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区块链和物联网也能擦出火花?

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区块链和物联网也能擦出火花?

声明:本文旨在传递更多市场信息,不构成任何投资建议。文章仅代表作者观点,不代表火星财经官方立场。

边肖:记得要集中注意力。

来源:区块链大本营

原标题:区块链和物联网也能擦出火花?

作为一项快速发展的技术,物联网已经广泛应用于智能电网、智能供水网络、智能家居、智能交通等领域。在不久的将来,物联网的应用将深入到生活的方方面面,在未来的科技生活中发挥不可或缺的作用。随着越来越多的智能设备接入网络,物联网应用面临安全威胁的概率大大增加。根据美国ABI研究公司的数据,2018年,大约有100亿台设备可以使用无线网络访问互联网,到2020年底,这一数字将超过300亿。

可以预见,未来将会有更多带有廉价传感器的物联网设备进入人们的生活,共享消费者的敏感信息。物联网设备的安全管理将成为物联网产业可持续发展的核心问题之一,必须引起人们的高度重视。区块链的去中心化、不可信和高度安全的特性为物联网应用提供了点对点直接数据传输的解决方案。

区块链物联网初步实验案例

要实现基于区块链系统的物联网平台应用,主要应该关注保持区块链数据一致性的方法。这种方法一般称为一致性算法,起源于分布式一致性算法。其核心思想是引导系统中所有不可靠的节点达成如何生成下一个块的一致性算法,但这种分布式一致性算法在实现细节上有很大的差异。自从人们开始使用比特币并积极探索该技术以来,区块链技术蓬勃发展,衍生出各种新技术和新产品,在不同领域成功证明了其高安全性、灵活性、私密性和容错性。人们开始更准确、更专业地将分布式共识用于不同的目的。

一致性算法是分布式应用软件中特有的算法机制,但是没有一个好的算法理论,一个好的分布式应用根本无法实现。这是因为在集中式软件设计中,不需要使用复杂的算法逻辑就可以实现复杂问题设计的解决。但是在分布式软件开发中,节点之间的互操作和节点行为的统一管理会因为分布而变得非常复杂多样,无法通过普通手段预设运行结果。因此,有必要使用一致性算法来完成应用并维护分布式一致性。

区块链下常见的共识机制主要有PoW、POS、DPOS、Paxos、PBFT等。基于区块链技术需要应用的不同场景和各种一致性算法的特点,人们一般通过以下四个标准来评价各种一致性算法的适用性。

合规性:能否设置一些权限节点来监管全网的节点和数据?

履约效率:交易达成后确认的效率。

资源消耗:共识过程中消耗的计算能力、存储和网络带宽等计算机资源。

容错:是否具有防止攻击和欺诈的能力。

一般来说,区块链的类型可以分为两种。一个是大众熟知的区块链,代表就是比特币系统。在这个系统中,所有节点享有同样的权利和义务,每个节点根据自己的能力参与,是区块链共识的一部分。在当前的公共区块链中,所使用的共识算法通常是由内部的经济激励系统通过引导所有区块达成共识并获得相关奖励来证明的。

另一种是私有区块链,可以用于运行环境完全只对内部开放的私有链,或者系统之间跨越几个网络相互连接,可以相互通信和操作的部分私有链系统。为了进一步区分,人们通常称这个区块链系统联盟为区块链。在物联网系统中,私有链场景是最适合物联网的场景。其安全权限的严格限制和设置特权节点的灵活性,可以用来更清晰地设置设备和用户的管理权限和优先级,解决当前系统无法完全满足的需求。

在初步的测试实验中,人们使用以太坊区块链作为底层技术支撑,基于现有的物联网平台,建立了一个区块链应用平台,可以在用户与其他用户的设备之间或者用户与物联网平台之间获取数据,达成不可变更的合同交易关系,购买数据和设备服务。

整个区块链系统由多个客户端节点组成,每个节点都是一个完整的数据节点,每个节点都有整个区块链数据地址的完整备份。这些节点可以由不同的组织或组织内的多个数据中心来维护。实验中的区块链系统不需要互相竞争来生成新的块。获得竞争权后,将该时间段内的块打包,然后分发给其他节点。所有节点达成一致后,分别存储块。区块链的块通过散列值连接在一起,该散列值通过组合块的报头字段来计算。

块中的事务由Merkle树的数据结构组织,其中Merkle树的根节点存储在块的头部。或者用户平台自己制定提供数据或服务的条件。应用程序将条件编译成智能合同脚本,然后将它们发布到系统。然后系统通过审核和编译形成一个去中心化的应用给其他用户。如果其他用户有需求且能满足条件响应,智能合约通过在区块链上执行完成合约内容,通过其他所有节点的验证达成合约。系统上的分散应用通过与物联网平台约定的JSON-RPC API进行调用和验证,获取远程物联网平台的数据和服务,提供给区块链分散应用的用户。

在架构设计上,整个系统可以分为五个层次:数据层、网络层、智能合约层、物联网平台层、应用层,如下图所示。根据系统的总体架构图描述了各层的设计。

区块链物联网架构图

(1)底层是数据层,主要负责存储区块链数据,包括存储块数据和事务数据的哈希地址。一些常见的基础模块,如网络通信库、流处理、线程封装、消息封装和解码、系统时间、基本加密算法和数据存储技术等。采用改进的以太坊区块链系统优化块数据的存储。

(2)第二层是系统的网络层,包括共识算法、P2P网络和验证机制。这一层一般包含区块链的主要逻辑,如共识模块、事务处理模块、嵌入式数据库处理模块等。难点在于对等网络的实现和并发处理。在该系统中,针对物联网平台下的节点承载能力和应用需求,基于Tendermint共识机制的Ethermint替代了以太坊中传统的工作量认证共识机制。

(3)第三层是智能合约层。系统的基于Json标准RPC和EVM(以太坊虚拟机)模块的交互RPC模块,基于EVM模块,运行智能合约交互处理区块链和共识的相关事务,基于JSON-RPC,通过网络向远程计算机程序请求服务,进行块节点的一致性处理和网络层事务的交互,从而实现各种事务转移等具体业务活动的完整流程。人们可以通过类似于JavaScript编程语言的Solidity语言灵活地编写,并且严格地

(4)第四层是物联网的平台层。通过基于Json标准RPC的交互RPC模块,系统调用物联网数据信息、控制指令并向智能契约层下发智能契约,通过物联网平台现有接口与区块链节点进行交互。应用层的去中心化应用用户可以通过底层区块链平台间接获取物联网平台设备的数据和控制权。

(5)顶层是去中心化的应用层。它通过封装了以太坊Json RPC API的Web3.js接口库,与智能合约层和物联网平台层进行数据和信息的交换。在去中心化的应用中,所有的智能合约都是以二进制代码的形式在区块链EVM系统上编译运行,由RPC API调用。区块链上的智能合约可以提供自主服务,通过平台中的去中心化应用,提供物联网设备信息或操作来服务用户。

基于安全的区块链物联网测试案例

现在物联网的管理平台基本上有两种管理方案:集中式管理和分布式管理。其中,集中式系统对物联网的对象进行集中管理,进行统一的分发调度和权限管理。然而,随着物联网的快速发展,连接到网络的对象数量迅速增加,网络结构变得越来越复杂,给集中式系统的管理和维护带来了很大的压力。更重要的是,集中式系统存在单点信任问题。由于集中式系统的统一控制和集中裁决,当主机出现故障或受到攻击时,可能导致整个系统停止工作,甚至整个系统的信息泄露,这对系统安全是致命的影响。

在实验中,研究人员计划通过两个方面的研究建立一个分布式平台。

通过Geth客户端,建立一个专用的区块链网络。这个区块链网络负责平台节点的信息沟通,奖励方案的投票,平台信息的账本存储。私有网络上的节点需要为平台节点提供API来访问信息和反馈结果。

设计分布式平台的架构、平台与区块链专网的信息交换方式、为设备提供的功能以及在Web端的展现形式。

为了实现分布式平台对物联网设备的管理能力,人们需要在平台上注册设备才能使用,只有注册的设备才能在平台上进行信息交互。为了保证物联网设备间信息交互的安全性和可靠性,必须保证平台设备的合法性。接入功能可以在注册时对设备的合法身份进行认证,认证过程需要通过区块链的智能合约来完成,保证每个平台节点都参与认证,解决单点失效问题,保证认证的可信度。认证成功后的设备认证信息也需要保存在平台上备案,认证信息会保存在区块链账本中,保证认证信息不会被轻易篡改。

物联网设备需要频繁记录自己的运行信息,连接到平台的设备可以将自己的运行信息上传到平台。在上传信息之前,平台方会对设备的权限进行验证,以确定其是否具有上传信息的权限。权限验证过程也需要通过区块链的智能合约来完成,这样各个平台节点都可以参与到权限验证过程中来,保证验证的可信度。平台验证设备的权限后,被验证的设备可以在平台上存储运行信息,这些信息将被存储在区块链账本中,以供将来的信息统计和历史追溯。设备的上传请求需要通过入侵容忍机制进行监管,防止一些恶意设备频繁发出虚假请求,浪费系统性能。正如以前使用智能契约的原理一样,入侵容忍模型中对恶性事件的判断也应该由智能契约来完成

设备接入平台前,需要对设备进行注册,设备注册信息上报给平台。注册信息包括设备的详细信息,如制造商和设备型号,以及设备安全证书的信息。对平台设备上报的注册信息进行接入认证,接入认证过程会触发智能合约,由所有平台节点完成。对于经过认证的设备,该平台会将信息存储在区块链总账中进行永久备份。认证通过后,设备可以连接到平台进行设备登录操作。该平台读取区块链帐本中的注册设备列表,将其与已登录设备的信息进行比较,并在线处理注册设备。运行在平台中的设备可以进行信息交互,包括设备信息上传和数据信息采集。设备会定期将自身的运行信息上传到平台,平台会在权限验证通过后将上传的信息保存在区块链账本中永久保存。此外,设备还可以根据自身权限获取平台上其他设备的信息,或者进行信息追溯和统计。在这个过程中,平台会读取区块链账本中的相应信息,分析并返回结果。平台还会在设备信息交互过程中进行容忍入侵检测,对故障设备或恶意设备进行预警和排除。

平台的节点需要处理平台与物联网设备的信息交互、设备信息的统计分析、设备信息的数据可视化以及平台的外部服务封装,还需要接入认证机制、权限管理机制、入侵检测机制等逻辑管理功能。而区块链网的功能比较纯粹,只需要关注决策的多数表决和信息的永久存储即可。因此,在平台的整体设计中,需要将平台节点与区块链网络节点在结构上分离,使平台节点可以专注于数据处理、服务封装和管理逻辑,而区块链网络节点可以专注于决策投票和信息存储。具体的平台架构设计如下图所示。

物联网网络结构图

平台的下层是由Geth个客户端节点连接而成的区块链网络,负责交易验证、信息存储归档、智能合同执行并返回执行结果。下层Geth客户端节点相互连接,可以保证上层平台节点的信息传递。下层网络中的所有节点将以多数票对上层裁决请求进行投票,给出上层裁决结果,其区块链账本将永久存储这些信息并备份上层节点的数据。

平台的上层是分布式物联网平台的子节点,每个子节点对应底层的一个Geth客户端节点。上层平台节点负责与物联网设备的信息交互、物联网设备信息的统计分析、物联网设备信息数据的可视化展示、平台服务的外部封装、服务接口的提供,以及设备接入认证、设备权限管理、平台入侵检测等逻辑功能。

平台子节点通过JSON-RPC与Geth客户端节点通信,平台子节点通过Web3.js进行接口调用,将信息传递给Geth客户端节点,或者请求Geth客户端节点返回块信息。子节点安全机制中的仲裁决策都是协同区块链网络完成的,包括设备访问时的身份认证,设备权限控制中的权限决策,以及负责入侵检测的事件分析器对事件的分析和决策。当子节点需要仲裁判决时,子节点通过JSON-RPC向Geth客户端发送仲裁请求和仲裁信息,触发区块链网络中的智能合同,启动信息的仲裁判决,区块链节点执行智能合同并返回合同运行结果。在th之后

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