CN113626781A - 一种基于可信组的区块链高效认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可信组的区块链高效认证方法，其步骤包括：1)使用联盟链构建面向物联网应用的区块链系统；2)物联网中的节点向区块链系统进行注册，其中节点包括用户设备U和传感终端ST；选取若干注册的ST作为汇聚节点SN；3)节点U向区块链系统发起接入请求，ST接收该请求并转发给SN；SN向该ST发送进行共识的消息；4)当共识计算完成，根据共识结果确定出可信节点TST；5)将所得各TST构成一可信设备组，从组中选取一TST对U进行认证；若认证通过则将认证结果广播给组内各节点；当U移动到组内任一TST的范围时，该TST根据保存的认证结果与U提供的认证结果比对校验，若通过则为U提供数据访问服务。

Description

一种基于可信组的区块链高效认证方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于可信组的区块链高效认证方法。

背景技术

物联网(Internet of Things，IOT)在日常生活中连接数量众多的智能设备，例如各类传感终端以及摄像头、空调、电灯等智能家电。近年来，5G的兴起推动了IOT领域的发展。物联网领域通信和处理的信息大多涉及用户隐私和设备运行数据，身份认证作为物联网系统安全防护的第一道关卡，成为研究热点。

在物联网领域，身份认证的瓶颈主要体现在性能和安全两个方面：(1)低计算能力、低能源的传感器设备组成了物联网系统，这类设备将大量资源用于应用业务，其投入安全防护的资源十分有限，必须寻求在受限的硬件资源条件下实现终端设备安全认证的方案。(2)传统的网络大多采用中心化的体系架构，由一个高性能中心节点(比如服务器)来存储和处理终端设备信息，网络中所有节点都需要与中心节点进行通信。这种架构适用于高资源集群系统，但是在资源受限的物联网系统中应用会存在中心节点流量拥塞导致较大网络延迟的性能问题。另外，中心化的管理方式普遍面临中心信任的安全问题，中心节点遭受攻击会引发整个系统信息泄露。

分析物联网应用系统存在的性能问题和安全风险，安全可行的认证机制需要满足以下需求:(1)分布式认证模式替代中心化认证模式，以解决中心化信任问题；(2)不泄露身份信息；(3)接入系统中的终端设备安全可信；(4)少量终端设备被攻击不影响整个系统安全运转；(5)时延低，不影响用户体验；(6)认证机制是轻量级的，适用于资源受限的物联网终端设备。

区块链是一个去中心认证的、由保存有同样信息的大量网络节点组成的分布式系统，可解决中心化管理方式带来的性能问题和安全问题，提高系统可靠性和健壮性，为设备和用户的身份认证提供了一个可行的解决方案。

虽然传统区块链的安全特性可满足物联网应用系统安全认证的部分需求，但共识机制及密码算法的运行仍需消耗大量存储资源、计算资源和网络资源，超出终端设备的能力。同时，区块链的安全机制会引起较大网络时延，用户体验差，不能满足系统实时性要求。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于区块链的网络分组可信认证方案。本发明是一种基于区块链的动态可信轻量级认证机制，尽可能在系统安全和设备性能开销之间取得平衡，以适应设备和用户身份认证的需求。认证方案基于多个物联网感知应用系统共同构建区块链的场景，未授权的终端设备和用户不可加入区块链，因此公有链的架构不适用于物联网环境。本发明使用联盟链构建面向物联网应用的区块链系统。

本发明所设计的认证机制如图1所示。区块链系统由物联网中的所有实体设备组成。设备类型包括三类：(1)汇聚节点(SN，Sink Node)，感知设备的管理控制节点，通常是服务器、计算机或网关等设备；(2)传感终端(ST，Sensor Terminal)，传感设备，可通过Wifi、Zigbee或有线网络与汇聚节点连接；(3)用户设备(U，User Device)，用户的手机、平板电脑等访问控制终端设备。各设备间可以相互通信，SN和ST是区块链系统共识的主体。用户设备作为客体向区块链提出访问请求。当一个新的用户请求访问控制ST时，需要向区块链进行注册，区块中存储的注册信息同步更新。

网络中包含大量节点，为了确保用户访问认证的高效以及网络的可扩展，本发明使用联盟链构建面向物联网应用的区块链系统对节点进行分组管理，即按可信组动态管理，如图2所示。在分布式网络中，用户访问终端时需要频繁与不同的终端设备进行认证，认证开销大，影响用户体验。因此，建立可信的传感设备组为用户提供认证访问服务。用户只需与可信组内终端进行一次认证，可在可信组内所有终端设备间认证通行。由于网络中的终端设备可能存在假冒或恶意节点，对认证效率要求较高，因此本发明通过对高效的且支持拜占庭容错的PBFT共识机制进行改进，选取可信的终端设备组成一个可信设备组。可信设备组内所有终端节点信息以区块方式存储到区块链中。当用户访问需求发生变化时，参与共识的节点随之变化，可信组内成员同步更新。假设一个智能楼宇的环境是一个完全分布式的环境，用户通过身份认证后，控制所有楼道的灯都打开，灯上有相应的传感芯片，每个灯作为一个节点加入到网中，那么此时共识的节点范围为楼宇内的灯；下一次访问需求是开启用户家中所有的空调，那么共识的范围就是所有带有处理芯片的空调。

该架构的安全性体现在终端设备安全和用户认证数据安全两个方面。终端设备安全方面，只要保证划分到可信组内的设备成员是安全的，就可以在设备访问层面保证用户访问的安全性，而无需网络中所有设备终端都必须是合法可信的，从而缩小了设备终端安全保证的范围和难度。由于可信设备组的组成是动态的和无中心化的。因此，用户要进行安全可信的访问，在用户周围形成一个安全可信的可信设备组是必不可少的前提。用户隐私保护方面，采用零知识证明协议保证了用户认证过程中隐私数据的安全。

在性能方面，(1)该方案采用了基于可信设备组的分组认证机制，网络中的基本任务都由SN汇聚节点执行，更能适应大规模的区块链网络环境，比传统区块链具有更好的扩展性；(2)基于可信组的认证机制，大大减少了用户认证次数和计算开销。

本发明具有如下有益效果：

1、共识不会分叉，保证可信设备组内成员的可靠性。在PBFT机制中，若超过全网2/3的节点计算得到一致性结果，则形成对一组计算数据的共识，在一轮共识中不会出现两个不同的共识结果。本文在PBFT算法基础上提出了动态可信设备组生成算法，将发出共识结果与最后共识结果一致的设备节点纳入可信设备组内，保证组内成员设备的可信和可靠。

2、基于动态可信设备组进行用户身份认证，并将用户认证结果在DTSG组成员中进行信任传递和共享，使得可信链上的成员均能够认证该用户，减少了用户在设备间的频繁认证，实现用户平滑接入与安全访问，提高认证效率，改善了用户体验。

3、采用基于零知识证明协议，并基于DH算法进行密钥交换，保证了区块链系统运行过程中用户的隐私安全。

附图说明

图1为基于可信组的区块链认证机制图。

图2为以用户为中心的动态可信设备组认证架构图。

图3为运行原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明为一种基于可信组的区块链高效认证机制。基于可信组的区块链高效认证机制在动态可信设备组建立的基础上运行。为实现动态可信设备组的容错和快速生成，本发明提出了一种基于PBFT共识机制改进的动态可信设备组生成算法，并在该算法基础上提出基于零知识证明的身份认证方案。

1.运行原理

本节通过六部分逐步描述基于动态可信设备组的区块链高效认证机制原理，分别是：节点注册、动态可信设备组初始化申请、基于共识的可信节点(Trusted SensorTerminal，TST)选取、动态可信设备组生成、用户U与动态可信设备组成员的双向认证、U认证结果的动态可信设备组定向传递。参见图3。这里U代表用户，SN代表汇聚节点。

步骤1：节点注册。所有U和ST节点在加入区块链系统时，必须首先进行注册，获取ID。注册信息写入区块链，用于用户身份认证。本发明采用零知识证明协议验证身份，区块链系统利用DH算法与注册的用户交换密钥；从注册的ST中选取若干节点作为SN。

步骤2：可信设备组初始化申请。U发起初始接入请求(接入请求信息包括用户U的身份信息、服务类型、访问时间、访问对象范围等)，请求范围内(设定数量为n)的每一ST[i]接收并转发U的请求信息，并向SN申请服务。SN接到请求后准备可信设备组的唯一标识信息ID_可信组和密钥，同时向每一ST[i]发送进行共识的消息，i＝1～n。本发明方案采用基于PBFT的进行优化的算法共识机制运行。

步骤3：基于共识的ST选取。网络中的终端设备节点可能存在虚假或非法节点。那么如何通过共识算法选出可信安全的ST进行记账是核心问题。经典的PBFT共识运算获得的结果，决定了所有网络节点达成一致性的账本，但无法保证记录账本的节点的安全性和可靠性。本发明在PBFT基础上结合前三项研究内容的优化思想，提出可信设备组生成算法，对终端节点增加了标记为ST[i]，区分节点接收和发出的共识计算结果。当共识计算完成，通过二分法查找发出的共识结果与最终形成的一致性共识结果一样的节点ST[i]，即为本轮共识运算中提供正确共识消息的可信终端节点。

当用户访问节点的需求发生了变化，或者有新的节点加入和旧的节点退出时，需要重新进行共识运算，重新选举ST[i]。

步骤4：可信设备组构建。通过可信设备组生成算法取出所有发出正确共识消息的节点ST[i]集合，构成可信设备组。节点TST[i]集合作为区块ST[j](j＝[1..m],m＜＝n)构成基于可信设备组的区块链结构体。SN将步骤2准备的ID_可信组分配给新生成的可信设备组，组成可信设备组中的所有成员ST都是可信的，组成可信传感设备组为用户提供服务，共享可信设备组的标识ID_可信组。即可信设备组内各TST共享标识信息ID_可信组，其他未被选取的ST节点被认为不可靠节点被丢弃。需要说明的是，可信组是逻辑上的，是没有顺序和方向的，即无中心的。

步骤5：U与可信设备组内成员的双向认证。可信设备组生成后，选取其中一个成员ST[j]对用户U进行Feige-Fiat-Shamir零知识身份认证；可以是SN随机选取，也可基于信誉算法评分选取成员ST[j]。若认证通过，则该节点ST[j]将获得相应的认证结果。

考虑到用户U的移动性和访问请求的变化，共识重新运算，可信设备组成员不断更新，可能有的ST多次被选中。为提升用户体验，可以对与U进行双向认证的可信设备组中成员ST[j]的选取进行优化。本发明对可信设备组中的成员增加选取次数记录，由于它已在可信设备组中，只标记该节点ST[j]被选中的次数，不作其它处理。被选中次数最多的接入节点作为优选节点。

步骤6：U认证结果的可信设备组内定向传递。U认证结果通过区块链传播机制在具有相同可信设备组标识ID_可信组的节点TST之间传播，即可信设备组内定向传播。所有收到定向广播的接入节点TST[j](j＝[1..m],m＜＝n)将保存U的认证结果。当U移动到任意一节点TST[j]的覆盖范围内时，U直接出示认证并与接入节点TST[j]中保存的认证结果进行快速校验(无须重复完整的双向认证过程)。校验通过，则提供数据访问服务，用户将无感知地接入到下一个TST节点中，即永远处于一个可信设备组的无缝覆盖服务范围内。

随着U访问请求的变化，重复第二、三步和可信设备组成员更新，使用户获得最好的体验和高效认证的支撑。

2.动态可信设备组生成算法

在本发明涉及的物联网网络环境中，SN是所有传感设备ST的管理节点，且在实际应用中大多为经过认证的设备，可信度较高。本发明根据实际应用条件，在该集合内为每个ST进行编号，并指定SN为主节点且编号为0，其它节点ST从1开始进行编号。其中设置f为可容忍的拜占庭节点数即不可信节点数，设定当前网络中有n个节点参与运算，共识计算推选出共识节点ST[i]并构建可信设备组。随着用户访问需求的变化，当节点数量发生变动时重新计算共识和构建可信设备组。

SN收到各ST转发的U的接入请求后，开始下达指令后，该n个节点开始计算共识。共识开始时，SN作为身份验证的主节点，在pre-prepare阶段广播消息<b,r,i,d,s>，其中b是新区块，r是区块b的序号，i是节点序号，d是区块b的摘要，s是摘要的签名。当其余作为副节点的ST收到广播消息验证合法后，进入prepare阶段，副节点向区块链系统广播需要确认达成共识的消息，信息组成和上述pre-prepare阶段的一样。当每个节点累计收到2f+1条不同节点的相同prepare阶段广播的消息后，进入commit阶段，对该节点U的身份信息进行认证，广播commit消息<b’,r’,i’,d’,s’>，其中b’是新区块，r’是区块b’的序号，i’是发送广播commit消息的节点序号，d’是区块b’的摘要，s’是摘要d’的签名。每个节点收到超过2f+1条不同节点在commit阶段广播的信息后，对该区块达成共识，并回应共识结果(用于对用户需要访问控制进行验证的身份信息)给该节点U。由于在prepare阶段和commit阶段只要收到2f+1条相同的广播信息即可完成共识，网络中可能存在假冒或恶意节点，这些节点广播的信息与共识结果并不相同，因此在一轮共识完成后，SN根据开始设定的ST编号选择与共识结果一致的ST节点作为可信节点，所有的可信节点组成可信设备组为用户提供服务。如果有多个用户发起访问请求，以每个用户为单位建立起基于这个用户发起请求的交易链式数据结构，每个交易链独立维护各自数据的同步。

关键算法(可信设备组生成算法)流程如下：

Input:s_τ(ST_i)，T，ST_i，U_x(0＜i＜N，0＜x＜M))

Output:ST_k(0＜k＜N)

在算法实现中，选取计算能力和可信度都较高的设备作为SN管理节点，缩减了PBFT中管理节点计算筛选的步骤；commit阶段对终端节点设置唯一标识，reply阶段结合节点编号，通过二分法查找选择出共识计算一致的可信节点，高效构建可信设备组。

3.基于零知识证明协议和DH算法的认证方案

本发明采用基于零知识证明协议和DH算法的认证方案。Feige-Fiat-Shamir方案使用公钥密码机制，它的优点是只需要很少的模块化操作，因此，它与其他公钥算法(比如RSA)相比更快，可以在智能传感终端中嵌入的弱微处理器上实现，这很符合智能家居设备计算能力有限的场景，因此本发明选择FFS零知识证明的协议为用户身份隐私信息不被泄露提供一定保证；在密钥协商机制选择上，采用DH密钥交换算法，算法涉及模幂运算，计算复杂度较高，但认证一次产生的时间消耗不会对用户体验产生太大影响，对密钥的可靠传输也可提供更可靠的保证。所有U和ST在加入区块链前需进行注册，获取零知识证明协议和DH算法所需的公开参数信息。注册流程如下：

(1)设置一个系统安全参数X_i；

(2)计算DH算法交互参数

其中a、q为系统预置参数；

(3)生成一系列本地参数，包括：随机数r、随机符号数s(s赋值为-1或1)、s₁,s₂,…s_k；

(4)设置大整数m，计算

用于组成零知识证明的公开参数信息；

(5)组装注册信息reg＝{id,(v₁,v₂,…v_k),Y_i}向区块链网络广播，id为节点标识信息。

用户U和终端节点ST[j]的双向认证过程如下：

(1)用户U向可信设备组发送请求信息，查询获取ST[j]注册的公开参数信息，即绑定节点ST[j]的id_j生成的零知识证明公开参数s₁,s₂,…s_k和DH算法参数Y_j，向ST[j]发送用户标识id_u、时间戳t₁和随机序列值N₁；

(2)节点ST[j]收到用户U发来的消息后，随机生成二进制数串a₁,a₂,…a_k，a_k为0或1，向用户U发送该数串、节点自身id_j、时间戳t₂和序号N₂(N₂＝N₁+1)；

(3)节点ST[j]请求获取用户U的注册信息；

(4)用户U获取到节点ST[j]发送的二进制数串a₁,a₂,…a_k后，依据其注册信息随机数r和s₁,s₂,…s_k计算零知识证明参数信息，并将该信息同当前时间戳t₃、序列值N₃(N₃＝N₂+1)发送给节点ST[j]；

(5)用户U依据DH算法计算公共密钥

然后用K加密信息并发送给ST[j]；

(6)节点ST[j]收到U发送的信息后，根据零知识证明协议对U身份进行验证，若验证通过则说明用户U身份正确。节点ST[j]根据区块链获取的用户U的注册信息计算公钥

解密U的消息，并用K加密信息发送给用户U。认证结束，K即为数据交换时的会话密钥。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于可信组的区块链高效认证方法，其步骤包括：

1)使用联盟链构建面向物联网应用的区块链系统；

2)物联网中的节点在加入所述区块链系统时，首先向所述区块链系统进行注册，所述区块链系统将验证通过后的节点的注册信息写入区块链并分配节点标识ID给对应节点；其中节点包括用户设备U和传感终端ST；选取若干注册的ST作为汇聚节点SN；

3)节点U向所述区块链系统发起接入请求，该接入请求范围内的ST接收该接入请求并将其转发给SN；SN收到n个ST发送的该接入请求后生成可信设备组的唯一标识信息ID_可信组和密钥，并向该n个ST发送进行共识的消息；

4)当共识计算完成，查找发出的共识结果与最终形成的一致性共识结果相同的ST，作为可信节点TST；

5)将步骤4)所得各TST构成一可信设备组，并将所述标识信息ID_可信组分配给该可信设备组内每一TST；将步骤4)所选各可信节点TST作为区块构成一区块链结构体；

6)从该可信设备组中选取一可信节点TST[j]对该节点U进行认证；若认证通过，则该可信节点TST[j]将获得该节点U的认证结果；

7)该可信节点TST[j]将该节点U的认证结果广播给所述可信设备组内各可信节点进行保存；当该节点U移动到所述可信设备组内任一可信节点的覆盖范围内时，该可信节点根据保存的认证结果与该节点U提供的该认证结果进行比对校验，若校验通过，则为该节点U提供数据访问服务。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选取出可信节点TST的方法为：

21)首先为SN以及每个ST进行编号，并指定SN为主节点；其中设置f为可容忍的拜占庭节点数即不可信节点数，设定有n个节点参与共识运算；

22)共识运算开始时，SN作为身份验证的主节点广播消息<b,r,i,d,s>，其中b是新区块，r是区块b的序号，i是主节点SN的节点序号，d是区块b的摘要，s是摘要d的签名；

23)当各ST对收到的广播消息验证合法后向广播需要确认达成共识的消息；当每个ST累计收到2f+1条不同节点发来的需要确认达成共识的消息后，对该节点U的身份信息进行认证，并广播commit消息<b’,r’,i’,d’,s’>；其中b’是新区块，r’是区块b’的序号，i’是发送广播commit消息的节点序号，d’是区块b’的摘要，s’是摘要d’的签名；

24)当每个ST收到超过2f+1条不同节点在commit阶段广播的信息，则对该区块b达成共识，并回应共识结果给该节点U；

25)SN根据ST的编号选择与共识结果计算一致的ST节点作为可信节点。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在算法实现中，通过二分法查找选择出共识计算一致的可信节点。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，记录每一ST作为可信节点TST的次数，每次选取可信节点时，优先选取作为可信节点次数最多的ST作为当前可信节点TST。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当该节点U访问需求发生变化或者有新的节点加入或节点退出时，重新进行共识运算，生成新的可信设备组。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区块链系统采用零知识证明协议验证身份对注册信息进行验证。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区块链系统利用DH算法与注册的节点U交换密钥。

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