CN113037464B - 一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，包括智慧城市应用模块、智慧城市应用输出数据处理模块、区块链处理技术、所述智慧城市应用输出数据处理模块包括数据库权限管理模块，密钥导出散列函数(KDF)在数据库权限管理模块和区块链技术处介入，所述区块链技术由区块标识技术、权益证明技术、共识机制技术、工作量证明技术及主干网区块链组网技术组成。本发明利用区块链技术的智慧城市城域网架构方法能够改变智慧城市技术研究和数据利用的单打独斗的历史，优先整合相邻城市和联系比较紧密的城市之间的串联，再通过各城市之间的组网覆盖全国和全球所有的城市，属于顶层智慧城市架构技术方法，利于盘活城市间的纽带联系。

Description

一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法

技术领域

本发明涉及智慧城市间联网互通的技术领域，尤其涉及到一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法。

背景技术

应力不高，经济回报小，进而导致研发团队不稳定，难以持续深入的研究，阻碍了智慧城市往深层次发展的能力。

智慧城市相关背景技术：《新经济凸显信息经济、知识经济、智能经济为先导与核心的特性》（涂子沛，2013；李飞云，2016），这驱动了经济增长和社会转型，使得城镇化进程势在必行。联合国预测，到2050年约64％的发展中国家和86％的发达国家将实现城镇化，全球平均60%的人口居住在5000个城市（Merry，2018）。居住在城市的人比以往任何时候都多，当以此速度推进城镇化时，城市的公共服务与资源的压力会出现爆发式增加。而从技术发展的视角看，智慧城市建设要求通过以移动技术为代表的物联网、云计算等新一代信息技术的发展，以实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用（Gazis, 2017；王连峰, 宋刚,& 张楠， 2017；Panetta，2018），这就意味着未来的智慧城市网络将覆盖从组织（个体）、业务（政务）、交通、通信、水电等能源的社会网络、基础设施和环境的核心系统，将集成数以亿计的基础设备和应用系统，并以“一个体系架构”、“一张天地一体的栅格网”、“一个通用功能平台”、“一个数据集合”、“一个城市运行中心”、“一套标准”等“六个一”规划（徐振强，2016）构建智慧城市。智慧城市“六个一”规划设计的初衷，使得其网络架构偏向于集中式IT基础架构（Centralized IT Infrastructure），即在传统数据中心网络架构（如Fat-tree、Portland、VL2、Dcell、Bcube等）的基础上，结合智慧城市建设的动态监测特点，架设以MEMS、GPS、智能传感器等技术为代表的感知层，以多种无线通信方式为核心的网络层和具备多种专项能力的应用层（孙鸿昌, & 王升军，2017；刘鑫，2017；Sharma, & Park, 2018）。而智慧城市如何基于数以亿计的基础设备和应用系统，支持实时应用、避免网络拥塞，并实现其所生成的海量非结构化数据的安全性与私密性等问题，这可能是现行智慧城市网络架构所面临的挑战。在高度智能化城市的未来，智慧城市可以通过智能交通、智能生活、智能移动、智能能源和智能商业模式为所有组织或个体提供优质的事务体验，然异构网络系统控制的以指数量级增长的智能信息处理设备，以及无处不在的传感器信息源，它们所形成数据存量，给以集中式IT基础架构的智慧城市网络带来越来越大的压力，其中就包括网络的可扩展性、数据传输延迟、网络带宽拥塞、数据隐私与安全性等问题。

区块链技术：Pilkington（2016）概述了区块链的进化技术，如以太坊（Ether）（Buterin et al., 2014）、瑞波币（Ripple）（Xrp,2013）、格雷德币（Gridcoin）（Gridcoin白皮书，2018），并提出区块链的在非财务应用的实践依据。Tschorsch,& Scheuermann（2015）研究基于数字货币技术的稳健模型，讨论比特币的特征属性，并详细描述共识机制问题。Dorri et al.（2016）提出轻量级智能家居物联网架构，关注区块链的局限性，同时提出避免比特币的计算密集度、TX确认延迟和可扩展性问题的解决方案。Huh et al.（2017）使用区块链智能合约配置和管理物联网设备，以规避传统的C/S服务器架构的安全性和同步问题。同样，Buterin et al.（2014）利用区块链的无信任分布式架构，搭建以太坊智能合约配置和管理物联网设备。此外，Conoscenti et al.（2016）区别于加密货币机制的区块链应用，对物联网的适用性进行文献综述，以寻找比特币区块链如完整性攻击、去匿名化等相关漏洞的解决方案，以及区块链对物联网高TX输入的适应性等。Christidis, &Devetsikiotis（2016）深入探讨了区块链和智能合约的运作机制，如物联网设备之间共享服务和资源池机制，以及可再生源的P2P市场和供应链管理（SCM）机制，拓展了区块链与物联网实践案例；该论文还重点测试了区块链在物联网运用低TX 吞吐量，基于工作量证明（Proof of work, PoW）的区块链高延迟，用户与TX内容的隐私性，以及智能合约的相关法律与转化问题的性能特性与预期。Bonneau et al.（2015）基于众多比特币安全属性，对比特币分叉进行了深入分析，总结归纳并提出比特币共识机制、用户匿名或隐私技术的替代方案。

密钥导出散列函数（KDF），并提供了几个改进的版本：Argon2d最大限度地提高了对GPU破解攻击的抵抗力。它以密码相关的顺序访问存储器阵列，这降低了时间-存储器权衡（TMTO）攻击的可能性，但是引入了可能的侧面信道攻击。Argon2i优化了抵御侧向通道攻击的能力。它以密码无关的顺序访问内存阵列。Argon2id是一个混合版本。它遵循Argon2i方法进行第一次通过内存，Argon2d方法用于后续通过。Internet-Draft建议使用Argon2id，除非有理由选择其他两种模式之一。上述三种模式允许通过三个参数来进行控制：1.执行时间处理时间，2.需要记忆，3.并行度。在密码密码分析方面：虽然没有适用于Argon2d的公共密码分析，但对Argon2i功能有两次发布的攻击。第一次攻击表明，可以使用四分之一到五分之一的所需空间来计算单遍的Argon2i函数，而没有时间损失，并且仅使用N/e<N/2.71空间计算多遍Argon2i没时间害处。第二次攻击表明，Argon2i可以通过对于参数σ（空间成本），τ（时间成本）和线程计数的所有选择具有复杂度O（n7/4log（n））的算法来计算，使得n=σ*τ。Argon2作者声称，如果Argon2i使用三次或更多次通过，则此攻击效率不高。然而，JoëlAlwen和Jeremiah Blocki改进了攻击，并表明为了使攻击失败，Argon2i 需要超过10次通过记忆。

密钥派生函数或KDF从秘密值派生一个或多个秘密密钥。因此，如果您曾经需要在数据库中存储密码或通过密码创建私钥，则可能使用了KDF。例如，一些流行的KDF的示例：Argon2、Scrypt、PBKDF2；密钥派生功能是大多数Web应用程序所必需的。使用纯文本或弱哈希密码存储的站点数量令人恐惧。如果某个站点通过电子邮件向您发送了密码副本，请运行！KDF不是哈希函数，但是与哈希函数有重叠。为了理解KDF，需要先了解一下散列函数。例如一些哈希函数：SHA-256、MD5；哈希函数接受输入并创建输出。在大多数密码哈希方案中，它看起来像这样：sha256("password123")->ef92b778bafe771e89245b89ecbc0

8a44a4e166c06659911881f383d4473e94f；该函数必须具有以下属性：它确定性地加扰数据（相同的输入，相同的输出），无论输入如何，哈希函数的输出始终具有相同的大小，它无法从输出中检索输入（单向功能），那么区别是有不同类型的KDF。其中一些是基于流或分组密码的，但是常见类型基于散列的密钥派生函数。所有基于哈希的KDF都是安全的哈希函数，但并非所有哈希函数都是基于哈希的KDF。除了散列函数的属性，KDF还可以用于以下目的：按键伸展、重点美白、密钥分离、重点加强。分别考虑每种情况，并牢记一般KDF的定义：derivedKey = keyDerivationFunction(originalKey, salt, difficulty)Salt是用于防止预计算攻击或rainbow表的随机数据。通过大量的计算、内存或并行性要求，可以使用难度使KDF变慢。这样可以防止暴力攻击，因为每次猜测会使攻击者花费更长的时间。1.密钥弹性：对于普通开发人员而言，密钥扩展是最常见的用例。这个想法是采用具有低熵（安全性或随机性）的密钥，并将其扩展为更安全的更长密钥。密码无疑是一个很好的例子。例如，许多网站使用Bcrypt来扩展密钥：passwordForDB=bcrypt(password, salt,difficulty)；2.密钥分离：KDF允许从主密钥创建子密钥。可以在比特币之类的应用中使用，其中子密钥可以控制钱包的各个部分。但是，只有主节点具有完全控制权。这是通过使用不同的盐来完成的。例如：childOne=kdf(masterKey, saltOne, difficulty)；childTwo=kdf(masterKey, saltTwo, difficulty)；childThree=kdf(masterKey, saltThree,difficulty)；3.重点加强加强使用随机盐扩展密钥，但随后删除该盐，因此无法再次使用。这使得生成的密钥更强大，而又不增加系统的重大漏洞，通常在将密码存储在数据库中时使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，本发明能够同时让各行各业的技术性参与方和营销参与方同时参与大型复杂项目或深度人工智能研究，并同步展现、分析、研究，增补和修正分析模型，将各种人工智能智慧城市的分支项目整合起来，合理利用公共资源架设便于快速溯源、不可篡改、智慧城市顶层网络架构。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，包括智慧城市应用模块、智慧城市应用输出数据处理模块、区块链处理技术、所述智慧城市应用输出数据处理模块包括数据库权限管理模块，还包括密钥导出散列函数（KDF），在数据库权限管理模块和区块链技术处介入，所述区块链技术由区块标识技术、权益证明技术、共识机制技术、工作量证明技术及主干网区块链组网技术组成，利用区块链技术的智慧城市城域网架构方法包括以下步骤：

a).提取某城智慧城市各种数据，分门别类添加标准编码和标识，实现同行业和同领域的数据格式兼容统一；

b).对该城兼容统一后的数据进行分析处理，提取必要的基础数据和需要加工分析的待定数据；

c).对获取的基础数据和待定数据按数据处理需求进行进一步的整理归类；

d).对整理归类后的数据进行标准化处理；

e).对标准化后的数据设定读取、加工和处理的数据权限管理，并生成当前城市的智慧城市待转存基础数据（存储数据库生成）；

f).启动密钥导出散列函数(KDF)，进行初次密钥派生映射，对智慧城市待转存基础数据进行初次加密；

g).启动区块链储存技术，将智慧城市待转存基础数据转化成区块链储存数据，再次启动密钥导出散列函数(KDF)，进行第二次密钥派生映射，对区块链储存数据进行加密；

h).启动区块链城域建网技术，再次启动密钥导出散列函数(KDF)，进行第三次密钥派生映射，对区块链城域建网技术进行加密，储存该城市的智慧城市相关区块链储存数据，完成单个城市的智慧城市组网；

i).重复步骤a-h，继续完成新的单个城市的智慧城市组网；

j).再次启动区块链城域建网技术，按城市间相互联系和产业相关性为关联城市数据建立映射整合；

k).按城市间的产业分布和联系的紧密度，数据有关联的建立串联关系，数据是互补的则建立并联关系，生成虚拟的关联纽带；

l).整合虚拟的关联纽带，完成基于区块链技术的智慧城市城域网架构。

优选的，根据密钥导出散列函数(KDF)的密钥导出顺序和映射关系，反向追溯密钥导出顺序和映射关系能够快速精准定位相关数据，无需额外复杂的认证确认过程，构成快速溯源的虚拟边界界定技术或边界自认证技术，可以直接确认快速溯源数据存取加工，区划出存取加工的数据量和权限对应关系的虚拟边界。

优选的，所述虚拟边界界定技术包括虚拟边界目录树标准定义，数据采集来源虚拟边界添加、区块链数据虚拟边界储存、区块链数据虚拟边界识别和区块链数据虚拟边界溯源。

优选的，所述某城智慧城市各种数据细分领域包括智能城市的交通模块、智能位置服务模块、智能公共管理服务模块、智能市政及施工模块、城市资源特色大数据、城市服务供应商及产品制作和加工能力、加工质量评价数据。

优选的，还包括区块存取漂移技术，所述区块存取漂移技术在网络带宽富余比例充足，且数据存取畅通的网络硬件之间动态储存和转移区块链数据，确保区块链数据随时随地能够高速存取，避免网络拥塞和片区断网断电风险。

优选的，所述授权股份证明技术的特征是股东保留了控制权，核心网络中的节点将进一步分析预处理数据，做出识别与工作量证明的验证，并生成区块。

优选的，所述共识机制技术以实现分布式分类账区块建立数据信任机制，降低数据伪造风险，以显著减低时间成本改善用户信任确认等待体验，实现去中心化或弱中心化的安全分布式自主业务功能。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

（1）设计了一套智慧城市与智慧城市之间的城际数据的整合方案，实现城市间的智慧数据的兼容、互联互通和整合。

（2）通过区块链技术和密钥导出散列函数对智慧城市数据进行多层加密，数据安全去中心化，有效防止数据被滥用。

（3）根据密钥导出散列函数(KDF)的密钥导出顺序和映射关系，反向追溯密钥导出顺序和映射关系能够快速精准定位相关数据，无需额外复杂的认证确认过程，构成快速溯源的虚拟边界界定方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法的技术构成和逻辑关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参照图1所示，利用区块链技术架构智慧城市城域网，先提取某城智慧城市各种数据，分门别类添加标准编码和标识，实现同行业和同领域的数据格式兼容统一；再对该城兼容统一后的数据进行分析处理，提取必要的基础数据和需要加工分析的待定数据；接着对获取的基础数据和待定数据按数据处理需求进行进一步的整理归类；再对整理归类后的数据进行标准化处理；设定好读取、加工和处理的数据管理权限，并生成当前城市的智慧城市待转存基础数据；接着启动密钥导出散列函数(KDF)，进行初次密钥派生映射，对智慧城市待转存基础数据进行初次加密；然后启动区块链储存技术，将智慧城市待转存基础数据转化成区块链储存数据，再次启动密钥导出散列函数(KDF)，进行第二次密钥派生映射，对区块链储存数据进行加密；接着启动区块链城域建网技术，再次启动密钥导出散列函数(KDF)，进行第三次密钥派生映射，对区块链城域建网技术进行加密，储存该城市的智慧城市相关区块链储存数据，完成单个城市的智慧城市组网；同理继续完成新的其它的单个城市的智慧城市组网；然后，再次启动区块链城域建网技术，按城市间相互联系和产业相关性为关联城市数据建立映射整合；按城市间的产业分布和联系的紧密度，数据有关联的建立串联关系，数据是互补的则建立并联关系，生成虚拟的关联纽带；整合虚拟的关联纽带，完成基于区块链技术的智慧城市城域网架构，实现城市间的智慧数据的兼容、互联互通和整合，并通过区块链技术和密钥导出散列函数对智慧城市数据进行多层加密，数据安全去中心化，有效防止数据被滥用；密钥导出散列函数(KDF)的密钥导出顺序和映射关系，反向追溯密钥导出顺序和映射关系能够快速精准定位相关数据，无需额外复杂的认证确认过程，构成快速溯源的虚拟边界界定技术或边界自认证技术，方便快速准确的获取数据和溯源。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，包括智慧城市应用模块、智慧城市应用输出数据处理模块、区块链处理技术、所述智慧城市应用输出数据处理模块包括数据库权限管理模块，其特征在于：还包括密钥导出散列函数，在数据库权限管理模块和区块链技术处介入，所述区块链技术由区块标识技术、权益证明技术、共识机制技术、工作量证明技术及主干网区块链组网技术组成，利用区块链技术的智慧城市城域网架构方法包括以下步骤：

a).提取某城智慧城市各种数据，分门别类添加标准编码和标识，实现同行业和同领域的数据格式兼容统一；

b).对该城兼容统一后的数据进行分析处理，提取必要的基础数据和需要加工分析的待定数据；

c).对获取的基础数据和待定数据按数据处理需求进行进一步的整理归类；

d).对整理归类后的数据进行标准化处理；

e).对标准化后的数据设定读取、加工和处理的数据权限管理，并生成当前城市的智慧城市待转存基础数据；

f).启动密钥导出散列函数，进行初次密钥派生映射，对智慧城市待转存基础数据进行初次加密；

g).启动区块链储存技术，将智慧城市待转存基础数据转化成区块链储存数据，再次启动密钥导出散列函数，进行第二次密钥派生映射，对区块链储存数据进行加密；

h).启动区块链城域建网技术，再次启动密钥导出散列函数，进行第三次密钥派生映射，对区块链城域建网技术进行加密，储存该城市的智慧城市相关区块链储存数据，完成单个城市的智慧城市组网；

i).重复步骤a-h，继续完成新的单个城市的智慧城市组网；

j).再次启动区块链城域建网技术，按城市间相互联系和产业相关性为关联城市数据建立映射整合；

k).按城市间的产业分布和联系的紧密度，数据有关联的建立串联关系，数据是互补的则建立并联关系，生成虚拟的关联纽带；

l).整合虚拟的关联纽带，完成基于区块链技术的智慧城市城域网架构。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，其特征在于，根据密钥导出散列函数的密钥导出顺序和映射关系，反向追溯密钥导出顺序和映射关系能够快速精准定位相关数据，无需额外复杂的认证确认过程，构成快速溯源的虚拟边界界定技术或边界自认证技术，可以直接确认快速溯源数据存取加工，区划出存取加工的数据量和权限对应关系的虚拟边界。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，其特征在于，所述虚拟边界界定技术包括虚拟边界目录树标准定义，数据采集来源虚拟边界添加、区块链数据虚拟边界储存、区块链数据虚拟边界识别和区块链数据虚拟边界溯源。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，其特征在于，所述某城智慧城市各种数据细分领域包括智能城市的交通模块、智能位置服务模块、智能公共管理服务模块、智能市政及施工模块、城市资源特色大数据、城市服务供应商及产品制作和加工能力、加工质量评价数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，其特征在于，还包括区块存取漂移技术，所述区块存取漂移技术在网络带宽富余比例充足，且数据存取畅通的网络硬件之间动态储存和转移区块链数据，确保区块链数据随时随地能够高速存取，避免网络拥塞和片区断网断电风险。

6.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的智慧城市城域网架构方法，其特征在于，所述共识机制技术以实现分布式分类账区块建立数据信任机制，降低数据伪造风险，以显著减低时间成本改善用户信任确认等待体验，实现去中心化或弱中心化的安全分布式自主业务功能。

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