CN113852544A - 一种基于LoraWan和区块链的安全网关 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网技术领域，具体为一种基于LoraWan和区块链的安全网关。本发明系统架构由自下而上的终端层、网关层和服务层组成；其中，终端设备与网关设备比例根据应用场景、地理特点等因素综合考虑。本发明通过终端区块提案区分数据类型，能够摒弃冗余的报警规则引擎，减缓网络带宽的压力，提高数据的处理效率。利用LoraWan通讯协议、网关层解密、区块链节点功能分割等创新方案形成数据线下采集与线上流转的可信闭环，为建立广域安全物联网网络提供了可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种融合区块链的LoraWan安全网关。
背景技术
边缘计算网关是基于传统物联网架构发展的产物，利用“云边协同”的方式降低信息传输时延、节省云端资源开销，在工业互联网和园区办公网场景有着广阔的应用前景。
区块链技术通过密码学算法、分布式共识协议、智能合约等技术保证其安全机制，具有网络传输与访问安全、数据不可篡改的特性。因此，在边缘计算网关上引入区块链技术能够在确保数据真实可信的同时，提供一定的计算资源与数据存储能力，从而实现产业链生产要素和资源的透明化，为机构之间提供信任背书。
目前，结合区块链技术的边缘计算网关往往覆盖区块链的所有功能。尽管区块链的加密算法、分布式存储、智能合约等核心机制为该方案提供了大量的发展空间，但是区块链技术的去中心化架构也会引发一些安全问题。例如，每个网关作为一个区块链节点，如果均具备参与共识投票的功能，根据拜占庭共识算法，服务器节点的数量至少为网关节点数量的二倍才能够共同维护该条链上的分布式记录数据。在大规模应用场景下，部署大量的服务器节点会造成巨大的资源浪费。同时，如果网关设备损坏，故障节点数量的增加可能会引发数据丢失和窜写，破坏业务进展。
此外，边缘计算网关还承担着监控和管理数据的职责，提供异常情况下的报警功能。因此，边缘计算网关针对不同的终端设备都配置了相应的报警规则引擎。然而在工业场景下，终端发送数据量过大且报警触发条件十分复杂，若每个网关都按需配置报警规则引擎，就会造成判断低效、报警延迟等情况。
发明内容
本发明目的在于为解决上述问题而提供了一种基于LoraWan和区块链的高效安全网关。
本发明通过LoraWan通信、网关层解密、区块链节点功能分割等方法来保证数据从采集到上链全通路的安全性与可靠性。
本发明将区块事务提案分为自转提案和互转提案两种类型，用于区分正常数据与紧急数据。该方案摒弃了冗余的报警规则引擎，能够高效地判别紧急情况，监控指标是否超过阈值，从而触发报警和应急预案的联动等。
本发明提供的基于LoraWan和区块链的安全网关，其系统架构由终端层、网关层和服务层组成。
所述终端层，是根据实际应用场景而部署的一定数量的终端设备；在终端层中，每一个终端设备包括数据采集和处理模块、区块链事务模块、通信模块。
所述数据采集和处理模块，由数据采集单元、数据处理单元组成；数据采集单元根据传感器的特性来采集不同的环境数据，数据处理单元判断环境数据是否异常并将数据及标签发送至区块链事务模块；例如，工厂通过压力传感器采集传送带标点的压力值后，通过数据处理单元判断压力值是否出现异常；若数据处理单元判断为正常数据，则将该数据及正常标签发送到区块链事务模块；若数据处理单元判断为异常数据，则将该数据及异常标签发送到区块链事务模块。
所述区块链事务模块，由数据存储单元和提案构建单元组成；所述数据存储单元存储了上行区块事务提案的必要信息和服务器下行数据；所述提案构建单元负责构建区块事务提案，将所述必要信息按照上链事务格式打包成JSON指令并发送到通信模块；所述区块事务提案的必要信息包括但不限于本地账户地址、密钥、目标账户地址、采集数据。
可选择地，若数据标签为正常，所述提案构建单元将采用自转命令作为区块事务提案（简称自转提案）；若数据标签为异常，所述提案构建单元将采用互转命令作为区块事务提案（简称互转提案）。所述自转命令的目标账户地址与本地帐号地址相同，所述互转命令则反之。
进一步地：
所述自转提案包含以下关键参数：本地账户地址、本地帐号私钥、正常数据。自传提案格式的发起方和接收方为同一账户地址。
所述互转提案包含以下关键参数：本地账户地址、本地账户私钥、异常数据、目标账户地址。自传提案格式的发起方和接收方为不同账户地址。
所述数据通信模块，通过内部LoraWan模组收发数据。其中，数据发送单元通过LoraWan节点程序加密上链事务提案并远距离发送至网关层。数据接收单元通过LoraWan节点程序解密并远距离接收网关层下发的数据。由于LoraWan传输协议为终端设备和服务器之间的数据交换提供了端对端的加密机制数据，因此可以保证网络传输过程中数据的安全性与可靠性。
可选择地，所述通信模块基于CN 470-510频段的LoraWan协议传输上行区块事务提案。所述LoraWan协议为终端设备和服务器之间的数据交换提供了端对端的加密机制数据，因此可以保证网络传输过程中数据的安全性与可靠性。
所述网关层，其网关数量需结合终端设备数量、应用场景的地理特点等因素综合考虑部署策略。例如，在城市环境中，一个LoraWan网关在理论上可以接收每平方公里500个终端节点发送的上行数据。当终端设备LoraWan节点采用足够增益的天线时，LoraWan网关在城市环境下可以覆盖20km的范围。在所述网关层中，每一个网关包括数据透传模块、数据解析模块、报警模块、区块链应用模块。
所述数据透传模块，作为终端设备与服务层网络服务器的数据传输桥梁，可以实现端云之间的数据透传功能。在数据上行过程中，终端通过所述网关数据透传模块将区块事务提案发送到服务层。在数据下行过程中，终端通过所述网关数据透传模块将区块事务提案发送到服务层。
所述数据解析模块，可以利用进程间通信程序调取所述透传模块内的区块事务提案，并将解密后的事务提案转发至区块链应用模块。此外，所述数据解析模块通过比对提案内本地账户地址和目标账户地址异同，判断事务提案内数据是否异常。若数据异常，数据解析模块将触发报警模块工作。
所述区块链应用模块，部署有一定量的区块链应用节点。所述区块链应用节点对外仅提供区块链接口服务，包括但不限于REST、RESTFUL风格的API接口。所述区块链应用节点接收数据解析模块发送的上链数据包后，通过内部的智能合约将该事务提案转发至服务层区块链共识节点。由于网关的区块链应用模块不配置共识投票功能，可以避免网关损坏情况下，故障节点对区块链的影响。
所述服务层，按功能可分为网络服务器、应用服务器和区块链服务器三个部分。所述网络服务器用于管理LoraWan设备、设置终端入网节点和网关身份，并提供接口给应用服务器使用。所述应用服务器提供数据可视化界面并附有规则引擎。所述区块链服务器的共识节点验证网关区块链应用节点接收的上链事务，通过分布式节点共识算法（参见：区块链共识算法及其应用研究，薛立德，中国科技大学，2021）将事务提案记录在区块链网络中。此外，区块链服务器还提供事务区块、事务记录的可视化界面，提高数据可读的实时性。
可选择地，网络服务器可以部署在网关层，通过网关IP访问管理LoraWan节点及网关设备。
可选择地，区块链服务器可利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据。由于应用服务器内部所有共识节点都同步了参与方事先拟定的协议，当约定完成后，合约将自动执行。该机制应用到各行业中，可以起到约束企业的作用、避免违约的信用问题。
可选择地，网络服务器、应用服务器和区块链服务器可内嵌在同一系统中，集成终端管理、网关管理、数据可视化、区块链事务可视化为一体，高效监测整个系统的运行。
本发明的作用与效果
相较于现有技术，本发明提供的基于LoraWan和区块链的高效安全网关具有以下优点：
（1）数据在上行前已在终端完成区块链事务提案的构建以及LoraWan安全协议加密，可以保证数据在网络传输阶段的安全，避免数据丢失和泄露；
（2）网关的数据解析模块能在内部够调取并解密上行数据，保障了数据解密到上链前的安全通路；
（3）网关作为面向终端设备的应用节点，仅提供区块链的API接口服务。而区块链共识投票功能部署在服务层的区块链共识节点。这种区块链节点的功能分割方案可以有效避免网关故障破坏正常业务的情况；
（4）终端设备构建的区块事务提案分为自转和互转两种类型，网关在接收并解密到事务提案后，只需比较目标账户地址与本地帐号地址的异同就可以判断数据是否异常。该机制能够摒弃冗余的报警规则引擎，减缓网络带宽的压力，提高数据的处理效率。
因此，本发明提供的融合区块链的LoraWan安全网关在数据传输、身份验证、上链可信环境方面均提供了相应的保护机制，形成数据线下采集与线上流转的可信闭环。同时本发明提供了利用事务提案区分数据类型的方案，可以高效地取代传统复杂的报警规则引擎，快速高效地触发报警机制。
本发明涉及的安全网关部署在工业互联网应用场景下，不仅起到传递信任、企业协同、数据资源共享的作用，还能最大化地提升产业整体发展效率。
附图说明
图1是本发明的实施例的整体架构图。
图2是本发明的实施例中终端设备的模块示意图。
图3是本发明的实施例中终端设备的数据上行流程图。
图4是本发明的实施例中自转提案和互转提案介绍图。
图5是本发明的实施例中安全网关模块及功能介绍图。
图6是本发明的实施例中安全网关的数据上行流程图。
图7是本发明实施例中服务层示意图。
图8是本发明的实施例中数据下行流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例的整体架构图。该架构呈三层的层次划分，自下而上分别是终端层、网关层、服务层。其中，终端层设备利用传感器采集数据后，根据区块事务提案的上链格式将采集数据及区块链身份信息打包成JSON字符串。提案的向上传输依托LoraWan协议提供的加密算法，保证了区块链身份信息以及数据传输的安全属性。
在网关层中，网关设备首先将事务提案透传至网络服务器，提供网络端的数据备份。在网关透传提案过程中，其内部的数据解析模块调取、解密提案，并将明文提案对接区块链应用节点API接口，实现数据上链操作。同时，数据解析模块通过比对提案内账户信息判断数据类型。当判断为异常数据，则触发网关报警功能。可见，网关为数据接收、解密、上链提供了一条完整的安全通路，为数据的机密性、可信性与完整性提供了保障。
服务层提供了LoraWan节点和网关身份认证功能、采集数据和区块事务提案的可视化界面。同时内嵌规则引擎及区块链智能合约，以确保不同程度的业务自动化流程。
图2是本发明的实施例中终端设备的模块示意图，每个终端设备包括数据采集和处理模块、区块链事务模块、通信模块。其中。数据采集和处理模块包含数据采集单元和数据处理单元。区块链事务模块存储了区块链身份信息和服务器响应。通信模块包括数据发送单元和数据接收单元。所述通信模块的LoraWan传输一般选择CN 470-510频段。
可选择地，所述通信模块根据接收网络服务器下行数据的方式分为Class A、Class B、Class C三种模式。三类LoraWan节点模式的功耗依次升高的同时，实时性也依次提升。届时可根据实际业务需求选择合适的节点工作模式。
所述终端设备内部数据流如图3所示：数据采集单元的传感器采集环境数据后，将数据、采集时间及对应传感器身份打包成一份采集数据。通过数据处理单元的数据预处理程序判断采集数据为正常数据或异常数据，并将判断结果同采集数据一同发送至区块链事务模块。区块链事务模块预先存储了对应终端设备身份的区块链账户、公私钥等信息。提案构建单元将正常数据按照自转提案格式打包上链JSON字符串，将异常数据按照互转提案格式打包上链JSON字符串。数据发送单元作为通信节点，通过LoraWan多层数据加密算法将所述提案传输至网关层。
所述自转提案、互转提案包含的关键信息如图4所示。
图5是本发明的实施例中网关模块及功能示意图，透传模块作为终端设备与服务层网络服务器的数据传输桥梁，可以实现端云之间的数据透传功能。数据解析模块能够调取事务提案并解密。明文事务提案通过区块链应用模块API接口接入区块链网络。同时，数据解析模块还可以判断事务提案类型，从而触发异常情况下的模块报警功能。
网关内数据流如图6所示，透传模块通过Packet_forwarder程序将收到的上链数据包通过IP/UDP链路转发给应用服务器。在此过程中，数据解析模块通过进程间通信程序调取PUSH_DATA上链数据包，并通过解密程序中的AppKey和NetworkKey解密该数据包。数据解析模块将解密后的区块事务提案转发至区块链应用模模块，其内部部署了一定数量的区块链应用节点，提供事务提案上链的API接口服务。此外，数据解析模块的判断程序通过比对提案账户地址判断数据是否异常。当本地账户地址与目标账户地址不同时，即判断为互转命令形式的紧急数据，触发报警模块工作。
服务层包括网络服务器、应用服务器和区块链服务器。如图7，网络服务器配置LoraWan网关ID、LoraWan节点EUI、入网模式等通信必须的信息，实现对网关及接入设备的实时管理。应用服务器通过gRPC接口调用网络服务器接收到的数据，并在内部部署了数据解密、数据分析、数据可视化和规则引擎模块。区块链服务器内部的区块链共识节点维护该条链上的分布式账本功能，将网关层应用节点接入的事务提案进行广播共识，从而记录在区块链网络上。此外，区块链服务器还提供了事务区块、事务记录的可视化界面，利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据，从而自动执行预设。
可选择地，网络服务器和区块链服务器均可内嵌在应用服务器，以便高效监测系统运行。
本发明涉及的数据下行流程如图8所示，网关透传模块接收网络服务器的返回值并透传给终端数据接收单元。数据接收单元的LoraWan程序可以解密该返回值并确定数据是否传输成功。区块链服务器共识节点将交易提案记录在区块链后，返回字符串的参数包括：执行结果、费率、签名、哈希值等响应信息。数据解析模块提取共识响应中的执行结果并下发给终端。终端数据接收单元负责接收并解密下行数据，将其存储在数据存储单元。
本发明方案具有如下特点：
1、安全：数据在网络通道为加密状态，数据解密在网关设备内部；网关不具备区块链的全部功能，也就是不能共识投票，无法参与记账，所以就算网关损坏也不会影响数据上链；
2、高效：自转、互转提案判断数据类型，代替规则引擎设置阈值。
Claims (5)
1.一种基于LoraWan和区块链的安全网关，其特征在于，系统架构由自下而上的终端层、网关层和服务层组成；其中：
所述终端层，是根据实际应用场景而部署的一定数量的终端设备；在终端层中，每一个终端设备包括数据采集和处理模块、区块链事务模块、通信模块；其中：
所述数据采集和处理模块，由数据采集单元、数据处理单元组成；数据采集单元根据传感器的特性来采集不同的环境数据，数据处理单元判断环境数据是否异常并将数据及标签发送至区块链事务模块；
所述区块链事务模块，由数据存储单元和提案构建单元组成；所述数据存储单元存储用于上行区块事务提案的必要信息和服务器下行数据；所述提案构建单元负责构建区块事务提案，将所述必要信息按照上链事务格式打包成JSON指令并发送到通信模块；所述区块事务提案的必要信息包括本地账户地址、密钥、目标账户地址、采集数据；
所述数据通信模块，通过内部LoraWan模组收发数据；其中，数据发送单元通过LoraWan节点程序加密上链事务提案并远距离发送至网关层；数据接收单元通过LoraWan节点程序解密并远距离接收网关层下发的数据；
所述网关层，其网关数量需结合终端设备数量、应用场景的地理特点等因素综合考虑部署策略；在所述网关层中，每一个网关包括数据透传模块、数据解析模块、报警模块、区块链应用模块；其中：
所述数据透传模块，作为终端设备与服务层网络服务器的数据传输桥梁，用于实现端云之间的数据透传功能；在数据上行过程中，终端通过所述网关数据透传模块数据将区块事务提案发送到服务层；在数据下行过程中，终端通过所述网关数据透传模块数据将区块事务提案发送到服务层；
所述数据解析模块，利用进程间通信程序调取所述数据透传模块内的区块事务提案，并将解密后的事务提案转发至区块链应用模块；此外，所述数据解析模块通过比对提案内本地账户地址和目标账户地址异同，判断提案内数据是否异常；若数据异常，数据解析模块将触发报警模块工作；
所述区块链应用模块，部署有一定量的区块链应用节点；所述区块链应用节点对外仅提供区块链接口服务，包括REST、RESTFUL风格的API接口；所述区块链应用节点接收数据解析模块发送的上链数据包后，通过内部的智能合约将该事务提案转发至服务层区块链共识节点；
所述服务层，按功能分为网络服务器、应用服务器和区块链服务器三个部分；所述网络服务器用于管理LoraWan设备、设置终端入网节点和网关身份，并提供接口给应用服务器使用；所述应用服务器提供数据可视化界面并附有规则引擎；所述区块链服务器的共识节点验证网关区块链应用节点接收的上链事务，通过分布式节点共识算法将事务提案记录在区块链网络中；区块链服务器还提供事务区块、事务记录的可视化界面，提高数据可读的实时性。
2.根据权利要求1所述的基于LoraWan和区块链的安全网关，其特征在于，在所述区块链事务模块中，若数据标签为正常，所述提案构建单元将采用自转命令作为区块事务提案；若数据标签为异常，所述提案构建单元将采用互转命令作为区块事务提案；所述自转命令的目标账户地址与本地帐号地址相同，所述互转命令则反之。
3.根据权利要求1所述的基于LoraWan和区块链的安全网关，其特征在于，所述所述服务层中，网络服务器部署在网关层，通过网关IP访问管理LoraWan节点及网关设备。
4.根据权利要求1所述的基于LoraWan和区块链的安全网关，其特征在于，所述所述服务层中，区块链服务器可利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据；由于应用服务器内部所有共识节点都同步了参与方事先拟定的协议，当约定完成后，合约将自动执行。
5.根据权利要求1所述的基于LoraWan和区块链的安全网关，其特征在于，所述服务层中，网络服务器、应用服务器和区块链服务器内嵌在同一系统中，集成终端管理、网关管理、数据可视化、区块链事务可视化为一体，高效监测整个系统的运行。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115412403A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-11-29 | 石家庄学院 | 基于云边协同的智能网关 |
| CN115412403B (zh) * | 2022-07-14 | 2023-09-22 | 石家庄学院 | 基于云边协同的智能网关 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113852544B (zh) | 2023-11-24 |
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Legal Events
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