭的时间阈值。

第二步，双方打开跨链通道：拟进行数据交易的双方需要在子区块链之间开设跨链通道并协商好需要进行的操作。这步动作可通过向数据操作合约发送一条双方签名认可的打开通道报文来实现，打开通道报文格式如下表1所示。打开通道报文中的关键信息包括：双方公钥、双方协商好的操作类型、双方签名、通道关闭时间阈值。

表1

字段名	功能
		A的公钥	识别A为这个通道的参与者
B的公钥	识别B为这个通道的参与者
		A将要进行的操作	A可以在B的子区块链上进行的操作类型
B将要进行的操作	B可以在A的子区块链上进行的操作类型
		A的签名	A对这个报文进行签名，用来确定A同意这个合约
B的签名	B对这个报文进行签名，用来确定B同意这个合约
		通道关闭时间阈值	表明仅达到时间阈值之后，双方才可关闭通道

第三步，在状态通道中进行交易：打开跨链通道后，任何数据操作都可以发生在区块链外，参与双方只需要私下传递一系列更新报文即可。更新报文格式如下表2所示：

表2

上表中，序列号和等待时间字段用来识别作废的更新报文，到达数据操作合约规定的时间阈值，A如果向区块链上数据操作合约提交一个双方签名的更新报文，合约将等待“等待时间”字段规定的时间，这期间如果B能够提交一个序列号更高的更新报文，数据操作合约将无视A的请求。如果直至等待超时，B也没有异议，合约将按照最后提交的更新报文内容在区块链上完成相关的数据操作并关闭通道。

通道关闭剩余时间表明还需要多长时间可以关闭跨链通道，若此字段值为0则表明任意一方可以在任意时间关闭此跨链通道。

第四步，有条件操作：在通道打开后，双方数据的交易设置一个智能条件，满足该智能条件方验证通过可进行交易，智能条件具体表现为一个可在区块链上执行的函数Function(argument)，也就是以智能合约中函数的形式。函数中可以规定满足设定的T条件之后A可以对B进行的操作。智能条件可接受任何格式的报文为参数，也可以根据某类预言机提供的参数报文完成合约的自动执行。

第五步，关闭跨链通道及触发智能合约记录账本：当满足预先设定的时间阈值后，双方任意一方可以向数据操作合约提交更新报文，根据序列号和等待时间进行关闭通道操作。当发生争议时，质疑方只需向区块链上数据操作合约出示最新版本的更新报文，数据操作合约无视欺诈方的请求；如果没有争议，数据操作合约在区块链上完成数据操作并关闭通道。当操作失败时，则返回操作失败的原因。只要在设定的时间内且通道未关闭，跨链双方可以一直进行数据交易。

跨链通道建立且满足预先设定的时间阈值后，双方随时可以选择单方面终止通道并进行相关操作，为了最大限度提高通道利用率，减少频繁关闭通道所带来的开销，因此设置了发起方将会受到延迟操作的惩罚措施。

与现有技术相比，本方案有更多的灵活性，可以保持每个子链的独立性，也可以根据本文所述的跨链机制进行子链间的数据操作，极大的便利了物联网数据的共享。

与上述实施例中的方法相对应地，本发明还提供了一种基于跨链技术的物联网数据共享系统，该系统包括：

以组划分的多个物联网设备，每组的物联网设备的物联网数据上传至对应组的子区块链上；其中，划分方式可以以区域为依据，比如将某一地区划分为6个子区块链区域，每个子区域内的全部物联网设备均接入该子区块链，或者以设备属性为依据，功能相同或者近似的作为一类，比如将某一整体区域的全部摄像及视频监控装置设定为接入第一子区块链，该整体区域内的全部智能空调系统接入第二子区块链，以此类推，多个子区块链构成该整体区域的一个区块链网络；

多个子区块链，多个子区块链之间设定有签名的智能合约，并在智能合约生效时通过之间的跨链通道进行数据交易。

所述系统还包括数据采集模块和数据预处理模块，其中，

数据采集模块，用于从物联网设备端获取物联网数据；

数据预处理模块，用于对采集后的物联网数据进行清洗，实现数据的完整和统一后，然后再上传至各组的子区块链上。

首先，由各种物联网设备从各处收集物联网数据，每组物联网设备都有自己的区块链(子区块链)，保持物联网设备的独立性；然后根据应用场景的需求把物联网数据进行预处理，处理后的数据传到各个子区块链中，对每个子区块链进行解耦操作，保证物联网设备数据的独立性，同时子区块链之间可以根据需求进行数据交互操作。由于采用了跨链通信技术，可以在区块链上存储更多类型的数据，在保护数据隐私性的基础上实现物联网数据的共享。

本发明实施例中的系统用以执行本发明实施例的上述方法，未详尽之处，请参照方法实施例所述，在此不再赘述。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于跨链技术的物联网数据共享方法，其特征在于，所述方法包括：

设定不同组的物联网设备共享各自组的子区块链；

多个子区块链根据设定的智能合约，进行数据交易。

2.如权利要求1所述的物联网数据共享方法，其特征在于，物联网设备共享的设定方式包括：

根据区域划分，将某区域内的物联网设备设定为共享同一个子区块链；或者，

根据设备功能属性划分，将设备功能属性相同或相近似的设定为共享同一个子区块链。

3.如权利要求1所述的物联网数据共享方法，其特征在于，多个子区块链之间数据交易的步骤包括：

编写用于双方进行数据操作的智能合约；

打开任意两个子区块链之间的跨链通道，并锁定两个子区块链的状态，利用开启的通道进行数据交易；

交易操作结束且达到跨链通道关闭时间阈值后，关闭跨链通道并触发智能合约，将子区块链的状态进行更新。

4.如权利要求3所述的物联网数据共享方法，其特征在于，编写的智能合约包括：数据共享双方进行的交易操作类型、跨链通道的打开和关闭规则、跨链通道关闭的时间阈值，其中，所述交易操作类型包括查询对方信息的数据操作、在对方子区块链上添加数据的数据操作。

5.如权利要求3所述的物联网数据共享方法，其特征在于，两个子区块链之间的跨链通道的打开通过向对方发送一条双方签名认可的打开通道报文来实现，其中，打开通道报文中的关键信息包括：双方公钥、双方协商好的操作类型、双方签名、通道关闭时间阈值。

6.如权利要求4所述的物联网数据共享方法，其特征在于，在跨链通道中，双方通过传递更新报文实现数据交易，其中，更新报文格式包括：序列号、数据操作类型、等待时间、双方签名、通道关闭时间，在等待时间内，合约将按照最后提交的更新报文内容在区块链上完成相关的数据操作并关闭通道。

7.如权利要求6所述的物联网数据共享方法，其特征在于，在数据交易过程中，还设置有智能条件，所述智能条件以智能合约中可在区块链上执行的函数形式体现，函数中规定满足设置的智能条件之后，一方子区块链可以对另一方子区块链进行交易操作。

8.如权利要求1所述的物联网数据共享方法，其特征在于，各组物联网设备所采集的物联网数据经过预处理之后传递到各组的子区块链上，其中，所述预处理将采集后的数据进行完整和统一，其包括如下方式中的一种或多种：数据清理、数据集成、数据变换、数据归约。

9.一种基于跨链技术的物联网数据共享系统，其特征在于，所述系统包括：

以组划分的多个物联网设备，每组的物联网设备的物联网数据上传至对应组的子区块链上；

多个子区块链，多个子区块链之间设定有智能合约，并在智能合约生效时通过之间的跨链通道进行数据交易。

10.如权利要求9所述的物联网数据共享系统，其特征在于，所述系统还包括数据采集模块和数据预处理模块，其中，

所述数据采集模块，用于从物联网设备获取物联网数据；

所述数据预处理模块，用于对采集后的物联网数据进行清洗，实现数据的完整和统一，然后再上传至各组的子区块链上。

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