CN111865469B - 一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法和系统，包括：记录数据：簇内节点自身时间、簇头节点广播时间；采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型；根据簇节点时钟模型，预测簇节点时间；在簇节点同步前计算簇头节点广播时间与簇头节点预测时间的偏差，当偏差小于阈值时，簇节点正常进行时间同步，否则簇节点通过广播方式发起共识请求；当簇内节点收到共识请求广播包后，组成一个区块链；并通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识的共识机制共享所有簇节点的时间同步信息。基于区块链共识机制的容错时间同步方法可以容忍f个簇头节点发生故障或被攻击，有效提高了工业物联网时间同步协议在复杂环境下可靠性与安全性。

Description

一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法和系统

技术领域

本发明涉及物联网网络安全技术领域，更具体的涉及一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法和系统。

背景技术

工业物联网应用对实时性和低功耗有着苛刻要求，载波监听多路访问CSMA协议无法满足这方面性能要求。目前，大部分工业物联网中通信协议是基于时分多址TDMA协议，比如WirelessHART、ISA100.11a与IEEE802.15.4e等工业无线国际标准。高精度时间同步是基于时分多址TDMA协议中核心支撑技术。工业物联网通常由几千甚至上万个资源受限的无线传感器节点组成，然后将数据流汇聚到边界路由器，边界路由器通过IPv6网络与远程服务器进行互联互通。由于工业物联网包含节点比较多，通常会划分为多个簇。每个簇里面通常有几十个甚至上百个节点，这些节点需要保持精确的时间同步，从而可以更好地相互协作完成任务。比如，当某个时间段无数据包传输时，簇内所有节点同时进入休眠状态，从而可以延长网络寿命；在目标追踪应用中，需要依赖精确时间信息计算物体位置和速度。为了高效地进行同步，簇头节点周期性广播时间同步包，簇内其它节点接收来自簇头广播时间后进行时间同步。然而这种方法存在以下缺陷：

工业物联网簇头节点有时候会发生故障，导致广播错误时间同步信息；工业物联网簇内可能存在部分恶意节点，当恶意节点当选簇头时，其通过广播错误时间信息破坏正常时间同步。

发明内容

本发明实施例提供一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法和系统，用以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明实施例提供一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，包括：

获取工业物联网的簇节点；所述簇节点包括：簇头节点和簇内节点；

簇头节点周期性广播时间同步包；簇内节点接收簇头节点广播时间同步包，并记录数据：簇内节点自身时间、簇头节点广播时间；

采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型；

根据簇节点时钟模型，预测簇节点时间；并在簇节点同步前计算簇头节点广播时间与簇头节点预测时间的偏差，当偏差小于阈值时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇节点通过广播方式发起共识请求；

当簇内节点收到共识请求广播包后，组成一个区块链；并通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段的共识机制来共享所有簇节点的时间同步信息。

进一步地，所述采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型，具体包括：

所述簇节点时钟模型，满足线性函数：

C(t)＝αt+β

其中，α表示簇节点时间与真实时间之间的偏差率，β表示起始时间偏差；且采用基于密度的聚类算法剔除记录数据中异常数据，采用最小二乘法计算出簇节点时间与真实时间之间的偏差率α和起始时间偏差β。

进一步地，所述阈值的确定，包括：

参考晶振手册中实际测量最大时钟偏移率，结合同步周期，确定阈值。

进一步地，所述通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段的共识机制来共享所有簇节点的时间同步信息，具体包括：

当共识结果同意簇头节点广播时间正确时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇内其它节点接收发起簇内节点的广播请求包，解析出时间信息后进行对比分析，根据时钟模型判断出时间信息是否异常，若判断异常，将广播带有身份签名的自身时间信息与异常指示位；共识请求发起簇节点接收簇内其它节点广播时间信息后进行信息提取，包括：簇内节点身份标识和异常指示位信息，当簇内节点数为3f+1时，存在2f+1节点发送了异常指示位时，则共识结果认为簇头节点有可能发生故障或被攻击，同时公布簇内所有簇节点身份标识、异常指示位信息和共识结果，否则，正常进行时间同步；簇内其它节点验证公布信息的真伪，并达成最终共识。

本发明实施例提供的基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，还包括：

当簇内节点共识结果认为当前簇头节点有可能发生故障或被攻击时，簇内节点将簇头节点身份标识放入黑名单，并过滤来自簇头节点广播时间包。

本发明实施例还提供一种基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，包括：

簇节点获取模块，用于获取工业物联网的簇节点；所述簇节点包括：簇头节点和簇内节点；

时间同步信息收集模块，用于簇头节点周期性广播时间同步包；簇内节点接收簇头节点广播时间同步包，并记录数据：簇内节点自身时间、簇头节点广播时间；

时钟模型构建模块，用于采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型；

时间同步异常分析模块，用于根据簇节点时钟模型，预测簇节点时间；并在簇节点同步前计算簇头节点广播时间与簇头节点预测时间的偏差，当偏差小于阈值时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇节点通过广播方式发起共识请求；

时间同步信息共享模块，用于当簇内节点收到共识请求广播包后，组成一个区块链；并通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段的共识机制来共享所有簇节点的时间同步信息。

进一步地，所述时钟模型构建模块，具体用于：

所述簇节点时钟模型，满足线性函数：

C(t)＝αt+β

其中，α表示簇节点时间与真实时间之间的偏差率，β表示起始时间偏差；且采用基于密度的聚类算法剔除记录数据中异常数据，采用最小二乘法计算出簇节点时间与真实时间之间的偏差率α和起始时间偏差β。

进一步地，所述时间同步异常分析模块包括：阈值确定单元；

所述阈值确定单元，用于参考晶振手册中实际测量最大时钟偏移率，结合同步周期，确定阈值。

进一步地，所述时间同步信息共享模块，具体用于：

当共识结果同意簇头节点广播时间正确时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇内其它节点接收发起簇内节点的广播请求包，解析出时间信息后进行对比分析，根据时钟模型判断出时间信息是否异常，若判断异常，将广播带有身份签名的自身时间信息与异常指示位；共识请求发起簇节点接收簇内其它节点广播时间信息后进行信息提取，包括：簇内节点身份标识和异常指示位信息，当簇内节点数为3f+1时，存在2f+1节点发送了异常指示位时，则共识结果认为簇头节点有可能发生故障或被攻击，同时公布簇内所有簇节点身份标识、异常指示位信息和共识结果，否则，正常进行时间同步；簇内其它节点验证公布信息的真伪，并达成最终共识。

本发明实施例提供的基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，还包括：

过滤模块，用于当簇内节点共识结果认为当前簇头节点有可能发生故障或被攻击时，簇内节点将簇头节点身份标识放入黑名单，并过滤来自簇头节点广播时间包。

本发明实施例提供一种基于区块链共识机制的工业物联网容错时间同步方法和系统，与现有技术相比，其有益效果如下

本发明实施例中，在一个分簇的工业物联网中，簇头节点周期性广播时间同步包，簇内节点接收来自簇头节点广播时间包后进行同步，考虑到工业物联网簇头节点可能会发生故障或被攻击，簇内节点通过基于时钟模型的预测技术检测同步是否异常；当发现同步异常后，簇内节点组成一个区块链，通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段的共识机制来共享所有节点的时间同步信息，从而达到时间一致性。当工业物联网簇内拥有3f+1个节点时，基于区块链共识机制的容错时间同步方法和系统可以容忍f个簇头节点发生故障或被攻击，从而可以有效提高工业物联网时间同步协议在复杂环境下可靠性与安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于区块链共识机制的工业物联网容错时间同步方案实施总体架构示意图；

图2为本发明实施例提供的工业物联网中容错时间同步过程示意图；

图3为本发明实施例提供的工业物联网节点的时钟模型的构建示意图；

图4为本发明实施例提供的容错时间同步过程中区块链共识机制运行过程示意图。

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。

高精度时间同步是当前工业物联网中一项核心支撑服务。针对工业物联网时间同步过程中簇头节点有时会发生故障或被攻击问题，克服工业控制系统安全性的不足，为了有效解决工业物联网时间同步协议在复杂环境下可靠性与安全性，特别是在工业物联网簇头节点发生故障或被攻击情况下，本发明设计了一种基于区块链共识机制的工业物联网容错时间同步方法和系统，可以容忍部分簇头节点发生故障或被攻击，可以有效提高工业物联网时间同步协议在复杂环境下可靠性与安全性，从而保证工业物联网时间同步协议能正常运行。

参见图1～4，本发明实施例提供一种基于区块链共识机制的工业物联网容错时间同步方法，该方法具体包括：

(1)在工业物联网节点上部署时间同步信息收集模块

工业物联网节点采用晶振作为计时源，软件通过计时器中断进行计时。在一个分簇的工业物联网中，每个簇中可能包含上百个节点，为了维持簇内所有节点高精度时间同步，簇头节点需要周期性广播时间包维持网络同步，簇内节点每次接收完来自簇头节点广播时间包后，会记录自身时间，簇头广播时间；并且更新时间。

(2)基于最小二乘法构建节点时钟模型

在相对比较短时间内，工业物联网节点时钟模型满足线性函数C(t)＝αt+β，其中α表示节点的时间与真实时间之间偏差率，β表示起始时间偏差；考虑到节点部分历史记录(自身时间，簇头广播时间)数据不可靠，采用基于密度的聚类算法剔除记录数据中异常数据，然后基于最小二乘法方法计算出时钟偏差率α和时间偏差变量β。本发明采用基于密度的聚类算法剔除部分异常(自身时间，簇头广播时间)数据，清洗过后的数据合理，从而可以提高工业物联网节点时钟线性模型的准确度。

(3)时间同步异常分析模块

当节点时钟模型建立好之后，其以后可以根据该模型进行时间预测，节点同步前计算簇头广播时间与自身预测时间的偏差，当时间偏差小于阈值时，节点正常进行时间同步；否则，节点怀疑簇头节点有可能发生故障或被攻击，然后发起共识请求；判断异常时阈值大小非常关键，其可以参考晶振手册中实际测量最大时钟偏移率，然后根据同步周期计算出阈值大小。

(4)基于区块链的时间同步信息共享模块

当发现异常簇头广播同步包后，节点通过广播方式发起共识请求时，广播请求包中包含了簇头广播时间信息，簇内节点收到该共识请求广播包后组成一个区块链，对簇头广播时间正确与否发起共识；具体包括4个阶段：发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识。当共识结果同意簇头广播时间正确时，节点正常进行时间同步；否则，进入下一步。簇内其它节点接收发起节点的广播请求包，解析出里面时间信息后进行对比分析，根据时钟模型判断出该时钟信息是否异常，若判断异常，将广播带有身份签名的自身时间信息与异常指示位；共识请求发起节点接收簇内其它节点广播时间信息后进行信息提取，主要包括簇内节点身份标识和异常指示位信息，当簇内节点数为3f+1时，存在2f+1节点发送了异常指示位时，则共识结果认为簇头节点有可能发生故障或被攻击，同时公布簇内所有节点身份标识、异常指示位信息和共识结果，否则，正常进行时间同步；簇内其它节点可以很容易验证公布信息的真伪，并达成最终共识。

(5)过滤模块

当簇内节点共识结果认为当前簇头节点有可能发生故障或被攻击，簇内节点将簇头节点身份标识放入黑名单，并过滤来自该簇头广播时间包；簇内节点重新推选一个新的可靠簇头节点，该簇头节点在计时准确性和电池电量等综合方面最优，被选中新的簇头节点将周期性广播时间同步信息。

基于同一发明构思，参见图1～4，本发明还提供一种基于区块链共识机制的工业物联网容错时间同步的系统，该系统具体包括：

在工业物联网节点组成的区块链网络中，每个工业物联网节点上均部署五个模块：

(1)每个节点有时间同步信息收集模块：其功能是记录〈自身时间，簇头广播时间〉数据，其中簇头广播时间是来自于簇头周期性广播。

(2)节点时钟模型构建模块：在比较短时间内，节点的时间偏差与真实时间满足线性关系，先采用基于密度的聚类算法剔除时间同步信息收集模块中异常数据，然后基于最小二乘法方法计算出时钟偏差率和时间偏差变量。

(3)异常分析模块：其功能对比来自簇头广播时间与自身预测时间，假如偏差小于一个阈值，则正常同步，否则，节点发起共识请求。

(4)基于区块链的时间同步信息共享模块：簇内节点组成一个区块链，通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段共识正确的时间同步信息，若一致认为簇头广播时间异常，则可以判定簇头发生了故障或被攻击。

(5)过滤模块：工业物联网中节点将发生故障或被攻击的簇头身份标识记下，在以后同步过程中，将过滤来自该身份标识的时间同步信息。

综上所述，本发明相对于现有技术的优势：

(1)现有技术一般单独部署入侵检测节点，部署代价比较高，并且容易遭受破坏或攻击。本发明采用分布式方式在所有节点上部署时间同步异常分析模块，并且具有历史时间同步信息建立时钟模型，可以精准刻画不同场景下同步状况，可以更好、更精准提供异常检测。

(2)现有技术大多采用中心化决策方案，一旦边界路由器遭受攻击将导致整个网络时间同步瘫痪。本发明优点是采用基于区块链分布式共识机制达到时间同步一致性，当有异常发生时，网络中所有节点共同参与表决簇头广播时间是否正确，该方法可以容忍部分簇头节点发生故障或被攻击，达到容错时间同步，避免了传统中心化方案中边界路由器遭受攻击单点攻击问题。

(3)现有技术一般采用加密与身份认证方法，这些安全服务主要抵御信息篡改、身份伪造以及监听等攻击，但无法抵御内部攻击或节点发生故障。本发明优点基于区块链分布式共识机制达到容错时间同步，并且在检测到异常才发起共识，具有安全有效和开销低优点。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，其特征在于，包括：

获取工业物联网的簇节点；所述簇节点包括：簇头节点和簇内节点；

簇头节点周期性广播时间同步包；簇内节点接收簇头节点广播时间同步包，并记录数据：簇内节点自身时间、簇头节点广播时间；

采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型；

根据簇节点时钟模型，预测簇节点时间；并在簇节点同步前计算簇头节点广播时间与簇头节点预测时间的偏差，当偏差小于阈值时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇节点通过广播方式发起共识请求；

当簇内节点收到共识请求广播包后，组成一个区块链；并通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段共识正确的时间同步信息，若一致认为簇头广播时间异常，则判定簇头发生了故障或被攻击，其包括：

当共识结果同意簇头节点广播时间正确时，簇节点正常进行时间同步；

否则，簇内其它节点接收发起簇内节点的广播请求包，解析出时间信息后进行对比分析，根据时钟模型判断出时间信息是否异常，若判断异常，将广播带有身份签名的自身时间信息与异常指示位；

共识请求发起簇节点接收簇内其它节点广播时间信息后进行信息提取，包括：簇内节点身份标识和异常指示位信息，当簇内节点数为3f+1时，存在2f+1节点发送了异常指示位时，则共识结果认为簇头节点发生故障或被攻击，同时公布簇内所有簇节点身份标识、异常指示位信息和共识结果；

否则，正常进行时间同步；

簇内其它节点验证公布信息的真伪，并达成最终共识。

2.如权利要求1所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，其特征在于，所述采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型，具体包括：

所述簇节点时钟模型，满足线性函数：

C(t)＝αt+β

其中，α表示簇节点时间与真实时间之间的偏差率，β表示起始时间偏差；且采用基于密度的聚类算法剔除记录数据中异常数据，采用最小二乘法计算出簇节点时间与真实时间之间的偏差率α和起始时间偏差β。

3.如权利要求1所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，其特征在于，所述阈值的确定，包括：

参考晶振手册中实际测量最大时钟偏移率，结合同步周期，确定阈值。

4.如权利要求1所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步方法，其特征在于，还包括：

当簇内节点共识结果认为当前簇头节点发生故障或被攻击时，簇内节点将簇头节点身份标识放入黑名单，并过滤来自簇头节点广播时间包。

5.一种基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，其特征在于，包括：

簇节点获取模块，用于获取工业物联网的簇节点；所述簇节点包括：簇头节点和簇内节点；

时间同步信息收集模块，用于簇头节点周期性广播时间同步包；簇内节点接收簇头节点广播时间同步包，并记录数据：簇内节点自身时间、簇头节点广播时间；

时钟模型构建模块，用于采用最小二乘法，构建簇节点时钟模型；

时间同步异常分析模块，用于根据簇节点时钟模型，预测簇节点时间；并在簇节点同步前计算簇头节点广播时间与簇头节点预测时间的偏差，当偏差小于阈值时，簇节点正常进行时间同步，否则，簇节点通过广播方式发起共识请求；

时间同步信息共享模块，用于当簇内节点收到共识请求广播包后，组成一个区块链；并通过发起共识请求、广播自身时间、公布结果与达成共识四个阶段共识正确的时间同步信息，若一致认为簇头广播时间异常，则判定簇头发生了故障或被攻击，其用于：

当共识结果同意簇头节点广播时间正确时，簇节点正常进行时间同步；

否则，簇内其它节点接收发起簇内节点的广播请求包，解析出时间信息后进行对比分析，根据时钟模型判断出时间信息是否异常，若判断异常，将广播带有身份签名的自身时间信息与异常指示位；

共识请求发起簇节点接收簇内其它节点广播时间信息后进行信息提取，包括：簇内节点身份标识和异常指示位信息，当簇内节点数为3f+1时，存在2f+1节点发送了异常指示位时，则共识结果认为簇头节点发生故障或被攻击，同时公布簇内所有簇节点身份标识、异常指示位信息和共识结果；

否则，正常进行时间同步；

簇内其它节点验证公布信息的真伪，并达成最终共识。

6.如权利要求5所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，其特征在于，所述时钟模型构建模块，具体用于：

所述簇节点时钟模型，满足线性函数：

C(t)＝αt+β

其中，α表示簇节点时间与真实时间之间的偏差率，β表示起始时间偏差；且采用基于密度的聚类算法剔除记录数据中异常数据，采用最小二乘法计算出簇节点时间与真实时间之间的偏差率α和起始时间偏差β。

7.如权利要求5所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，其特征在于，所述时间同步异常分析模块包括：阈值确定单元；

所述阈值确定单元，用于参考晶振手册中实际测量最大时钟偏移率，结合同步周期，确定阈值。

8.如权利要求5所述的基于区块链的工业物联网容错时间同步系统，其特征在于，还包括：

过滤模块，用于当簇内节点共识结果认为当前簇头节点发生故障或被攻击时，簇内节点将簇头节点身份标识放入黑名单，并过滤来自簇头节点广播时间包。

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