CN113792325A - 基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法 - Google Patents

基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法 Download PDF

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Abstract

基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，属于通信控制技术领域，包括以下步骤：步骤1，建立物联网平台；步骤2，注册阶段；步骤3，用户模块收集资料并上传至区块链模块；步骤4，分析回复阶段：观察者模块通过智能合约从区块链模块内收集到影像资料、用户身体资料或环境资料，出具分析报告，对分析报告使用观察者模块的私钥和观察者模块的私钥签章进行加密后，分别传送给区块链模块、中心平台和用户模块。因此，本方案使用私钥签章技术保护身份识别与资料不可否认性的需求，并且将资料和私钥签章保存至资料库与区块链，且依靠区块链的分散技术，实施分散式管理，降低资料被攻击的风险。

Description

基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法
技术领域
本发明属于通信控制技术领域，具体涉及为基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法。
背景技术
在物联网系统的架构中，物联网设备的资料进行集中式管理。而在网络发达的时代，处处都有危机，每个时间节点都会有恶意人士发起恶意攻击。物联网中心平台一旦被攻击，整个平台可能处于瘫痪状态，敏感的信息或数据也会外泄或者窜改。
区块链具有去中心化、分散和不可篡改的优点，提供不需要第三方信任的网络也能做交易的网络环境。
为了确保物联网设备的资料在传输的过程中不被恶意攻击者窥视或者避免节点遭到冒用，必须对资料传输过程进行加密保护。因此，将区块链技术应用于物联网中心平台，通过区块链的去中心化特征消除物联网中心平台的原有管理模式，并且在区块链内的资料都将会是哈希值从而避免资料遭到篡改或是外泄。并且，区块链的共识机制可以维持系统的稳定性。
因此，有必要运用区块链技术以解决上述问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法。
为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。
基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，包括以下步骤：
步骤1，建立物联网平台；所述物联网平台包括用户模块、区块链模块、观察者模块和中心平台；
步骤2，注册阶段：判断传感器是否已经成为区块链模块中的用户：是用户则用户模块搜集资料并进行步骤3，不是用户则进行注册阶段；
步骤3，用户模块收集资料并上传至区块链模块；如果资料是影像资料，则不执行加密直接通过区块链模块回传给观察者模块；
否则继续判断资料是否是用户身体资料；当资料是用户身体资料，则运用身份加密技术、哈希函数以及签章后，通过区块链模块回传给观察者模块；
否则附上用户模块的私钥签章后传给观察者模块；
步骤4，分析回复阶段：观察者模块通过智能合约从区块链模块内收集到影像资料、用户身体资料或环境资料，出具分析报告，对分析报告使用观察者模块的私钥和观察者模块的私钥签章进行加密后，分别传送给区块链模块、中心平台和用户模块。
步骤1中，所述用户模块内设传感器，包括获取用户身体资料的穿戴设备、获取影像资料的监控设备和获取环境资料的环境传感器；所述穿戴设备、监控设备和环境传感器均与区块链模块通信连接；所述用户模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述区块链模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述观察者模块通信连接有中心平台；
所述中心平台设置有资料库。
步骤2中，注册阶段包括以下步骤：
步骤201.观察者模块向用户模块提供自己的公钥和身份标识；
步骤202.中心平台向用户模块提供自己的公钥和身份标识；
步骤203.用户模块使用自身的身份标识产生一组密钥对，其中包括授权证明和时间戳；
步骤204.用户模块传送自身的公钥、身份标识和授权证明给观察者模块；
步骤205.用户模块传送自身的公钥、身份标识和授权证明给和中心平台；
步骤206.中心平台传送用户模块的公钥、身份标识和授权证明给资料库并存储；
步骤207.观察者模块将用户模块的公钥、身份标识和授权证明传送到区块链模块并存储。
步骤2中，监控设备收集影像资料并通过互联网上传至区块链模块；穿戴设备收集用户身体资料，并通过手机上传至区块链；环境传感器收集环境资料并通过互联网上传至区块链。
步骤3中，当资料是用户身体资料，使用用户模块的私钥sku进行加密Ensku（H（msgu）,Signatureu）后传给观察者模块，其中Signatureu=Ensku（H（msgu））；其中，Ensku()，为使用用户模块的私钥对资料进行加密；H(msgu)，为使用哈希函数加密过后的用户资料；Signatureu，为资料使用用户模块的私钥签章。
步骤4中，区块链模块中，每个区块都包含前一区块的哈希值、观察者模块私钥签章、记录内容和时间戳；
记录内容，包括中心平台身份标识、观察者模块身份标识、用户模块身份标识、分析报告、用户模块公钥、观察者模块公钥、时戳标记和用户模块私钥签章。
因此，本方案使用私钥签章技术保护身份识别与资料不可否认性的需求，并且将资料和私钥签章保存至资料库与区块链，且依靠区块链的分散技术，实施分散式管理，降低资料被攻击的风险，且在区块链网络中用户可在不同节点对资料进行修改。
附图说明
图1是本发明的架构图；
图2是步骤2的流程示意图；
图3是步骤3的流程示意图；
图4是步骤4的流程示意图；
图5是本发明的流程示意图。
具体实施方式
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、完整地描述。
穿戴设备会收集用户的血压、心跳等用户资料，监控设备获取影像资料，环境传感器会收集气温、湿度等环境资料，上述资料传送给观察者模块和中心平台，但是这些资料在传送的过程中容易遭受恶意攻击，例如窃取、窜改等。为了避免传感器收集的资料外泄或者遭受恶意攻击，必须在提高资料传送的安全等级。
除了在资料传送的过程中使用用户的公私密钥对进行加密，运用区块链分散式账本将传感器资料存储至区块链里面，且依靠低消耗高效率的共识机制DPoS去运算哈希函数进入链中所需要的哈希值并维持平台的稳定。
参与共识机制DPoS的节点包括参与区块链记录的观察者模块和中心平台；而在去中心化部分是所有节点共同去认证交易以及检视，因此也去除需要可信任第三方去验证系统内双方交易过程。而在传输过程中运用签章方法证明此笔交易纪录是正确的人所传递的，达到资料的正确性并且也达到不可否认性。并且观察者将会通过智能合约(SmartContract)存取到链上用户的资料，并且将对用户资料的分析报告透过智能合约(SmartContract)的方式将资料进行上链动作并且随后存入区块链。
如图5所示，本方案的整体思路为：用户模块上传用户资料，使用用户模块私钥sku对上传资料做身份加密(Identity Based Encryption，IBE)加密；观察者模块在接收到资料会对该用户资料进行分析判断后作出分析报告，然后将用户资料和分析报告以观察者的sko加密，然后将用户资料和分析报告存储于中心平台的资料库；然后通过智能合约将用户资料和分析报告传送到区块链模块，并进行存储记录，同时将分析报告发送给用户模块。
基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，包括以下步骤：
步骤1，建立物联网平台；如图1所示，所述物联网平台包括用户模块、区块链模块、观察者模块和中心平台；
所述用户模块内设传感器，包括获取用户身体资料的穿戴设备、获取影像资料的监控设备和获取环境资料的环境传感器；所述穿戴设备、监控设备和环境传感器均与区块链模块通信连接；所述用户模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述区块链模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述观察者模块通信连接有中心平台；
所述中心平台设置有资料库。
步骤2，注册阶段：判断传感器是否已经成为区块链模块中的用户：是用户则用户模块搜集资料并进行步骤3，不是用户则进行注册阶段并进行以下步骤；如图2所示，
步骤201.观察者模块向用户模块提供自己的公钥pko和身份标识IDo；
步骤202.中心平台向用户模块提供自己的公钥pkc和身份标识IDc；
步骤203.用户模块使用自身的身份标识IDu产生一组密钥对（pku，sku），其中包括授权证明authorityu和时间戳Timestamp。
步骤204.用户模块传送自身的公钥pku、身份标识IDu和授权证明Authorityu给观察者模块。
步骤205.用户模块传送自身的公钥pku、身份标识IDu和授权证明Authorityu给和中心平台。
步骤206.中心平台传送用户模块的公钥pku、身份标识IDu和授权证明Authorityu给资料库并存储。
步骤207.观察者模块将用户模块的公钥pku、身份标识IDu和授权证明Authorityu传送到区块链模块并存储。
步骤3，用户模块收集资料并上传至区块链模块：如图3所示，
监控设备收集影像资料并通过互联网上传至区块链模块；穿戴设备收集用户身体资料（例如心率、运动信息、睡眠质量），并通过手机上传至区块链；环境传感器收集环境资料（如气温、湿度）并通过互联网上传至区块链；
用户模块收集的资料上传时，对资料进行判断：
如果资料是影像资料，则不执行加密直接通过区块链模块回传给观察者模块，即直接上传影像msg（image）；
否则继续判断资料是否是用户身体资料；由于用户身体资料是敏感信息，因此，当资料是用户身体资料，则运用身份加密技术、哈希函数以及签章后，通过区块链模块回传给观察者模块。具体的，使用用户模块的私钥sku进行加密Ensku（H（msgu）,Signatureu）后传给观察者模块，其中Signatureu=Ensku（H（msgu））；其中，Ensku()，为使用用户模块的私钥对资料进行加密；H(msgu)，为使用哈希函数加密过后的用户资料；Signatureu，为资料使用用户模块的私钥签章。
否则附上用户模块的私钥签章后传给观察者模块。其中，使用用户模块的私钥签章Signatureu=Ensku（H（msgu））。
观察者模块通过智能合约从区块链模块内收集到影像资料、用户身体资料或环境资料。
步骤4，分析回复阶段：如图4所示，观察者模块通过智能合约从区块链模块内收集到影像资料、用户身体资料或环境资料，出具分析报告，并将分析报告通过智能合约(SmartContract)记录在区块链，让用户模块上传的资料和分析报告同时存储于区块链模块。分析报告在传送过程中，使用观察者模块的私钥sko和观察者模块的私钥签章Signatureo进行加密，其中，Signatureo＝Ensko（H（msgo））。
观察者模块将分析报告存放到中心平台的资料库。分析报告在传送过程中，使用观察者模块的私钥sko和观察者模块的私钥签章Signatureo进行加密，其中，Signatureo＝Ensko（H（msgo））。
观察者将分析报告回传给用户，分析报告在传送过程中，使用观察者模块的私钥sko和观察者模块的私钥签章Signatureo进行加密，其中，Signatureo＝Ensko（H（msgo））。
区块链内的交易信息是所有使用者共同认证，这共识机制可以避免物联网设备传送到区块链中的资料被修改。
区块链模块中，每个区块都包含前一区块的哈希值、观察者模块私钥签章Signatureo、记录内容和时间戳Timestamp。
前一区块的哈希值，用以实现追踪交易；
观察者模块私钥签章Signatureo，代表着将资料写入此区块的观察者。
记录内容，包括中心平台身份标识IDc、观察者模块身份标识IDo、用户模块身份标识IDu、分析报告、用户模块公钥pku、观察者模块公钥pk0、时戳标记Date和用户模块私钥签章Signatureu
在区块链模块中，显示的方式是以哈希函数(Hash Function)处理过的钱包位址，区块链确保了资料的正确性，但是却遗漏了敏感资料的隐匿性，例如：运动习惯、心律、其他个人敏感信息，这些资料属于个人的隐私，因此方案中需要对这些比较需要隐私安全的资料进行加密。因此，选择了使用效能较佳且具有安全性的IBE(Identity BasedEncryption)的加密方式。
对本方案进行安全分析。
1.中间人攻击(Man-in-the-middle Attack)。
攻击者会在两端中间监听或是拦截双方的信息，并且伪冒双方信息，达成非法手段。系统中为了保护双方在交换信息时资料不会被恶意的窜改或是伪冒，在信息交换时候将信息用甲方的私钥进行私钥签章加密，乙方可以拿甲方的公钥做解密，从而比对明文信息是否相同，假设相同就可以得知信息没被窜改；反之，倘若不相等，则表示信息遭人窜改。
2.分散式阻断服务攻击(Distributed Denial of Service，DDOS)。
此种攻击是通过大量网络封包造成网络阻塞，进而造成服务器瘫痪，以达到勒索恐吓为目的。系统里中透过区块链网络，以区块链的共识机制，对网络所有节点进行验证，倘若遭受恶意使用者发动DoS 或是DDoS攻击，其他的节点也还可以继续工作，不会因为单一工作点瘫痪就造成整个系统无法运作。
3.女巫攻击(Sybil Attack)。
此种攻击为P2P网络攻击的常见形式，主要攻击手法视伪冒其他可信节点，欺骗其他节点资料。系统透过区块链共识机制 PoW的保护，要达到此攻击效果必须控制达到51%以上的节点才能够控制系统。
对本方案进行效能分析。
加密动作都会影响到整个系统效率，需要对本方案进行效能分析。
用户模块共有 3 种资料，分别为影像资料、用户身体资料、环境资料。每种资料的加密方式都有差异。
在影像资料部分，本方案将不会进行加密，原因是因为在物联网系统上实施影像加密技术，可能会容易造成系统的大量负担。
在用户身体资料部分，运用身份加密技术、哈希函数以及签章对资料提供安全性以及隐私性。
在环境资料部分，运用哈希函数以及签章这两种加密方式，原因是环境资料的隐私性要求比较低。
本方案适用的参数汇总如下：
pki，为公钥；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
ski，为私钥；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
IDi，为身份标识；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
authorityi，为授权证明；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
msg（image），为影像资料；
msgu，为用户模块收集的资料；
Enpki(msg)，为使用公钥对资料进行加密；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
Enski(msg)，为使用私钥对资料进行加密；i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
msgo，为观察者模块的资料；
H(msg)，为使用哈希函数加密过后的资料。
Signaturei，为资料使用对应者的私钥签章，i为用户模块u、观察者模块o、中心平台c。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立物联网平台；所述物联网平台包括用户模块、区块链模块、观察者模块和中心平台；
步骤2，注册阶段：判断传感器是否已经成为区块链模块中的用户：是用户则用户模块搜集资料并进行步骤3，不是用户则进行注册阶段；
步骤3，用户模块收集资料并上传至区块链模块；如果资料是影像资料，则不执行加密直接通过区块链模块回传给观察者模块；
否则继续判断资料是否是用户身体资料；当资料是用户身体资料，则运用身份加密技术、哈希函数以及签章后，通过区块链模块回传给观察者模块；
否则附上用户模块的私钥签章后传给观察者模块；
步骤4，分析回复阶段：观察者模块通过智能合约从区块链模块内收集到影像资料、用户身体资料或环境资料，出具分析报告，对分析报告使用观察者模块的私钥和观察者模块的私钥签章进行加密后，分别传送给区块链模块、中心平台和用户模块。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，步骤1中，所述用户模块内设传感器，包括获取用户身体资料的穿戴设备、获取影像资料的监控设备和获取环境资料的环境传感器；所述穿戴设备、监控设备和环境传感器均与区块链模块通信连接；所述用户模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述区块链模块通信连接有观察者模块和中心平台；
所述观察者模块通信连接有中心平台；
所述中心平台设置有资料库。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，步骤2中，注册阶段包括以下步骤：
步骤201.观察者模块向用户模块提供自己的公钥和身份标识；
步骤202.中心平台向用户模块提供自己的公钥和身份标识；
步骤203.用户模块使用自身的身份标识产生一组密钥对，其中包括授权证明和时间戳；
步骤204.用户模块传送自身的公钥、身份标识和授权证明给观察者模块；
步骤205.用户模块传送自身的公钥、身份标识和授权证明给和中心平台；
步骤206.中心平台传送用户模块的公钥、身份标识和授权证明给资料库并存储；
步骤207.观察者模块将用户模块的公钥、身份标识和授权证明传送到区块链模块并存储。
4.根据权利要求2所述的基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，步骤2中，监控设备收集影像资料并通过互联网上传至区块链模块；穿戴设备收集用户身体资料，并通过手机上传至区块链；环境传感器收集环境资料并通过互联网上传至区块链。
5.根据权利要求2所述的基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，步骤3中，当资料是用户身体资料，使用用户模块的私钥sku进行加密Ensku（H（msgu）,Signatureu）后传给观察者模块，其中Signatureu=Ensku（H（msgu））；其中，Ensku()，为使用用户模块的私钥对资料进行加密；H(msgu)，为使用哈希函数加密过后的用户资料；Signatureu，为资料使用用户模块的私钥签章。
6.根据权利要求2所述的基于区块链的物联网中心平台的自主管理方法，其特征在于，步骤4中，区块链模块中，每个区块都包含前一区块的哈希值、观察者模块私钥签章、记录内容和时间戳；
记录内容，包括中心平台身份标识、观察者模块身份标识、用户模块身份标识、分析报告、用户模块公钥、观察者模块公钥、时戳标记和用户模块私钥签章。
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