CN113259411B - 一种基于rfid和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于RFID和混合区块链‑边缘架构的物品追踪方法，通过将区块链、RFID与传统物品追踪的结合，物品经过每个节点的处理信息实时自动上链，可以实现物品传运全自动，提高信息化水平；区块链可溯源性、不可篡改性从根本上解决了记录差错问题，而联盟链的授权访问的特点，能够保证在数据共享过程中的安全性；结合IPFS的去中心化链外存储，仅将Hash值存入区块链，增强区块链的可扩展性，解决区块链存储规模有限的问题；结合区块链与属性基加密的访问控制，避免恶意的数据窃取，保护个人隐私。

Description

一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域、数据安全领域、物流追踪领域等。

背景技术

据统计，大型机场近3年平均每年处理出港行李超过2千万件，日均处理超过5万件，相关航空企业受到了日渐增长的行李量带来的挑战。而根据国际航协(IATA)所公布的最新全球旅客调查报告显示，超过56％的旅客对于实时的行李跟踪信息有很大需求。

现有行李信息化和处理系统现状和存在问题有以下几方面：一、传统集中式数据库过于中心化导致数据泄露和篡改问题。RFID技术作为当前国际行李追踪领域最先进的技术可以提供97％以上的有效识读率，但是所获得的数据一般存储于中心化数据库，一旦中心点服务器出现问题将导致全网崩溃，并存在很高的外部攻击风险。二、实时追踪的不同部门之间的没有完善的数据共享机制和平台，存在信息孤岛。三、旅客对于个人数据隐私越来越重视，数据隐私性成为行李追踪体系的关键问题，但是现有数据共享方式是粗粒度的，旅客信息向整体业务链公开，不能保护数据隐私。四、区块链不能存储图像，制约了行李追踪服务的进一步发展。五、行李数据的产生和传输将达到空前规模，对实时追踪系统的可扩展性提出了很高要求。

解决上述问题的关键技术：一、区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯、可信的分布式数据库，可以很好地解决问题一和问题二。同时，联盟链仅支持参与维护节点访问，联盟链其授权访问的特性能够降低数据公开程度，从而加强数据的隐私安全，因此，我们选用联盟链搭建数据共享平台。但细粒度访问控制、存储图像需求以及区块链扩展化问题仍待解决，因此我们引入了下面两种技术。二、星际文件系统(IPFS)使用P2P分布式存储结构，可以轻松存储大量数据，以解决庞大行李数据的存储扩展问题。IPFS是一种内容寻址的块存储系统，具有诸如内容可寻址、不可篡改、去中心化等特性，与区块链结合，在保证了数据安全存储的情况下，提高了区块链系统的可扩展性，同时解决了区块链不能存储图像的问题。三、属性基加密 (attribute-based encryption,简称ABE)机制以属性为公钥,将密文和用户私钥与属性关联,能够灵活地表示访问控制策略,从而极大地降低了数据共享细粒度访问控制带来的网络带宽和发送结点的处理开销。

解决上述问题的意义：一、物品追踪信息化：区块链、RFID与传统物品追踪的结合，物品经过每个节点的处理信息实时自动上链，可以实现物品传运全自动，提高信息化水平。统一数据结构的智能合约的应用，能够解决数据异构问题，保证不同地域、部门的业务快速并行处理。二、数据存储安全化：区块链可溯源性、不可篡改性从根本上解决了记录差错问题，而联盟链的授权访问的特点，能够保证在数据共享过程中的安全性。三、存储空间扩展化：结合IPFS的去中心化链外存储，仅将Hash值存入区块链，增强区块链的可扩展性，解决区块链存储规模有限的问题，同时解决了区块链无法存储图像的问题。四、个人数据隐私化：结合区块链与属性基加密的访问控制，避免恶意的数据窃取，保护个人隐私。

发明内容

为解决数据共享细粒度访问控制、区块链存储图像需求以及区块链系统的扩展化问题，本发明采用如下技术方案：一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，所述基于RFID和混合区块链 -边缘架构的物品追踪方法以登记、分拣、安检、装车、到达各部门为节点搭建一条联盟链，并在边缘节点上部署IPFS集群。通过ABE 加密算法将客户隐私数据加密后存储于部署在边缘节点的IPFS集群，仅将返回的Hash值以及数据摘要存储于区块链以增强区块链系统的可扩展性；设置访问控制策略，仅有属性符合控制策略的部门可以解密获取旅客隐私数据，从而提供细粒度的访问控制；RFID设备将物品经过登记、分拣、安检、装车、到达各部门的实时处理信息自动录入到区块链进行数据存储和共享；采用多通道的架构实现针对不同公司业务进行物理隔离，实现粗粒度隐私保护。每个通道内部署对应的智能合约，实现数据管理、共享控制管理等功能。基于区块链和 RFID的多环节物品追踪方法框架如图1所示。

进一步，所述实现基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法具体应包括：

步骤1：以登记、分拣、安检、装车、到达各部门为节点搭建一条联盟链，并在边缘节点上部署IPFS集群，如图2所示。

步骤2：客户隐私数据通过ABE属性基加密算法加密，根据公司 B(数据请求方)的属性分配密钥，同时构建访问控制策略。

步骤2.1：初始化CP-ABE加密算法生成公钥和主密钥。

步骤2.2：根据公司B(数据请求方)的各个属性分配对应私钥。

步骤2.3：公司A(数据提供方)在共享数据前，需构建加密策略，实现访问控制。根据所设置的加密策略对于隐私数据进行加密。

步骤3：加密后的隐私数据存储到部署于边缘节点的IPFS集群进行链外存储，并将返回的地址Hash和数据关键词汇总后上传联盟链网络，并且写入RFID标签；

步骤3.1：加密后的客户隐私数据被上传到IPFS集群中进行链外存储

步骤3.2：IPFS集群会给用户返回数据存储的地址hash，根据地址hash能够在IPFS集群中查询存储的数据；同时IPFS使用版本控制历史记录删除重复的Hash；

步骤3.3：公司A(数据提供方)从IPFS集群中获取返回的地址 hash后，将RFID ID、数据关键词和地址Hash一起写入RFID标签，并且上传到联盟链网络中；联盟链网络中的其他成员根据RFID ID、数据关键词或者地址Hash在区块链中检索数据。

步骤4：通过RFID技术将行李实时处理信息自动上链，并与之前存储在区块链中的地址Hash和数据关键词汇总后形成完整信息，如图4所示。

首先，当标签经过登记、分拣、安检、装车、到达各部门被处理时，通过自动上链程序请求调用智能合约将实时处理信息进行上链。然后，智能合约对经由RFID上传的信息中的RFID ID、数据关键词、地址Hash与联盟链中的之前记录的RFID ID、地址Hash和数据关键词汇进行核对，若一致则将实时处理信息与之前存储的RFID ID、地址Hash和数据关键词汇总后形成完整信息存入联盟链网络，若不一致则返回错误提示。

步骤5：物品信息追踪：根据RFID ID或者数据关键词在基于联盟链的数据共享平台进行查询获取物品实时处理信息，同时智能合约将分别统计每件物品的查询请求次数。公司B即数据请求方可以请求客户隐私数据，具体过程包括：

首先公司B根据RFID ID在联盟链中查询到对应IPFS集群的hash 地址。

其次公司B在IPFS集群中下载加密的客户隐私信息文件。

最后当且仅当公司B的属性符合公司A设置的访问控制策略时，公司B可以用自己的私钥对客户隐私信息文件进行解密。

有益效果

本发明结合目前国际行李追踪领域最先进的RFID技术，结合区块链的去中心化、去信任特点实现了不可纂改及安全的全流程跟踪；避免了传统的集中式数据库过于中心化容易导致崩溃和受到外部攻击的问题，保证了物品数据的存储和共享的安全性。

本发明在授权访问的联盟链的基础上搭建信息共享平台，在保护信息隐私性的同时使得行李实时追踪信息的不同部门之间安全共享，打破了信息孤岛。

本发明通过部署于边缘节点的IPFS集群存储数量巨大的客户隐私信息，仅将数据摘要和实时追踪信息上链，有效的增强了区块链系统的可扩展性，同时解决了区块链不能存储图像的问题。

本发明通过ABE属性基加密机制实现基于属性的访问控制，在有效地保护了旅客隐私数据的同时，仅需根据属性加密消息，无需关注群体中成员的数量和身份，降低了数据加密开销并支持灵活的访问控制策略设置。

附图说明

图1基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法框架图

图2基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪运行逻辑图

图3 IPFS启动

图4包含地址Hash、数据摘要和实时流程信息的完整信息上链成功

图5属性符合访问控制策略的公司B解密成功

图6属性不符合访问控制策略的公司C解密失败

具体实施方式

首先以登记、分拣、安检、装车、到达这个业务流程中每个业务部门为联盟链节点搭建联盟链作为一条通道，如果有不同业务的节点，则进入不同的通道。在各个业务部门安装UHF电子标签读写器；同一通道中的节点安装相同的智能合约并进行实例化。在边缘节点上部署IPFS集群。

物品整个流转过程可以分为流转前、流转中、流转后三个部分。

一、流转前。首先进行客户隐私数据加密。初始化CP-ABE加密模块，根据公司B(数据请求方)的各个属性分配对应密钥，如公司B的登记部门可以拥有属性“大兴国际机场”、“登记部门”、“身份为管理员”，公司A(数据提供方)在共享数据前，需构建加密策略，实现访问控制。如访问控制策略设置为“允许属性为满足(‘身份为管理员’or‘大兴国际机场或者天河机场’)and(‘登记部门’or ‘安检部门’or‘到达部门’)”则允许公司B的登记部门进行解密。而客户隐私数据包括姓名、客户手机号、出发地、目的地、出发日期、物品重量、物品类型、物品初始图像等，经过CP-ABE加密后，请求上传到IPFS集群中，保证数据的安全存储。

1、此后加密隐私数据被上传到位于边缘节点的IPFS集群，并将返回的地址Hash和数据关键词汇总后上传联盟链网络以便于检索及记录。根据地址hash能够在IPFS中查询存储的数据。同时IPFS 使用版本控制历史记录删除重复的Hash。公司A从IPFS集群中获取返回的地址hash后，将RFID ID、数据关键词和地址Hash一起写入RFID标签并上传到联盟链网络中。联盟链网络中的其他成员可根据RFID ID、数据关键词或者地址Hash在区块链中检索数据。所述返回的地址Hash、数据关键词存入物品对应的RFID标签的User区，且RFID标签的标签识别码TID、电子产品代码EPC以及User区的数据之间存在唯一对应关系，从物理角度确保一物一码。

二、流转中。当行李经过各部门被处理时，行李实时处理信息通过自动上链程序调用智能合约请求上链。智能合约核对RFID ID、数据关键词、地址Hash，若一致则将实时处理信息存入联盟链网络。而后，智能合约对各节点上传流程信息进行融合，最终成为以RFIDID为键、以实时处理信息(处理时间、处理人、当前位置、即将发往位置)、地址Hash、数据摘要为值的键值对，并写入区块链账本。

三、流转后。若公司B及客户请求物品实时处理信息，则根据RFID ID调用智能合约进行查询可以获取物品实时位置及处理信息，同时智能合约将分别统计每件物品的查询请求次数。客户可以根据RFID ID对行李的实时处理信息进行查询，缓解等候的焦虑，同时每件行李的查询次数也会被记录到联盟链。

最后，若公司B希望请求客户隐私数据，其需要根据RFID ID在联盟链中查询到对应IPFS集群的hash地址，在IPFS集群中下载加密的客户隐私信息文件。当且仅当公司B的属性符合公司A设置的访问控制策略时，公司B可以对客户隐私信息文件进行解密，从而获取用户隐私文件。

Claims (7)

1.一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于包括以下内容：本方法以登记、分拣、安检、装车、到达各部门为节点搭建一条联盟链，并在边缘节点上部署IPFS集群；登记节点采集客户隐私数据，通过ABE加密算法将客户隐私数据加密后存储于部署边缘节点的IPFS集群，仅将返回的Hash值以及数据摘要存储于区块链以增强区块链系统的可扩展性，同时设置访问控制策略，仅有属性符合控制策略的部门可以解密获取旅客隐私数据，提供细粒度的访问控制；RFID设备将物品经过登记、分拣、安检、装车、到达各部门的实时处理信息自动录入到区块链进行数据存储和共享，一个物品对应唯一一个RFIDID；采用多通道的架构实现针对不同公司业务进行物理隔离，实现粗粒度隐私保护；每个通道内部署对应的智能合约，实现数据管理、共享控制管理功能；具体包括以下步骤：

步骤1：以登记、分拣、安检、装车、到达各部门为节点搭建一条联盟链，并在边缘节点上部署IPFS集群；

步骤2：客户隐私数据通过ABE属性基加密算法加密，根据公司B即数据请求方的属性分配密钥，同时构建访问控制策略；

步骤3：加密后的隐私数据存储到部署于边缘节点的IPFS集群进行链外存储，并将返回的地址Hash和数据关键词汇总后上传联盟链网络，并且写入RFID标签；

步骤4：通过RFID技术调用智能合约将行李实时处理信息自动上链，智能合约将实时处理信息与之前存储在区块链中的地址Hash和数据关键词汇总，在经过一个完整的登记、分拣、安检、装车、到达业务流程后，一件物品形成以唯一的RFID为键、以地址Hash、数据关键词、各环节实时处理信息为值的物品完整信息；

步骤5：物品信息追踪：根据RFID ID或者数据关键词在基于联盟链的数据共享平台进行查询获取物品实时处理信息，同时智能合约将分别统计每件物品的查询请求次数。

2.如权利要求1所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于，所述的通过ABE属性基加密算法加密过程如下：

步骤2.1：初始化CP-ABE加密算法生成公钥和主密钥；

步骤2.2：根据公司B即数据请求方的各个属性分配对应私钥；

步骤2.3：公司A即数据提供方在共享数据前，构建加密策略，实现访问控制；根据所设置的加密策略对于隐私数据进行加密。

3.如权利要求1所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤，

步骤3.1：加密后的客户隐私数据被上传到IPFS集群中进行链外存储；

步骤3.2：IPFS集群会给用户返回数据存储的地址hash，根据地址hash在IPFS集群中查询存储的数据；同时IPFS使用版本控制历史记录删除重复的Hash；

步骤3.3：公司A从IPFS集群中获取返回的地址hash后，将RFID ID、数据关键词和地址Hash一起写入RFID标签，并且上传到联盟链网络中；联盟链网络中的其他成员根据RFIDID、数据关键词或者地址Hash在区块链中检索数据。

4.如权利要求3所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于：所述返回的地址Hash、数据关键词存入物品对应的RFID标签的User区，且RFID标签的标签识别码TID、电子产品代码EPC以及User区的数据之间存在唯一对应关系，从物理角度确保一物一码。

5.如权利要求1所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于，步骤4实时信息自动上链前，需要对当前物品进行信息核对，具体过程为：首先，当标签经过登记、分拣、安检、装车、到达各部门被处理时，通过自动上链程序请求调用智能合约将实时处理信息进行上链；然后，智能合约对经由RFID上传的信息中的RFID ID、数据关键词、地址Hash与联盟链中的之前记录的RFID ID、地址Hash和数据关键词汇进行核对，若一致则将实时处理信息与之前存储的RFID ID、地址Hash和数据关键词汇总后形成完整信息存入联盟链网络，若不一致则返回错误提示。

6.如权利要求1所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于：所述物品完整信息包括两部分，第一部分为隐私数据，包括客户姓名、客户手机号、出发地、目的地、出发日期、物品重量、物品类型、物品初始图像，在登记时采集并经过ABE加密后上传IPFS集群进行链外存储，仅将地址Hash及数据关键词上传联盟链进行记录以及检索；第二部分为实时处理信息，在步骤4产生，包括处理时间、处理人、当前位置、即将发往位置。

7.如权利要求1所述的一种基于RFID和混合区块链-边缘架构的物品追踪方法，其特征在于，公司B即数据请求方可以请求客户隐私数据，具体过程包括：

首先公司B根据RFID ID在联盟链中查询到对应IPFS集群的hash地址；

其次公司B在IPFS集群中下载加密的客户隐私信息文件；

最后当且仅当公司B的属性符合公司A设置的访问控制策略时，公司B可以用自己的私钥对客户隐私信息文件进行解密。

Images