CN113328935A - 基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统 - Google Patents

基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，由第一区块链(1)和第二区块链(2)组成。第一区块链的部分生产端数据节点(11)与第二区块链的部分消费端数据节点(21)通过链间广播节点(3)通信；当生产端设备成为第一区块链的生产端数据节点后，注册至该生产端设备的所有消费端设备成为第二区块链的消费端数据节点。当消费端数据节点发送的消费数据超过预定通量值时，激活通量控制逻辑，通量控制逻辑启用预定的安全通量控制策略；通量控制逻辑还包括动态高通量机制，主动监视第二区块链吞吐量利用率并且对其进行调整。本发明实现了工业互联网环境下的生产数据和消费数据的通量控制通讯并且安全可追溯。

Description

基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统。
背景技术
随着第四次工业革命的发展，工业互联网将推动工业制造向信息 化、数字化、智能化发展。从国际来看，各个国家持续加大了对工业 互联网的重视和投入。
工业互联网通过构建连接机器、物料、人、信息系统的基础网络，实现了人、机器、产品和服务的泛在互联，为传统工业的发展提供了新动力，正成为当前研究的前沿热点。区块链技术作为比特币、以太坊等数字加密货币的核心技术，能够通过分布式节点的验证和共识机制解决去中心化系统节点间信任建立的问题，实现去中心化、分布式的信任建立机制，从而在信息传输的同时完成价值的转移，能够实现当前网络架构由“信息互联网”向“价值互联网“的重大转变。
申请号为CN202010787893.4的中国发明专利申请提出一种基于区块链技术的配电网物资质量数据高可靠实时管控方法，包括如下步骤：步骤S10，利用区块链技术建立配电网物资质量管控流程；步骤S20，建立多维数据源的配电网物质质量管控数据区块链；步骤S30，配电网物质质量管控数据区块链上链；步骤S40，建立配电网物资质量管控智能合约；步骤S50，建立配电网物资质量管控业务应用平台和溯源区块链浏览器。该发明可以对配电网物资质量管控全过程进行跟踪溯源，所有的数据均按照统一的流程和要求进行上链操作，保证了全面监控物资质量，并且如果发现了问题，也可以更快的追溯来源。
申请号为CN202010664140.4的中国发明专利申请提出一种基于区块链技术的智能电网数据治理架构，架构建设的目的是保障数据完整性、规范性、一致性、准确性和安全性，并提高数据质量，形成数据资产，确保在数据产生过程中，保障数据源头的真实性和可追溯性；在数据交换和流通过程中，确保数据安全并保护隐私。
然而，大多数工业系统设备的资源有限，包括带宽，计算和内存，这与复杂区块链解决方案的要求相悖；工业互联网现场设备层的数据来源和数据需求可能有成百上千个，而异构网络环境下的节点需要对新挖出区块里所包含交易的正确性以及时序达成一致。如何降低区块内部以及区块之间数据交换的时延，以实现有效数据交换是一个比较大的挑战；虽然区块链提供了工业互联网中有效的数据安全和隐私保护技术，但同时也面临诸多挑战，包括复杂性、带宽和延迟开销以及可扩展性等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，由第一区块链和第二区块链组成。第一区块链的部分生产端数据节点与第二区块链的部分消费端数据节点通过链间广播节点通信；当生产端设备成为第一区块链的生产端数据节点后，注册至该生产端设备的所有消费端设备成为第二区块链的消费端数据节点。当消费端数据节点发送的消费数据超过预定通量值时，激活通量控制逻辑，通量控制逻辑启用预定的安全通量控制策略；通量控制逻辑还包括动态高通量机制，主动监视第二区块链吞吐量利用率并且对其进行调整。
具体而言，本发明的技术方案实现如下：
一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，所述系统由第一区块链和第二区块链组成。
其中，所述第一区块链包括第一数量的生产端数据节点，所述第二区块链包括第二数量的消费端数据节点；
在两部分区块链之间，所述第一区块链的至少部分生产端数据节点与所述第二区块链的至少部分消费端数据节点通过链间广播节点通信；
所述第一区块链还包括第一广播节点和第一数据过滤节点；
所述第二区块链同时包括第二广播节点；
多个生产端设备通过工业互联网通信并产生生产端数据；
每个生产端设备将产生的生产端数据通过所述第一广播节点广播给所述第一区块链中的所有生产端数据节点后，响应于所述生产端数据节点的积极反馈，该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点；
所述第二区块链的第一消费端数据节点产生消费数据后，发送至所述第一区块链的所述第一数据过滤节点，所述第一数据过滤节点将过滤后的消费数据分发至所述第一区块链的目标生产端数据节点；
所述目标生产端数据节点为与所述第一消费端数据节点存在数据映射关系的生产端数据节点。
所述链间广播节点包含通量控制逻辑；
当所述消费端数据节点发送的消费数据超过预定通量值时，激活所述通量控制逻辑，所述通量控制逻辑启用预定的安全通量控制策略。
所述第一数据过滤节点执行轻量级共识算法，限制所述第二区块链的第一消费端数据节点产生的消费数据发送至所述目标生产端数据节点之后生成的数据块的大小。
本发明实现了工业互联网环境下的生产数据和消费数据的通量控制通讯并且安全可追溯，同时，实现了对不同区块链内不同资源能力的设备设计了相应的区块链操作。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明一个实施例的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统的整体结构图
图2是图1所述系统中第一区块链与第二区块链的数据节点示意图
图3是图1所述系统中第一区块链与第二区块链的链间通讯示意图
图4是图1所述系统中产生第一区块链和第二区块链的流程示意图
图5是图1所述第一区块链创建和第二区块链新增节点流程示意图
图6是图1所述系统在生产端和消费端的终端设备布局连接示意图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
参照图1，是本发明一个实施例的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统的整体结构图。
一般认为，区块链是一种融合多种现有技术的新型分布式计算和存储范式。它利用分布式共识算法生成和更新数据，并利用对等网络进行节点间的数据传输，结合密码学原理和时间戳等技术的分布式账本保证存储数据的不可篡改，利用自动化脚本代码或智能合约实现上层应用逻辑。
工业控制系统的网络互连、工业数据的互通及系统安全是工业互联网发展过程中需要高度关注的方面，区块链技术存在去中心化、不可篡改、不可删除、低成本等特点，能够解决发展过程中的痛点问题。
利用区块链的链式存储结构，能够全面记录工业互联网企业在生产、经营过程中产生的数据，使数据不可篡改，从而保证数据的真实可信，有利于工业互联网企业降低成本，提高效率。应用区块链技术的可信协作和隐私保护的优势，在数据确权、确责及交易等方面能够与工业互联网进行深度融合，从而促进工业生产向数字化、网络化及智能化方向转型。
然而，在工业互联网区块链中，添加一个新块需要解决计算要求高、难以求解且易于验证的难题。参与共识算法所需的计算资源具有异构、分布、低功耗的特点，这限制了数据采集节点可挖掘块的数量。
为此，在图1中，该基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统包括两个不同级别的区块链，分别为第一区块链1和第二区块链2；第一区块链1和第二区块链2之间通过通过链间广播节点3通信；
更具体的，第一区块链1包括至少一个生产端数据节点11；第二区块链2 包括多个消费端数据节点22。
在本发明的各个实施例中，生产端数据节点与生产端设备对应，消费端数据节点与消费端设备对应。这里的生产端设备，主要是现场生产数据，包括现场逻辑控制器(PLC)连接的多种现场数据产生设备，例如现场电力设备、现场无线数据采集传感器、现场自适应控制数据；消费端设备则是对应于生产端设备的自主控制设备，包括接收生产端设备实时或者周期性发送的生产端数据对其进行处理的移动终端、服务器、桌面终端和管理终端等，具体在后续实施例中将举例说明。
为了确保区块链的可伸缩性，并减少网络开销延迟，将设备或计算单元节点按聚类分组，每个聚类选择簇头(Cluster Head，CH)，并负责相对应区块链的管理。
在图1基础上，继续参见图2。
所述系统包括至少一个生产端设备与多个消费端设备，多个消费端设备注册至一个生产端设备；
在图2中，所述第一区块链的至少部分生产端数据节点与所述第二区块链的至少部分消费端数据节点通过链间广播节点通信；
更具体的，参见图2，所述第一区块链的每个所述生产端数据节点与所述第二区块链的第三数量的消费端数据节点存在所述数据映射关系。
作为一般性的例子，所述第一区块链包括第一数量的生产端数据节点，所述第二区块链包括第二数量的消费端数据节点；
所述第一数量小于所述第二数量；
优选的，所述第二数量为第一数量的整数倍。
所述第一区块链还包括第一广播节点和第一数据过滤节点；
多个生产端设备通过工业互联网通信并产生生产端数据；
每个生产端设备将产生的生产端数据广播给所述第一区块链中的所有生产端数据节点后，响应于所述生产端数据节点的积极反馈，该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点；
所述第二区块链的第一消费端数据节点产生消费数据执行过滤操作，所述第一数据过滤节点将过滤后的消费数据分发至所述第一区块链的目标生产端数据节点；
所述目标生产端数据节点为与所述第一消费端数据节点存在数据映射关系的生产端数据节点。
在上述实施例中，所述数据映射关系基于所述注册建立。
接下来参见图3，在图3中，第一区块链和第二区块链之间通过通过链间广播节点通信。
并且，所述链间广播节点包含通量控制逻辑；当所述消费端数据节点发送的消费数据超过预定通量值时，激活所述通量控制逻辑，所述通量控制逻辑启用预定的安全通量控制策略。
在图1-图3基础上，参见图4。
所述系统包括至少一个生产端设备与多个消费端设备，多个消费端设备注册至一个生产端设备；
每个生产端设备将产生的生产端数据通过所述第一广播节点广播给所述第一区块链中的所有生产端数据节点后，响应于所述生产端数据节点的积极反馈，该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点；
当生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点后，注册至该生产端设备的所有消费端设备成为所述第二区块链的消费端数据节点。
此时，所述第二区块链的第一消费端数据节点产生消费数据后，发送至所述第一区块链的所述第一数据过滤节点，所述第一数据过滤节点将过滤后的消费数据分发至所述第一区块链的目标生产端数据节点。
具体而言，所述第一数据过滤节点执行轻量级共识算法，限制所述第二区块链的第一消费端数据节点产生的消费数据发送至所述目标生产端数据节点之后生成的数据块的大小。
同时，在上述实施例中，所述通量控制逻辑包括动态高通量机制，所述动态高通量机制主动监视第二区块链吞吐量利用率并且对其进行调整。
图5是图1所述第一区块链创建和第二区块链新增节点流程示意图。
在图5中，创建所述第一区块链的第一共识算法和第一智能合约，然后预先建立所述第一区块链，将第一生产端设备作为所述第一区块链的创世生产端数据节点。
接下来，每个生产端设备将产生的生产端数据通过所述第一广播节点广播给所述第一区块链中的所有生产端数据节点；
如果第一区块链中的所有所述生产端数据节点产生积极反馈，该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点；
相对应的，当生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点后，注册至该生产端设备的所有消费端设备成为所述第二区块链的消费端数据节点。
在上述实施例中，作为优选，所述生产端数据节点的积极反馈包括：
所述第一区块链中的超过预定比例的生产端数据节点同意该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点。
与第一区块链的预先建立过程同步执行的还有所述第二区块链的建立，即预先建立所述第一区块链时同时创建所述第一区块链的第一共识算法和第一智能合约，基于所述第一共识算法和第一智能合约，确定所述第二区块链的第二共识算法和第二智能合约。
最后参见图6，图6是图1所述系统在生产端和消费端的终端设备布局连接示意图。
在图6中，工业互联网通过互联网给所述区块链提供服务，不同的区块链共享的服务包括云存储服务器、安全密钥分发器以及共识算法。
在第一区块链中，生产端设备在现场生产数据，包括与现场逻辑控制器 (PLC)连接的多种现场数据产生设备，例如现场电力设备、现场无线数据采集传感器、现场自适应控制数据；消费端设备则是对应于生产端设备的自主控制设备，包括接收生产端设备实时或者周期性发送的生产端数据对其进行处理的移动终端、服务器、桌面终端和管理终端，可以分为消费服务终端、消费存储终端和消费管理终端，均通过第二区块链的第二广播节点连接至链间广播节点。
接下来简单介绍上述实施例中使用的通量控制逻辑以及轻量级共识算法的实现原理。当然，该介绍仅仅是原理性的，并不构成本发明的限制。
本发明提出的轻量级共识算法适用于工业互联网环境下的区块链。该算法必须确保在节点之间随机选择块生成器，并限制它可以生成的块的数量。
为了在块生成器之间引入随机性，每个区块的聚类选择簇头(CH)必须在生成新块之前等待一个随机周期T。由于每个CH的等待时间段不同，该CH可能会收到由另一个CH创建的新块，其中可能包含当前交易池中的部分或全部交易。这种情况下，该CH必须从它的区块中删除这些交易，并请求其他CH等待一定时间以求达到同步。最大等待时间的上限是设备最大端到端延迟的两倍。共识期的默认最大值为5min。
共识周期的最小值等于网络中节点间最大端到端延迟的两倍，以确保有足够的时间来传播由其他聚类中心生成的新块。为防止某一CH始终声称等待时间较短，邻居节点会经常监视其在等待期间生成新块的频率。这些块的数量超过阈值(根据网络环境和性能需要设定)，CH会丢弃他们邻居节点生成的块。区块链上每一个CH节点必须验证从其他节点接收的新块，然后再将其附加到链上。为了验证块，CH首先验证块生成器的签名。算法1概述了验证单个交易(X)的过程。
算法1共识算法。
输入：交易(X)；
输出：True或False。
请求者验证：
1：如果当前请求验证Hash值与前一块尾Hash值不同，则返回False；
2：如果当前请求验证的签名不通过，则返回False。
输出验证：
3：如果交易(X.output[0]－(X－1).ou tput[0])+(X.output[1]－(X－1).output[1])＞1)表明区块链接受的成功交易具有重复区块，则返回False。
被请求者验证：
4：如果被请求者当前交易签名验证不通过，则返回Flase；
否则，该交易达成共识，验证通过。
其中output[0]为成功接受的交易事务数量；
output[1]为被拒绝丢弃的交易事务数量。
在此基础上，进一步实现动态高通量管理(Dynamic High throughputManagement，DHM)机制，以主动监视区块链吞吐量利用率并且适当对其进行调整，以确保它保持在可接受的范围。
具体而言，在某个共识期结束时，每个CH计算利用率θ＝(
θmin，θmax)作为生成的新交易总数与添加到区块链交易总数的比率。假设网络具有N个节点，C为共识效率，其中M是聚类后的 CH数量，S表示节点每秒产生交易的平均速率，T为所述的等待周期。则区块链利用率
Figure BDA0003075785730000111
式(1)表明有两种方法可以调整利用率：
①改变共识周期T，该值会根据相应工业互联网络延时及区块链区块生成频率确定；
②改变M。由于每个CH可以在共识期内产生一个块，如果重新调整节点聚类状态，则会产生更大的开销。
因此，如果θ超过θmax，采用第①种模式，DHM检查是否可以减少共识周期，并确保θ取值在期望范围的中值附近。相反，如果不能减少共识周期，则重新聚类调整CH及节点的集群关系，从而实现LHBC 的扩展。本实施例将共识周期重置为默认值，否则它将保持在最小阈值不变，因此如果利用率增加到其阈值以上，则启动网络重新配置，其中参与节点数量的增加可提供更高的吞吐量。当利用率下降到θmin以下时，采用反向操作。根据以上操作可以实现对不同网络状态下区块链通量的动态管理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，所述系统由第一区块链和第二区块链组成，其特征在于：
所述第一区块链包括第一数量的生产端数据节点，所述第二区块链包括第二数量的消费端数据节点；
所述第一区块链的至少部分生产端数据节点与所述第二区块链的至少部分消费端数据节点通过链间广播节点通信；
所述第一区块链还包括第一广播节点和第一数据过滤节点；
多个生产端设备通过工业互联网通信并产生生产端数据；
每个生产端设备将产生的生产端数据通过所述第一广播节点广播给所述第一区块链中的所有生产端数据节点后，响应于所述生产端数据节点的积极反馈，该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点；
所述第二区块链的第一消费端数据节点产生消费数据后，发送至所述第一区块链的所述第一数据过滤节点，所述第一数据过滤节点将过滤后的消费数据分发至所述第一区块链的目标生产端数据节点；
所述目标生产端数据节点为与所述第一消费端数据节点存在数据映射关系的生产端数据节点。
2.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于：
所述第一数量小于所述第二数量；
所述第一区块链的每个所述生产端数据节点与所述第二区块链的第三数量的消费端数据节点存在所述数据映射关系。
3.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于：
所述系统包括至少一个生产端设备与多个消费端设备，多个消费端设备注册至一个生产端设备；
当生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点后，注册至该生产端设备的所有消费端设备成为所述第二区块链的消费端数据节点。
4.如权利要求1或2所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于：
所述第二数量为第一数量的整数倍。
5.如权利要求1或2所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
所述链间广播节点包含通量控制逻辑；
当所述消费端数据节点发送的消费数据超过预定通量值时，激活所述通量控制逻辑，所述通量控制逻辑启用预定的安全通量控制策略。
6.如权利要求1或2所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
所述生产端数据节点的积极反馈包括：
所述第一区块链中的超过预定比例的生产端数据节点同意该生产端设备成为所述第一区块链的生产端数据节点。
7.如权利要求1-3任意一项所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
所述第一数据过滤节点执行轻量级共识算法，限制所述第二区块链的第一消费端数据节点产生的消费数据发送至所述目标生产端数据节点之后生成的数据块的大小。
8.如权利要求1-3任意一项所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
预先建立所述第一区块链，将第一生产端设备作为所述第一区块链的创世生产端数据节点。
9.如权利要求8所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
预先建立所述第一区块链时同时创建所述第一区块链的第一共识算法和第一智能合约，基于所述第一共识算法和第一智能合约，确定所述第二区块链的第二共识算法和第二智能合约。
10.如权利要求5所述的一种基于工业互联网的分布式安全追溯区块链系统，其特征在于:
所述通量控制逻辑包括动态高通量机制，所述动态高通量机制主动监视第二区块链吞吐量利用率并且对其进行调整。
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