CN113949724A - 一种基于区块链和物联网的文物运输监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于区块链和物联网的文物运输监测方法及系统，采集处于运输状态中文物的状态及环境数据；将文物的状态及环境数据加密，将加密数据发送到应用服务器；应用服务器将通过验证的数据链接到区块链网络中；用户在通过身份验证之后访问连接区块链网络的系统，查看文物在运输过程中的状态。本发明能够对文物的物理和环境变化进行实时传感，实现有效的数据反馈和动态远程管理，并通过改进加密算法保证系统效率和安全性。

Description

一种基于区块链和物联网的文物运输监测方法及系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，涉及区块链领域，特别是一种文物数据保护方法，旨在以一种数据安全的方式实时监测文物在运输过程中的状态。
背景技术
文物运输是实现博物馆间合作的一个相当重要的工作领域。它涉及到文物分配和知识共享等关键技术。同时，文物运输过程是动态的，需要特殊的防范机制来避免风险。因此，利用物联网技术对文物在运输过程的状态进行实时监控能够有效帮助工作人员掌握文物在运输过程中的状态，极大减少文物在运输过程中的损坏概率。常见的物体移动途径包括公路、航空、铁路和海运，其监测过程均可分为三类：(1)对汽车、飞机、火车和船舶上内部情况的一般监测；(2)测试环境下对包装箱质量的监测和评估；(3)对文物在运输过程中所经历的条件的监测。目前的研究集中在第二类和第三类监测，如对运输环境中的振动监测。Matthias等人(
Figure BDA0003309644410000011
M,Bschlin N,Hoess A,et al.Packing systems for paintings:Damping capacity in relation to transport-induced shock and vibration[C].ICOM-CC 17th Trienniel Conference,Melbourne,Australia,2014,15:19.)通过研究振动与常用阻尼材料之间的关系，提出了一种具有有限控制的封装解决方案，该方法采用保护性缓冲能够有效减少冲击事件，但是难以有效降低振动发射。现有研究表明，空运和海运模式对绘画的冲击和振动水平可以忽略不计，而公路运输对它们的冲击更大，但是大多数工作焦点集中在物品运输过程的监控上，而对运输过程中数据的分析往往滞后于运输过程，从而导致结果反馈不力(Fatuzzo G,Sequenzia G,Oliveri SM,et al.An integratedapproach to customize the packaging of heritage artefacts[M].Advances onMechanics,Design Engineering and Manufacturing.Springer,Cham,2017:167-175.)。王智颖等人提出了一种基于区块链和物联网的智能物流运输方案，用以跟踪物品在运输过程中的状态(王智颖,李明兰.基于区块链和物联网技术的智能物流方案设计[J].网络新媒体技术,2021,10(02):23-30.)。该方案利用传感器获得物品状态信息，并直接将所获得信息记录到区块链中，从而完整记录物品在运输过程中的位置和状态信息，但是其数据传输过程中缺少保障数据安全的措施，难以应用于贵重物品(如文物)的运输状态监测。综上，现有的文物运输监控系统无法全面、实时检测文物在运输过程中的动态信息，因此使得相关人员无法准确、及时判断文物所处的环境是否合适。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用物联网终端和区块链技术的文物运输实时管理系统，能够对文物的物理和环境变化进行实时传感，实现有效的数据反馈和动态远程管理，并通过改进加密算法保证系统效率和安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于区块链和物联网的文物运输监测方法，包括以下步骤：
S1，采集处于运输状态中文物的状态及环境数据；
S2，将文物的状态及环境数据加密，将加密数据发送到应用服务器；
S3，应用服务器将通过验证的数据链接到区块链网络中；
S4，用户在通过身份验证之后访问连接区块链网络的系统，查看文物在运输过程中的状态。
所述的文物状态及环境数据包括文物的温度、相对湿度、GPS定位、速度、加速度、视频图像和电子标签。
所述的步骤S2利用非对称加密算法将数据进行加密。
所述的步骤S2利用多椭圆曲线数字签名算法对数据进行加密。
所述的步骤S2以点对点传输方式发送到应用服务器。
所述的步骤S3采用mPBFT算法实现区块链网络中各节点之间的共识，具体步骤如下：
S31，初始化N个节点。
S32，按照节点在网络中的使用频率，将使用频率最高的N/3个节点划分到领导节点组中；如果领导节点组中的节点断开通信，则被视为发生错误，在未被选择为领导节点的其他节点中，将使用频率最高的节点递增入领导节点组；
S33，随机从领导节点组中选择一个节点作为主节点；客户端向主节点发送请求，主节点收到客户端请求，给请求编号，并发送pre-pre类型消息给其他领导节点；
S34，其他领导节点收到pre-pre类型消息，如果其他领导节点同意，领导节点之间发送准备消息；
S35，所有领导节点统计收到的准备消息，当主节点的统计结果超过领导节点数量的2/3时，则其进入提交阶段，广播提交消息；
S36，领导节点统计收到的提交消息，如果数量超过领导节点数量的2/3时，则节点之间互相接受，接受之后就表示节点之间达成共识，数据以定义的智能合约方式被记录到区块链中，更新存储服务器。
所述的用户包括文物的出借方、展方、承运人、保险公司和运输代理商。
本发明还提供一种基于区块链和物联网的文物运输监测系统，包括设备层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；所述的设备层中的传感器采集处于运输状态中文物的状态及环境数据，利用数据层中定义的加密算法将数据加密，通过设备层中的通信设备将加密数据上传到网络层；共识层采用mPBFT算法实现区块链网络中各节点之间的共识，数据以合约层的智能合约方式被记录到区块链中，应用层中定义的用户在通过身份验证之后访问系统，查看文物在运输过程中的状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用区块链和物联网技术来监测文物运输过程中的动态。在本发明中，云平台、实时传输技术和监测参数被全面应用于监测系统，实现文物在运输过程中的实时监控，减少文物在运输过程中受损的几率。本发明传输加密数据而非原始数据，提高了监测系统的安全性，更加满足文物运输的需求。与现有方法相比，本发明在数据传输过程中利用非对称加密算法加密设备层中各种传感器采集到的数据，确保这些数据在网络传输过程中无法被篡改，提高了系统的安全性和可信度。
(2)本发明能够通过物联网将数据和信息传输到云端。从传感器收集的信息能够存储在本地和远程数据库中，以实现实时数据收集和共享。
(3)本发明改进了传统的实用拜占庭容错(Practical Byzantine FaultTolerance，PBFT)算法，提升了其性能。传统的PBFT算法(Zhang L,Li Q.Research onconsensus efficiency based on practical byzantine fault tolerance[C].10thInternational Conference on Modelling,Identification and Control(ICMIC 2018),Guiyang,China,2018.)需要极大的通信开销并且在节点达成共识的过程中对单个领导节点的依赖程度太高，从而导致当领导节点出现故障时会严重影响达成共识的过程。本发明修改后的mPBFT算法能够提高算法可靠性和计算效率。
附图说明
图1为本发明整体技术方案图，说明了本发明所涉及方法之间的关系；
图2为本发明中文物数据采集和处理流程图；
图3为本发明中使用的MECDSA加密算法的签名过程流程图；
图4为本发明改进的PBFT算法整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明的技术方案如图1所示，本发明由设备层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层组成。
设备层：设备层包括物理设备、网关、雾/边缘节点、云和互联网；
数据层：数据层以交易的形式从下层收集物联网数据，并使用数字签名、非对称加密算法和哈希值对加密数据进行包装；
网络层：网络层作为一个P2P网络，覆盖了传输和认证；
共识层：共识层处理确认区块可信度所需的分布式共识，并确保所有对等体拥有准确的账本副本；
合约层：合同层负责数字货币和智能合约的创建和处理；
应用层：应用层为用户提供各种服务。
每一层都执行一个核心功能，然后通过一个网络架构完成去中心化，使对等用户在没有第三方干预的情况下共享资源。所有物联网的互动都记录在区块链中，以确保问责制。链上交易可通过分布式账本访问，并可由每个区块链节点查看。
云端有两个应用服务器和一个存储服务器。一个应用服务器上的共识节点具有在每个节点上存储账本的功能，并将节点添加到网络中。另一个应用服务器上的认证节点具有存储和验证的功能。在接收到客户的请求后，它根据验证将操作的结果返回给客户。存储服务器上的主节点有几个功能，如存储数据，将区块保存到数据库，并保持区块与验证节点和各个客户端存储节点的同步。
如果请求操作只是查询智能终端的数据，客户端的请求者能够直接从存储节点获得解密的终端数据；如果客户端发起的请求是对文物运输监测数据的篡改，则客户端对验证节点的响应数据结果再次签名，并发送给云端的共识服务器节点。云端服务器中的共识节点根据共识规则对数据进行测试。如果整个网络达成一致，系统可以将数据打包成一个新的区块，然后广播给存储服务器上的主节点。主节点可以将新区块保存到数据库中，并将区块同步到客户端的验证节点和每个存储节点。
出借方能够远程掌握文物运输的实时状况，并采取有效措施，避免任何安全隐患。对于承运人来说，该系统可以协助其规划运输路线，实时获取视频资料。此外，该系统还可以处理突发事件，采取有效措施避免风险。对于展方来说，他们能够在面临事故警告时与承运人和出借方进行沟通，并根据事先从系统获得的信息对展品进行及时调整。对于保险公司和运输代理商来说，他们可以查询并获得与运输操作条件和交通驾驶条件有关的信息，以便有效地预测事故风险并提出适当的保险赔偿建议。
步骤S1：采用设备层中各种传感器采集处于运输状态中文物的数据，例如文物的加速度、角速度和电子标签等数据。
步骤S2：利用数据层中定义的加密算法将传感器获得数据加密，通过设备层中的通信设备将加密的数据块发送到应用服务器。
步骤S21：利用非对称加密算法将数据进行加密。
步骤S22：使用设备层中的通信设备将加密后的数据以网络层中定义的点对点传输方式发送到应用服务器。
步骤S3：将通过验证的数据链接到区块链网络中。
首先需要将区块链网络中的节点达成共识，即采用mPBFT算法实现节点之间的共识，具体步骤如下：
步骤S31：初始化N个节点。
步骤S32：选择领导节点。按照节点在网络中的使用频率，使用频率最高的N/3个节点在网络中被划分到领导节点组中，其中领导节点组中任意一个节点均可以作为主节点并接收请求。
步骤S33：领导节点组中的领导节点发生错误。如果领导节点组中的节点断开通信，则被视为发生错误。在2N/3个未被选择为领导节点的其他节点中，按照使用频率的优先性将合适的节点纳入领导节点组。
步骤S34：随机从领导节点组中的领导节点中选择一个节点作为主节点。客户端向主节点发送请求，主节点收到客户端请求，给请求编号，并发送pre-pre类型消息给其他领导节点。
步骤S35：其他领导节点收到pre-pre类型消息，如果其他领导节点同意，领导节点之间发送准备消息。
步骤S36：所有领导节点统计针对此次请求的准备消息，当所选择的主节点统计结果超过领导节点数量的2/3时，则其进入提交阶段。
步骤S37：进入提交阶段的节点广播提交消息。
步骤S38：领导节点统计收到的提交消息，如果数量超过领导节点数量的2/3时，则节点之间互相接受，接受之后就表示节点之间达成共识。
步骤S39：节点之间达成共识之后，数据以定义的智能合约方式被记录到区块链中，更新存储服务器。
步骤S4：应用层中定义的五种类型的用户在通过身份验证之后，可以在自己的终端访问系统，查看文物在运输过程中的状态。
本发明旨在促进文物在运输过程中的保护。文物在运输过程中的数据可以通过实时传感器准确地传递给出借人、展览者、司机和承运人。与传统的摄像监控和人工检测相比，该系统可以设置指标，掌握更多的细节来监控文物的安全。本发明的目标是设计一个结合区块链和物联网的系统，可用于博物馆之间的文物交换，并明确出借人、展览者和承运人的责任。
本发明的流程如图2所示。在本发明中有一个高度集成的数据采集箱，一个红外监测相机，以及一个一次性显示标签，用于传感器设备，如温湿度计和GPS跟踪系统。一次性显示标签包括三种类型的功能：振动、倾斜和温度显示。一次性显示标签可用于验证采集箱中的数据。通信设备由4G基站、传输终端的无线传输模块、云服务和存储设备组成，负责稳定传输和数据存储。
步骤S1：采用设备层中各种传感器采集处于运输状态中文物的各种数据。
步骤S2：利用数据层中定义的加密算法将传感器获得数据加密，通过设备层中的通信设备将加密的数据发送到服务器。
相比现有方法直接发送原始数据不同，本发明使用多椭圆曲线数字签名算法(Multi-Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，MECDSA)对原始数据进行加密。多椭圆曲线数字签名算法可以有效避免secp256k1使用的曲线中存在任何后门。该加密算法中，用户不仅能够根据实际的安全要求来选择椭圆曲线的数量，而且能够通过改变曲线的参数来选择曲线。假设椭圆曲线Et：y2＝x3+aix+b定义在有限素数域Fpi，Pi是基点，其顺序为ni，其中i＝1，2，...，t。在MECDSA中，曲线的数量和曲线的参数由签名者进行选择。用户随机选择t个随机数di作为私钥，ua计算公钥Qi。MECDSA对数据m签名的生成过程：
步骤S21：计算e＝H(m)，其中H表示安全哈希算法。
步骤S22：随机选择整数ki，计算kiPi＝(xi1，yi1)，其中i＝1，2，...，t。
步骤S23：计算ri＝xi(modni)，如果ri＝0，返回步骤S2并重新选择ki，其中i＝1，2，...，t。
步骤S24：计算r＝r1+r2+…+rt，如果ri＝0(modni)，返回步骤S2，其中i＝1，2，...，t。
步骤S25：计算
Figure BDA0003309644410000071
如果si＝0，返回步骤S2然后重新选择ki，其中i＝1，2，...，t。
最后得到的(r，s1，s2，...，st)就是数据m的签名。
步骤S26：使用设备层中的通信设备将加密后的数据以网络层中定义的点对点传输方式发送到服务器。
步骤S3：将通过验证的数据链接到区块链网络中。
改进的PBFT算法的处理流程如图4所示，具体步骤如下：
步骤S31：选择领导节点。
实用拜占庭容错(PBFT)算法是现在常用的共识机制，它利用一个完全互连的图，由一些节点对领导节点提议的每条数据记录进行投票。一旦提议被接受，该数据记录就可以被插入到每个节点的区块链中。然而PBFT具有很高的通信复杂度，导致其效率低下。PBFT算法依赖于一个领导节点，当这个领导节点发生故障时，则会大大降低节点之间达成共识的效率。为了克服这个困难，本发明提出了一个选举算法，以使用频率和可靠性作为依据选择出一组领导节点，选举算法的过程为：
步骤S311：初始N个节点。
步骤S312：选择领导节点。按照节点在网络中的使用频率和可靠性，N/3个节点在网络中被划分到导节点组中，其中领导节点组中任意一个节点都可以作为主节点并接收请求。
步骤S313：领导节点组中的领导节点发生错误。如果领导节点组中的节点断开通信，则被视为发生错位。在2N/3个未被选择为领导节点的其他节点中，按照频率和可靠性的优先性将合适的节点纳入领导节点组。
主节点向领导节点传递消息，同时向所有的节点传达领导节点组中的节点正在达成共识。领导节点之间按照消息的重要性分别通过两种方式进行共识。当消息的重要性较高时，通过领导节点之间的相互确认进行共识，这种共识方式的计算开销为(N/3)*(N/3)+N/3≈N2/9；而在一般情况下，通过主节点交付给领导节点进行共识然后再交付给主节点，这个过程的计算开销为N/3+N/3＝2*N/3。
步骤S32：客户端向主节点发送请求，主节点处理请求。
步骤S321：准备消息传递。
步骤S322：产生与参与节点数量N相同的序列号。
步骤S323：开始与领导节点达成共识的过程。
步骤S324：将领导节点的共识传递给所有节点。
步骤S33：领导节点的预提交。
步骤S331：向领导节点发送消息。
步骤S332：如果消息具有较高的重要性，跳转到步骤S33，否则跳转到步骤S335。
步骤S333：领导节点组中的领导节点之间互相确认。
步骤S334：所有的领导节点将预提交发送给主节点。
步骤S335：在审查每个领导节点之后决定是否提交给主节点。
步骤S34：提交和接受。
步骤S341：将领导节点的预提交结果发送给所有节点。
步骤S342：将请求结果返回给用户。
步骤S4：应用层中定义的五种类型的用户在通过身份验证之后，可以在自己的终端访问系统，查看文物在运输过程中的状态。

Claims (8)

1.一种基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集处于运输状态中文物的状态及环境数据；
S2，将文物的状态及环境数据加密，将加密数据发送到应用服务器；
S3，应用服务器将通过验证的数据链接到区块链网络中；
S4，用户在通过身份验证之后访问连接区块链网络的系统，查看文物在运输过程中的状态。
2.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的文物状态及环境数据包括文物的温度、相对湿度、GPS定位、速度、加速度、视频图像和电子标签。
3.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的步骤S2利用非对称加密算法将数据进行加密。
4.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的步骤S2利用多椭圆曲线数字签名算法对数据进行加密。
5.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的步骤S2以点对点传输方式发送到应用服务器。
6.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的步骤S3采用mPBFT算法实现区块链网络中各节点之间的共识，具体步骤如下：
S31，初始化N个节点。
S32，按照节点在网络中的使用频率，将使用频率最高的N/3个节点划分到领导节点组中；如果领导节点组中的节点断开通信，则被视为发生错误，在未被选择为领导节点的其他节点中，将使用频率最高的节点递增入领导节点组；
S33，随机从领导节点组中选择一个节点作为主节点；客户端向主节点发送请求，主节点收到客户端请求，给请求编号，并发送pre-pre类型消息给其他领导节点；
S34，其他领导节点收到pre-pre类型消息，如果其他领导节点同意，领导节点之间发送准备消息；
S35，所有领导节点统计收到的准备消息，当主节点的统计结果超过领导节点数量的2/3时，则其进入提交阶段，广播提交消息；
S36，领导节点统计收到的提交消息，如果数量超过领导节点数量的2/3时，则节点之间互相接受，接受之后就表示节点之间达成共识，数据以定义的智能合约方式被记录到区块链中，更新存储服务器。
7.根据权利要求1所述的基于区块链和物联网的文物运输监测方法，其特征在于，所述的用户包括文物的出借方、展方、承运人、保险公司和运输代理商。
8.一种实现权利要求1所述方法的基于区块链和物联网的文物运输监测系统，其特征在于，包括设备层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层；所述的设备层中的传感器采集处于运输状态中文物的状态及环境数据，利用数据层中定义的加密算法将数据加密，通过设备层中的通信设备将加密数据上传到网络层；共识层采用mPBFT算法实现区块链网络中各节点之间的共识，数据以合约层的智能合约方式被记录到区块链中，应用层中定义的用户在通过身份验证之后访问系统，查看文物在运输过程中的状态。
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