CN112003886A - 一种基于区块链的物联网数据共享系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的物联网数据共享系统和方法，采用区块链技术通过多个节点共同维护账本来建立一套信任机制，以使得账本数据具有公开透明、可溯源和不被篡改等特性、利用自动化脚本构成的智能合约技术能够实现自动化、智能化的数据处理、同时结合星际文件系统IPFS能够很好的解决区块链存储受限的问题。高度契合了数据共享的需求。系统中采用分层分链的网络架构，在各成员机构本地构建本地网络实现数据本地存储，在各成员机构之间构建全局网络实现各成员之间的数据共享，有效的提高了数据共享的安全性及系统的可扩展性。

Description

一种基于区块链的物联网数据共享系统和方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域、数据共享领域、物联网领域、文件 安全领域等。

背景技术

在信息化时代，数据作为一种重要的战略资源呈爆炸式增长，各 行各业均认识到无论是企业创新应用，还是科学理论研究，均需要以 大量的、可靠的数据作为基石来驱动，同时伴随而来的是数据共享需 求的急剧增长。而传统中心化的数据共享平台面临交互能力弱、数据 隐私保护能力差、系统的可扩展性不足等问题，成为了数据共享的阻 碍因素。如果能提出一种高效、安全且柔性可扩展的共享方法，能极 大提高数据拥有方共享数据的积极性，提高数据的利用价值。

区块链技术融合分布式存储、点对点通讯、分布式共识机制和加 密算法等技术，通过多个节点共同维护账本来建立一套信任机制，以 使得账本数据具有公开透明、可溯源和不被篡改等特性、利用自动化 脚本构成的智能合约技术能够实现自动化、智能化的数据处理、同时 结合星际文件系统IPFS能够很好的解决区块链存储受限的问题。高 度契合了数据共享的需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于区块链技术的物联网数据共享系 统和方法，解决传统中心化的数据共享平台交互能力弱、数据隐私保 护能力差、系统的可扩展性不足等问题。以数据接入、数据处理和数 据应用的功能架构、分层分链的区块链结构及相应的智能合约设计， 在兼顾数据隐私和数据价值挖掘的基础上，实现对物联网数据的自动 化接入、存储和不同权限、层次的访问和处理，形成具有可扩展性的、 安全可信的大规模物联网数据共享系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一方面本发明提供一种基于区块链技术的物联网数据共享系统， 包括：由数据接入层、数据服务层和数据应用层构成的三层系统功能 架构和由本地网络及全局网络构成的分层分链的网络架构。

所述三层系统功能架构如图1所示，主要完成了数据采集、数据 上传到数据存储、数据共享、数据分析及最后的数据应用流程，构成 了一套完整的区块链数据共享架构。具体内容如下：

数据接入层：实现数据的采集和传输，使用HTTP协议、TCP/IP 协议、NB-IoT等数据传输协议进行二维码、RFID、传感器等多种物 联网数据的采集和上传。

数据服务层：实现数据存储、数据共享和数据分析功能。使用IPFS 分布式存储对上述数据接入层采集的原始数据通过对称加密后生成 密文上传至IPFS分布式存储系统中同时将其元数据信息及数据共享 过程中产生的的共享记录数据存储在区块链中，用于记录整个数据的 存储和共享过程。采用人工智能算法的分布式机器学习框架，在区块 链的各个节点服务器配置相应的智能体对数据进行本地分析，将分析 结果上传至云端，避免数据分析时对数据聚合带来的消耗以及数据泄 露的风险。

数据应用层：根据数据需求，通过服务层提供的接口(RestAPI、 Webservice等数据接口)获取数据集，包括网络管理数据、本地存储 数据、共享数据及分析结果数据。

所述分层分链网络架构如图2所示，包括本地联盟链和全局联盟 链两部分，分层网络构建方法包括：各成员机构本地业务节点、数据 处理节点、共享节点构成本地联盟链；由初始成员机构的共享节点及 智能处理节点构成全局联盟链；新成员机构构建本地联盟链并验证通 过后将共享节点加入全局联盟链中。具体的构建分层分链网络方法包 括：

各成员机构本地网络对各节点一一生成对应的数字认证证书，并 保存在本地证书服务器中，构建本地联盟链。

全局网络对各本地共享节点及智能处理节点一一生成对应的数 字认证证书，并保存在全局证书服务器中，构建全局联盟链。

根据业务不同为节点构建不同的业务链进行本地分链处理。

新成员机构构建本地联盟链后申请加入全局联盟链，验证后为共 享节点生成数字认证证书，并同步网络数据实现新成员机构的加入。

另一方面，本发明提供一种基于智能合约的数据处理方法，应用 于上述数据共享系统，包括智能合约设计、用户注册、数据接入与存 储、数据共享与获取和数据隐私与分析功能。

所述智能合约设计如图3所示，由全局联盟链合约和本地联盟链 合约共同构成。本地联盟链合约部署在本地联盟链节点中，用于实现 本地原始数据存储管理功能，由数据成员管理合约(Data member management smart contract，DMMC)和本地数据存储合约(Local data storage smart contract，LDSC)构成。全局联盟链合约部署在全局联 盟链节点中，用于实现共享业务逻辑，由共享成员管理合约(Shared member management smartcontracts，SMMC)和共享数据管理合约 (Shared data management smart contract，SDMC)构成。

所述用户注册功能分为本地网络中的数据用户身份注册和系统 网络中的共享用户身份注册两部分功能。数据用户用于本地数据上传 IPFS及元数据上链时的身份权限认证；共享用户用于全局联盟链中 数据共享身份权限认证。

所述数据接入与存储功能分为本地数据接入和系统共享数据接 入两部分。本地数据分为原始数据和元数据信息{数据标识、数据拥 有者、数据指纹(hash值)、隐私等级(public和private两种)、IPFS 地址、创建时间、最后修改时间}分别存储于IPFS和本地联盟链中。 共享数据为public类型数据的数据摘要信息包括数据标识、数据拥有 者、创建时间、数据描述信息，存储于全局联盟链中，用于全局的数 据共享。

所述数据共享与获取功能实现对系统上链数据的共享及获取功 能，由共享用户A向全局联盟链发出对指定数据的共享请求，全局 联盟链智能合约验证用户的共享权限，验证通过后，访问本地联盟链 获取共享数据。

所述数据隐私与分析功能，利用分布式机器学习方法为数据应用 层提供具有隐私性的数据分析功能，在本地网络中的数据处理节点及 全局网络中的智能处理节点配置相应智能体的方式来协同训练机器 学习模型，在数据处理节点对数据进行本地策略学习后将本地训练模 型参数上传至全局网络中，再由智能处理节点对全局模型进行训练和 更新。

附图说明

图1系统功能架构

图2系统网络架构

图3智能合约结构

图4用户注册流程

图5本地数据上传流程

图6共享摘要数据上传流程

图7数据共享与获取流程图。

图8数据分析流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述技术方案和功能更易于理解，下面结合附图 1-5对本发明做进一步的说明：

整个系统对数据接入，数据处理和数据应用整体采用三层的功能 架构如图1所示，并基于数据服务层功能构建分层分链的网络架构实 现数据的本地存储和全局共享功能如图2所示。

在上述数据共享系统的基础上利用智能合约方法实现了用户注 册、数据接入与存储、数据共享与获取和数据隐私与分析功能。具体 内容如下：

1、智能合约设计如图3所示，各部分功能包括：

DMMC用于记录本地链中数据提供方(可以是真实用户，也可 以是物联网智能设备)的数字身份标识(DU-ID)、对应的公钥 (pubkey)和与其相关的本地数据存储合约(Local data storage smart contract，LDSC)映射。在系统初始化时，已有成员的信息会存储到 合约中。

LDSC用于实现本地数据的存储保护、更新、查询等功能，包括 数据存储合约(Datastorage smart contract，DSSC)和数据更新合约 (Data update smart contract，DUSC)。

·DSSC用于存储本地原始数据的元数据信息，包括数据标识、 数据拥有者、数据指纹(hash值)、隐私等级、IPFS地址、 创建时间、最后修改时间等。其中数据标识为该数据唯一的 标识，与数据实体一一对应；数据拥有者为数据成员管理合 约中的成员userID；数据指纹为原始数据的hash值。

·DUSC用于对数据进行更新操作，只有数据所有者有权限对数 据进行更新，因此，合约首先会验证用户是否为数据拥有者， 然后修改元数据信息中的数据指纹、IPFS地址和最后修改时 间。

SMMC用于记录全局链数据共享业务中各组织成员的数字身份 标识(SU-ID)、对应的公钥(pubkey)以及该成员的共享数据管理 合约(Shared data management smartcontract，SDMC)映射。

SDMC用于共享业务逻辑中数据信息在全局链中的存储管理功 能，包括数据摘要存储合约(Data digest storage smart contract，简称 DDSC)、共享权限控制合约(Shared permission control smart contract， 简称SPCC)和共享记录监管合约(Sharedrecords monitoring smart contract，简称SRMC)。

·DDSC用于记录本地联盟链中用于共享的数据摘要信息，供其 他组织共享节点查看，包括数据标识、数据拥有者、创建时 间、数据描述信息。

·SPCC则用于数据的访问权限控制并存储数据的共享权限列 表信息。

·SRMC用于保存各组织成员数据授权访问记录，包括数据标 识、共享用户身份标识和共享时间等。

2、用户注册

注册流程如图4所示：

步骤1：新用户(数据用户或共享用户)发出注册请求

步骤2：由各个组织的证书颁发机构(certificate authority，CA) 进行登记并颁发身份证书

步骤3：生成公私钥对，公钥存储于DMMC或SMMC合约中， 存储完成后将合约中用户唯一的标识ID(DU-ID或SU-ID)和私钥 一起返回给用户本地保存。

3、数据接入与存储

具体的本地数据接入流程如图5所示：

步骤1：数据用户向本地联盟链发起数据上链请求并上传数据用 户的原始数据信息和本地保存的用户数字身份标识信息。

步骤2：本地联盟链调用DMMC合约根据用户数字身份标识查 询用户公钥信息，若用户公钥信息不存在则上链请求失败，反之则返 回用户公钥信息。

步骤3：查询到公钥信息后使用公钥对原始数据进行对称加密生 成密文上传至IPFS系统中存储后获取IPFS存储的hash值地址。

步骤4：对原始数据构建元数据信息{数据标识、数据拥有者、 数据指纹(hash值)、隐私等级(public和private两种)、IPFS地 址、创建时间、最后修改时间}后访问DSSC合约发起交易对元数据 信息进行存储，并返回存储结果。

共享数据接入流程如图6所示：

步骤1：共享用户通过共享节点访问本地联盟链，获取本地上传 的元数据信息，并判断数据的隐私等级。

步骤2：对数据隐私等级为public的数据构建数据摘要信息，包 括数据标识、数据拥有者、创建时间、数据描述信息。

步骤3：访问DDSC合约发起交易对数据摘要信息进行存储。

步骤4：确定要共享数据的用户U1,U2,…,Un,生成共享权限列表 {<U1，SU-ID1>,<U2，SU-ID2>,…,<Un，SU-IDn>}，并由共享用户 访问SPCC合约发起交易将该共享权限列表存储到区块链中。

4、数据共享与获取

数据共享与获取流程如图7所示，

步骤1：共享用户A向全局联盟链对指定Data-ID的数据发起共 享请求并上传其数字身份标识信息。

步骤2：全局联盟链访问SPCC合约判断共享用户A是否在数据 共享列表中。

步骤3：若存在，则将数据Data-ID发送给共享用户B，共享用 户B访问本地联盟链获取Data-ID数据的信息。

步骤3.1：本地联盟链访问DSSC合约获取数据的元数据信息进 而获得其IPFS地址。

步骤3.2：访问DMMC合约获取数据用户公钥，返回给共享用 户A。

步骤4：共享用户A通过IPFS地址值获取原始数据密文，并使 用数据用户公钥对数据进行解密后获取原始数据。

步骤5：共享用户A访问SDMC合约存储本条共享记录{数据标 识，共享对象标识，共享时间}。

5、数据隐私与分析功能

数据隐私与分析流程如图8所示：

步骤1：全局网络中的智能处理节点根据数据分析需求生成初始 模型及一对公私钥，将初始模型及公钥存储于全局联盟链中。

步骤2：各本地数据处理节点通过数据共享节点获取全局联盟链 中的初始模型及公钥，存储于本地联盟链中，并在智能体上完成初始 化。

步骤3：数据处理节点基于本地存储数据由智能体训练初始模型， 将本地训练完成后的模型用公钥进行加密后传输给本地区块链进行 存储。

步骤4：数据共享节点获取本地联盟链中的训练模型并传输至全 局联盟链中。

步骤5：智能处理节点获取各本地联盟链传输的模型参数使用私 钥解密后根据参与方训练数据量的大小计算所有模型参数的加权平 均值来更新初始模型参数并传输至全局区块链中。

步骤6：各本地联盟链数据处理节点获取新的训练模型更新本地 训练模型进行下一轮迭代直至模型收敛后获得最终训练模型。

Claims (3)

1.一种基于区块链的物联网数据共享系统，其特征在于，包括：

由数据接入层、数据服务层和数据应用层构成的三层系统功能架构；

由本地网络及全局网络构成的分层分链的网络架构。

2.根据权利要求1所述的分布式数据共享系统，其特征在于，还包括：

构建本地联盟链：各成员机构本地网络对各节点生成对应的数字认证证书，并保存在本地证书服务器中，构建本地联盟链；

构建全局联盟链：全局网络对各本地共享节点及智能处理节点——生成对应的数字认证证书，并保存在全局证书服务器中，构建全局联盟链；

新成员机构构建本地联盟链后申请加入全局联盟链，验证后为共享节点生成数字认证证书，并同步网络数据实现新成员机构的加入。

3.一种基于智能合约的数据处理方法，其特征在于，包括：

智能合约设计：由全局联盟链合约和本地联盟链合约共同构成；本地联盟链合约部署在本地联盟链节点中，用于实现本地原始数据存储管理功能，全局联盟链合约部署在全局联盟链节点中，用于实现共享业务逻辑；

用户注册：

步骤1：新用户发出注册请求

步骤2：由各个组织的证书颁发机构(certificate authority，CA)进行登记并颁发身份证书

步骤3：生成公私钥对，公钥存储于数据成员管理合约或共享成员管理合约中，存储完成后将合约中用户唯一的标识ID(DU-ID或SU-ID)和私钥一起返回给用户本地保存；

数据接入与存储：

1)本地数据接入

步骤1：数据用户向本地联盟链发起数据上链请求并上传数据用户的原始数据信息和本地保存的用户数字身份标识信息；

步骤2：本地联盟链调用数据成员管理合约根据用户数字身份标识查询用户公钥信息，若用户公钥信息不存在则上链请求失败，反之则返回用户公钥信息；

步骤3：查询到公钥信息后使用公钥对原始数据进行对称加密生成密文上传至IPFS系统中存储后获取IPFS存储的hash值地址；

步骤4：对原始数据构建元数据信息{数据标识、数据拥有者、数据指纹、隐私等级、IPFS地址、创建时间、最后修改时间}后访问数据存储合约发起交易对元数据信息进行存储，并返回存储结果；

2)共享数据接入

步骤1：共享用户通过共享节点访问本地联盟链，获取本地上传的元数据信息，并判断数据的隐私等级；

步骤2：对数据隐私等级为public的数据构建数据摘要信息，包括数据标识、数据拥有者、创建时间、数据描述信息；

步骤3：访问数据摘要存储合约发起交易对数据摘要信息进行存储；

步骤4：确定要共享数据的用户U1,U2,…,Un,生成共享权限列表{<U1，SU-ID1>,<U2，SU-ID2>,…,<Un，SU-IDn>}，并由共享用户访问SPCC合约发起交易将该共享权限列表存储到区块链中；

数据共享与获取：

步骤1：共享用户A向全局联盟链对指定Data-ID的数据发起共享请求并上传其数字身份标识信息；

步骤2：全局联盟链访问共享权限控制合约判断共享用户A是否在数据共享列表中；

步骤3：若存在，则将数据Data-ID发送给共享用户B，共享用户B访问本地联盟链获取Data-ID数据的信息；

步骤3.1：本地联盟链访问数据存储合约获取数据的元数据信息进而获得其IPFS地址；

步骤3.2：访问数据成员管理合约获取数据用户公钥，返回给共享用户A；

步骤4：共享用户A通过IPFS地址值获取原始数据密文，并使用数据用户公钥对数据进行解密后获取原始数据；

步骤5：共享用户A访问共享数据合约存储本条共享记录{数据标识，共享对象标识，共享时间}；

数据隐私与分析功能：

步骤1：全局网络中的智能处理节点根据数据分析需求生成初始模型及一对公私钥，将初始模型及公钥存储于全局联盟链中；

步骤2：各本地数据处理节点通过数据共享节点获取全局联盟链中的初始模型及公钥，存储于本地联盟链中，并在智能体上完成初始化；

步骤3：数据处理节点基于本地存储数据由智能体训练初始模型，将本地训练完成后的模型用公钥进行加密后传输给本地区块链进行存储；

步骤4：数据共享节点获取本地联盟链中的训练模型并传输至全局联盟链中；

步骤5：智能处理节点获取各本地联盟链传输的模型参数使用私钥解密后根据参与方训练数据量的大小计算所有模型参数的加权平均值来更新初始模型参数并传输至全局区块链中；

步骤6：各本地联盟链数据处理节点获取新的训练模型更新本地训练模型进行下一轮迭代直至模型收敛后获得最终训练模型。

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