基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制框架

史錦山，李 茹*，松婷婷

（1. 內(nèi)蒙古大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，呼和浩特010021；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（內(nèi)蒙古大學(xué)），呼和浩特010021）

（?通信作者電子郵箱csliru@imu.edu.cn）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，其中含有大量的個(gè)人隱私，這些隱私信息一旦泄漏會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)巨大的損失。作為數(shù)據(jù)保護(hù)的基石性技術(shù)之一，訪問(wèn)控制可保障數(shù)據(jù)僅能被擁有相應(yīng)權(quán)限的用戶(hù)訪問(wèn)［1］。因此，物聯(lián)網(wǎng)下的訪問(wèn)控制機(jī)制也就成為了物聯(lián)網(wǎng)安全和隱私保護(hù)的重要研究?jī)?nèi)容之一。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式技術(shù)，從技術(shù)上解決了基于信任的中心化模型帶來(lái)的安全問(wèn)題，因此研究者將區(qū)塊鏈與訪問(wèn)控制結(jié)合來(lái)作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前將區(qū)塊鏈應(yīng)用到訪問(wèn)控制中的研究可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是區(qū)塊鏈技術(shù)與現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制模型相結(jié)合［2-10］，另一類(lèi)是在區(qū)塊鏈平臺(tái)上重新設(shè)計(jì)訪問(wèn)控制模型［11-23］。

與現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制模型相結(jié)合的研究主要是為了解決現(xiàn)有訪問(wèn)控制模型的集中式授權(quán)決策實(shí)體帶來(lái)的多機(jī)構(gòu)間安全信任問(wèn)題［2-6］和單點(diǎn)故障問(wèn)題［7-10］。區(qū)塊鏈在互不信任的節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建了一個(gè)可信的環(huán)境，研究者目前已經(jīng)解決了基于角色的訪問(wèn)控制（Role-Based Access Control，RBAC）［2］、基于屬性的訪問(wèn)控制（Attributes Based Access Control，ABAC）［3-5］、基于權(quán)能的訪問(wèn)控制（Capability-Based Access Control，CapBAC）［6］中因?yàn)樾湃味鴰?lái)的一些問(wèn)題。另一些研究者則利用區(qū)塊鏈去中心的特征解決了CapBAC［7-8］、CP-ABE（Ciphertext Policy Attribute Based Encryption）［9］、SmartOrBAC（Smart Organization-Based Access Control）［10］中 的 單 點(diǎn) 故 障問(wèn)題。

在區(qū)塊鏈平臺(tái)上重新設(shè)計(jì)訪問(wèn)控制模型，這類(lèi)研究充分利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改、可溯源和智能合約的特性，將區(qū)塊鏈作為可信實(shí)體構(gòu)建訪問(wèn)控制模型［11-23］。研究者們首先初步探索了在區(qū)塊鏈上設(shè)計(jì)新的框架的可行性，如文獻(xiàn)［11-15］在區(qū)塊鏈上提出了各自重新設(shè)計(jì)的訪問(wèn)控制模型。接著，研究者們提出了更詳細(xì)的訪問(wèn)過(guò)程而不僅限于框架:Zhang 等［16］提出了一種靜態(tài)的訪問(wèn)控制模型；Ramachandran等［17］提出了一種科學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)源的管理方法；Ali等［18］提出了一種物聯(lián)網(wǎng)下的訪問(wèn)控制模型，并對(duì)事件和查詢(xún)基礎(chǔ)權(quán)限委托提出了要求。更進(jìn)一步，研究者們解決了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的關(guān)鍵問(wèn)題:Dorri 等［19］提出一種方法使用token 來(lái)緩解區(qū)塊鏈存在時(shí)間、計(jì)算和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)巨大的問(wèn)題；Lin 等［20］解決了細(xì)粒度訪問(wèn)；Novo 等［21］提出的模型具有可伸縮性；Alphand 等［22］的模型具有靈活性；Ma等［23］提出的模型可跨域訪問(wèn)。

盡管進(jìn)行了許多將區(qū)塊鏈與訪問(wèn)控制相結(jié)合的研究，但是目前這些訪問(wèn)控制模型并不成熟，沒(méi)有統(tǒng)一考慮物聯(lián)網(wǎng)海量性、動(dòng)態(tài)性和設(shè)備輕量級(jí)的特征。事實(shí)上這三個(gè)特征在物聯(lián)網(wǎng)中是內(nèi)在聯(lián)系并同時(shí)存在的，物聯(lián)網(wǎng)中存在海量的用戶(hù)，用戶(hù)會(huì)隨時(shí)移動(dòng)，每個(gè)用戶(hù)通常都擁有多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，且這些設(shè)備多數(shù)是輕量級(jí)的。因此本文將這三個(gè)特征放在一起討論，其中:海量性為訪問(wèn)控制帶來(lái)了更為復(fù)雜的管理難度，需要管理海量的用戶(hù)、終端設(shè)備和多樣的設(shè)備種類(lèi)、數(shù)據(jù)類(lèi)型以及更復(fù)雜的應(yīng)用；動(dòng)態(tài)性代表著訪問(wèn)控制必須支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和動(dòng)態(tài)接入；設(shè)備輕量級(jí)則代表著設(shè)備并不能為訪問(wèn)控制提供太多的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。

因此，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制（Blockchain-based IoT Access Control，BBIAC）框架，該框架包括BBIAC 模型和工作流程。為了滿(mǎn)足海量性的要求，BBIAC模型參考了ABAC 中關(guān)于屬性的概念，將主體和客體的屬性作為基本的決策要素，通過(guò)構(gòu)建｛屬性，權(quán)限｝關(guān)聯(lián)關(guān)系簡(jiǎn)化了大規(guī)模用戶(hù)的管理難度。接著，區(qū)塊鏈自身分布式結(jié)構(gòu)和身份認(rèn)證方式為BBIAC 提供了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接入的功能，同時(shí)提供權(quán)限傳遞功能滿(mǎn)足了物聯(lián)網(wǎng)中權(quán)限的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。最后，由區(qū)塊鏈所提供的安全性和多機(jī)構(gòu)間的信任，使BBIAC 可以將需要大規(guī)模計(jì)算和存儲(chǔ)的部分部署在區(qū)塊鏈中，因此本模型支持輕量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

本文的工作主要有:1）提出了一種物聯(lián)網(wǎng)下的訪問(wèn)控制模型，結(jié)合了ABAC 中屬性的概念和CapBAC 中令牌的概念，以區(qū)塊鏈為主體解決了物聯(lián)網(wǎng)三種環(huán)境特征帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并給出模型對(duì)應(yīng)的工作流程；2）利用著色Perti 網(wǎng)（Colored Petri Net，CPN）對(duì)BBIAC模型進(jìn)行形式化的安全性證明；3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了BBIAC 對(duì)海量性、動(dòng)態(tài)性和設(shè)備輕量級(jí)的支持，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BBIAC 適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同共識(shí)算法對(duì)模型性能的影響。

1 訪問(wèn)控制模型

1.1 模型設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境具有海量性、動(dòng)態(tài)性、設(shè)備輕量級(jí)的特征，BBIAC 作為物聯(lián)網(wǎng)下的訪問(wèn)控制模型，需要適應(yīng)這些特征。因此BBIAC 模型在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)兼顧了物聯(lián)網(wǎng)海量性、動(dòng)態(tài)性和設(shè)備輕量級(jí)的特征。

BBIAC 模型的設(shè)計(jì)思想如下:1）針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的海量性，BBIAC 模型吸收了ABAC 中屬性的概念，將屬性作為基本的決策要素，并在ABAC 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展；2）由區(qū)塊鏈數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)的身份認(rèn)證和P2P（Peer-to-Peer）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性，同時(shí)提供了權(quán)限的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移；3）區(qū)塊鏈所提供的多機(jī)構(gòu)間的信任，使BBIAC 可以將需要大規(guī)模計(jì)算和存儲(chǔ)的部分部署在安全可信的區(qū)塊鏈中，因此本模型支持輕量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；4）為了克服區(qū)塊鏈響應(yīng)時(shí)間過(guò)慢的缺點(diǎn)，將權(quán)限映射為token，然后通過(guò)token 提前申請(qǐng)、多次使用的訪問(wèn)方法，減小區(qū)塊鏈對(duì)訪問(wèn)控制性能的影響。

綜合以上的考慮，訪問(wèn)控制模型設(shè)計(jì)如圖1 所示，由以下三部分組成:

1）實(shí)體。包括主體（Subject，S）、客體（Object，O）、權(quán)限（Permission，P）、資源擁有者（Resource Owner，R）、Token 和事件（Event，E）。

2）實(shí)體間的關(guān)系。包括主體和Token 的關(guān)系（ST）、Token和權(quán)限（TP）、權(quán)限和客體（PO）、客體和資源擁有者（OR），以及事件與其他主體之間的關(guān)系。由于事件的不同，各種事件與主體之間的關(guān)系也各不相同。

3）屬性。包括實(shí)體屬性和環(huán)境屬性?xún)深?lèi)，實(shí)體屬性會(huì)出現(xiàn)繼承的現(xiàn)象，后文詳細(xì)介紹。

圖1 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制模型Fig. 1 Blockchain-based IoT access control model

1.2 實(shí)體

實(shí)體是訪問(wèn)控制模型中實(shí)際參與訪問(wèn)控制的集合。模型通過(guò)六元組（S，O，P，R，Token，E）表示物聯(lián)網(wǎng)中的訪問(wèn)控制所涉及到的實(shí)體。

主體是主動(dòng)發(fā)起訪問(wèn)請(qǐng)求的實(shí)體集合，通過(guò)S（t）=｛s1，s2，…，sn｝表示t時(shí)刻物聯(lián)網(wǎng)中的某個(gè)主動(dòng)發(fā)起訪問(wèn)請(qǐng)求的主體si的集合。

客體是物聯(lián)網(wǎng)中可被訪問(wèn)的實(shí)體集合，這里的客體可以是數(shù)據(jù)、文件、程序、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等虛擬和現(xiàn)實(shí)中所有可被訪問(wèn)的資源，通過(guò)O（t）=｛o1，o2，…，on｝表示t 時(shí)刻物聯(lián)網(wǎng)中可被訪問(wèn)的資源oi的集合。

權(quán)限是主體S 對(duì)客體O 操作的范圍和程度的實(shí)體集合，通過(guò)P=｛p1，p2，…，pn｝表示物聯(lián)網(wǎng)中的權(quán)限，包括數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)、新建、刪除和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作等。

資源擁有者R 是客體O 擁有者的實(shí)體集合，客體的訪問(wèn)策略都是由其資源擁有者制定，通過(guò)R（t）=｛r1，r2，…，rn｝表示t時(shí)刻物聯(lián)網(wǎng)中的資源擁有者ri的集合。

Token是訪問(wèn)控制策略對(duì)主體授予的權(quán)限的實(shí)體集合，通過(guò)Tokenij（p，tstart，tend）=｛tokenij（p，tstart，tend）|i∈S（tstart），j∈O（tstart），p∈P｝表示，tokenij（p，tstart，tend）表示tstart到tend期間主體si擁有對(duì)客體oj的操作權(quán)限p。

事件是訪問(wèn)控制模型中對(duì)token 操作的一組智能合約的集合，通過(guò)E=｛e1，e2，…，en｝表示，事件包括請(qǐng)求訪問(wèn)事件、token 生成事件、token 傳遞事件和token 使用事件等。之所以將操作token 的數(shù)個(gè)合約抽象出來(lái)形成事件實(shí)體，是因?yàn)閷?duì)token的操作是訪問(wèn)控制模型的核心。

1.3 實(shí)體間的關(guān)系

主體S 和Token 的關(guān)系通過(guò)ST?S×Token 表示，主體與Token 是一對(duì)多的關(guān)系，即每個(gè)主體可以同時(shí)擁有多個(gè)token，每個(gè)token只能對(duì)應(yīng)一個(gè)主體。

Token 和權(quán)限P 的關(guān)系通過(guò)TP?Token×P 表示，Token 和權(quán)限是多對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)token 可以對(duì)應(yīng)一個(gè)客體的多個(gè)權(quán)限，同時(shí)一個(gè)客體的權(quán)限可以生成多個(gè)token 分發(fā)給多個(gè)主體。

權(quán)限P 和客體O 的關(guān)系通過(guò)PO?P×O 表示，權(quán)限和客體是多對(duì)一的關(guān)系，一個(gè)客體可能會(huì)映射出多個(gè)可被訪問(wèn)的權(quán)限。例如對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攝像頭來(lái)說(shuō)其權(quán)限有開(kāi)、關(guān)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等操作權(quán)限。

客體O 和資源擁有者R 的關(guān)系通過(guò)OR?O×R 表示，客體和資源擁有者是多對(duì)一的關(guān)系，即一個(gè)客體對(duì)應(yīng)一個(gè)資源擁有者，一個(gè)資源擁有者可能擁有多個(gè)客體。

事件E 與其他實(shí)體間的關(guān)系較為復(fù)雜，且不同事件與其他實(shí)體的關(guān)系也是不同的。

請(qǐng)求訪問(wèn)事件與主體S、客體O 和權(quán)限P 有直接關(guān)系，通過(guò)AccessRequest（s，o，p）表示，其中訪問(wèn)請(qǐng)求事件與主體S 和客體O 都是一對(duì)一的關(guān)系，與權(quán)限P 是一對(duì)多的關(guān)系，因?yàn)橹黧w可以同時(shí)請(qǐng)求客體的多項(xiàng)權(quán)限。

token 生成事件與客體O、權(quán)限P 和Token 有直接關(guān)系，通過(guò)CreateToken（o，p）-＞token（p，tstart，tend）表示。token 生成事件與Token 是一對(duì)一的關(guān)系，每個(gè)token 生成事件會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的token。在生成token 時(shí)需要確定token 所對(duì)應(yīng)的客體和權(quán)限，一個(gè)token 對(duì)應(yīng)一個(gè)客體，但是可以對(duì)應(yīng)同一客體下的多個(gè)權(quán)限，這些權(quán)限必須是客體自身的權(quán)限的子集。

token 傳遞事件與主體和Token 有直接關(guān)系，通過(guò)TransferToken（sfrom，sto，token（p，tstart，tend））-＞token（p，tstart，tend）表示。每個(gè)token 傳遞事件和主體是1∶2 的關(guān)系，即一個(gè)主體發(fā)起傳遞，一個(gè)主體接收token。token 傳遞事件和Token 是一對(duì)一的關(guān)系，每個(gè)token傳遞事件只能傳遞一個(gè)token。

token 使用事件同樣僅與主體和Token 有關(guān)聯(lián)，通過(guò)UseToken（s，tokensj（p，tstart，tend））-＞pj表示，不同的是token使用事件與主體是一對(duì)一的關(guān)系，和Token同樣也是一對(duì)一的關(guān)系。

1.4 屬性

屬性是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的事物以訪問(wèn)控制為視角的抽象，提取出的與訪問(wèn)控制相關(guān)的性質(zhì)。模型中的屬性分為實(shí)體屬性和環(huán)境屬性?xún)深?lèi)。

這里首先需要對(duì)本文中屬性間的繼承和約束作出定義，然后逐一介紹各項(xiàng)屬性。

定義1 屬性繼承。實(shí)體間的屬性存在繼承的現(xiàn)象，即繼承者實(shí)體的屬性分為兩部分:一部分屬性繼承自被繼承者實(shí)體；一部分是自己特有的屬性，自己特有的屬性不會(huì)和繼承屬性沖突。

定義2 屬性間的約束。繼承者實(shí)體在繼承了被繼承者實(shí)體的屬性后，會(huì)受到被繼承者實(shí)體屬性的約束，或者說(shuō)它的行為必須滿(mǎn)足它所繼承的屬性。

例如對(duì)于固定安裝的網(wǎng)絡(luò)攝像頭來(lái)說(shuō)是不存在移動(dòng)和存儲(chǔ)功能的，因此它的權(quán)限也不包括移動(dòng)和寫(xiě)入，而是只有讀取、開(kāi)關(guān)機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等權(quán)限。因此，根據(jù)客體的不同，其分化出的權(quán)限的子集也是不同的。屬性與約束的關(guān)系如圖2所示。

主體的屬性是指主體自身固有的、與環(huán)境變化無(wú)關(guān)的、與訪問(wèn)控制有關(guān)的屬性，如年齡、性別、職業(yè)、職務(wù)等。使用SA表示主體屬性的集合，對(duì)于某個(gè)主體si的屬性集合表示為si.a=｛aj|aj∈si.SA｝，其中si∈S（t）。

圖2 實(shí)體屬性與約束范圍的關(guān)系示意圖Fig. 2 Schematic diagram of relationship between entity attributes and constraint range

客體的屬性是指客體自身固有的、與環(huán)境變化無(wú)關(guān)的、與訪問(wèn)控制有關(guān)的屬性。在物聯(lián)網(wǎng)中客體的屬性的多種多樣的。例如對(duì)于公共會(huì)議室的門(mén)禁系統(tǒng)，同一時(shí)間段內(nèi)應(yīng)該只允許一個(gè)使用者，因此會(huì)議室在同一時(shí)間段只能發(fā)出一個(gè)token；而像手機(jī)中三軸加速傳感器，可以同時(shí)給多個(gè)App傳遞用戶(hù)的步數(shù)，因此同一時(shí)間段可以發(fā)出多個(gè)token。使用OA表示客體屬性的集合，對(duì)于某個(gè)客體oi的屬性表示為:oi. a=｛ai|ai∈oi.OA｝。

權(quán)限的屬性包括自身固有屬性和繼承自其對(duì)應(yīng)客體的屬性，使用PA表示權(quán)限屬性的集合，對(duì)于某個(gè)客體oi的權(quán)限pj的屬性表示為:oi.pj.a=｛ak|ak∈pj.PA｝，同時(shí)oi.a?oi. pj.a。權(quán)限自身固有的屬性包括權(quán)限是永久賦予、按時(shí)間賦予還是按次數(shù)賦予等，權(quán)限繼承自其對(duì)應(yīng)客體的屬性受客體屬性的約束。

Token 的屬性包括自身固有屬性和從對(duì)應(yīng)權(quán)限繼承的屬性?xún)刹糠?。自身固有屬性包括token 擁有者、有效時(shí)間、是否可傳遞等。從對(duì)應(yīng)權(quán)限繼承的屬性受權(quán)限屬性的約束，同時(shí)從對(duì)應(yīng)權(quán)限繼承的屬性會(huì)影響token 的自身固有屬性。以公共會(huì)議室為例，主體sA得到的token 是某日上午8:00—12:00的使用權(quán)限，如果sA在10:00時(shí)會(huì)議結(jié)束，則可以將token傳遞給需要的sB，前提是sB符合token的使用要求。使用TA表示權(quán)限屬性的集合，對(duì)于某個(gè)tokeni的屬性表示為:tokeni.a=｛aj|aj∈tokeni.PA｝，其中oi.pj.a?tokeni.a。

環(huán)境屬性是指除實(shí)體屬性外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制有影響的環(huán)境因素。通過(guò)EA 表示環(huán)境屬性的集合。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的環(huán)境屬性有時(shí)間、位置、光照、溫度、聲音等。

資源擁有者和事件實(shí)體的屬性對(duì)訪問(wèn)控制的影響微乎其微，這里并沒(méi)有將其單獨(dú)列出。

2 模型工作流程

上文描述了模型的形式化定義，這里將詳細(xì)介紹模型的工作流程。訪問(wèn)控制流程分為如下4 個(gè)部分:用戶(hù)注冊(cè)、請(qǐng)求訪問(wèn)、訪問(wèn)資源和權(quán)限傳遞（permission delegation）。

2.1 用戶(hù)注冊(cè)

首先是用戶(hù)注冊(cè)流程，系統(tǒng)中的每個(gè)主體和客體都需要在BBIAC 中注冊(cè)。主體的注冊(cè)僅需要用戶(hù)在部署訪問(wèn)控制的區(qū)塊鏈中注冊(cè)賬戶(hù)即可，這里就不再贅述了。而客體的注冊(cè)是由資源擁有者主動(dòng)執(zhí)行的，注冊(cè)的內(nèi)容包括為客體取得一個(gè)ID 以及設(shè)置客體的屬性和訪問(wèn)控制策略等。具體流程如算法1所示。

算法1 的第1）～3）中，資源擁有者r 將自己所擁有的資源作為訪問(wèn)客體發(fā)布在BBIAC 中。第4）步檢測(cè)發(fā)布的內(nèi)容是否合法，主要檢測(cè)訪問(wèn)控制策略是否與客體屬性有沖突，例如對(duì)于溫度傳感器來(lái)說(shuō)，如果資源擁有者在其屬性設(shè)置時(shí)只為其設(shè)置了讀屬性，但是在其訪問(wèn)控制策略中卻有讀和寫(xiě)兩個(gè)權(quán)限，這就屬于策略和客體屬性沖突，需要重新上傳正確的訪問(wèn)策略。

考慮到某些情況需要更改屬性和訪問(wèn)策略，因此提供了更新客體屬性和訪問(wèn)策略的方法。屬性的更新和訪問(wèn)策略的更新都會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件，因此都會(huì)被區(qū)塊鏈記錄并永久保存。

2.2 請(qǐng)求訪問(wèn)

訪問(wèn)請(qǐng)求的完整表述是主體s 請(qǐng)求客體o 的訪問(wèn)權(quán)限。因此主體需要發(fā)送一個(gè)四元組的消息（s，r，o，｛o. p1，o. p2，…，o.pi｝）給區(qū)塊鏈，分別是消息的發(fā)起者請(qǐng)求主體s、客體o、o的擁有者r 和所請(qǐng)求的權(quán)限組｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝，其中所請(qǐng)求的權(quán)限可以是一個(gè)也可以是多個(gè)。具體流程如算法2所示。

算法2 中，主體s 發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求消息（s，r，o，｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝）給BBIAC，BBIAC 收到消息后首先驗(yàn)證消息是否正確，驗(yàn)證通過(guò)后BBIAC 根據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求消息獲得的參數(shù)查找主體和客體的屬性s.a 和o.a，同時(shí)調(diào)用GetEnvironmentAttr（）獲取當(dāng)前的環(huán)境屬性進(jìn)入決策階段，Decision（）利用獲取到的o. a，s.a，e.a，｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝作出決策，判斷是否授予權(quán)限。如果決定授予權(quán)限，則BBIAC 生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的tokenso，并將該tokenso傳遞給主體。

其中決策過(guò)程Decision（）如算法3 所示。BBIAC 根據(jù)主體屬性s.a、客體屬性o.a、環(huán)境屬性e.a、請(qǐng)求的權(quán)限｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝來(lái)決策是否授予主體訪問(wèn)權(quán)限。

2.3 訪問(wèn)資源

主體在得到tokenso后，可以憑借tokenso訪問(wèn)該tokenso所對(duì)應(yīng)的客體資源。訪問(wèn)資源需要主體發(fā)送一個(gè)五元組的消息（s，r，o，tokenso，｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝）給區(qū)塊鏈，分別是消息的發(fā)起者請(qǐng)求主體s，被訪問(wèn)者也就是客體o 的擁有者r，客體o，所使用的tokenso和將要使用的權(quán)限｛o. p1，o. p2，…，o. pi｝。流程如算法4所示。

算法4 中，主體s 發(fā)送訪問(wèn)資源的五元組消息（s，r，o，tokenso，｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝）給BBIAC，BBIAC 收到消息后首先驗(yàn)證消息是否正確，驗(yàn)證通過(guò)則判斷｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝?｛o.px，…，o.py｝是否成立，是則主體擁有｛o.p1，o.p2，…，o.pi｝權(quán)限訪問(wèn)客體。

2.4 權(quán)限傳遞

權(quán)限傳遞使物聯(lián)網(wǎng)中的權(quán)限管理更加靈活。主體s 發(fā)送一個(gè)三元組的消息（sfrom，sto，tokenso）給BBIAC，分別是消息的發(fā)起者主體同時(shí)也是tokenso的擁有者sfrom，傳遞的目的地主體sto和所傳遞的tokenso。具體流程如算法5所示。

算法5 中，首先發(fā)起傳遞tokenso的主體sfrom，發(fā)送tokenso傳遞的三元組消息（sfrom，sto，tokenso）給BBIAC，合法性驗(yàn)證通過(guò)后進(jìn)行權(quán)限約束性檢測(cè)，即主體sto是否有資格使用tokenso，如果確認(rèn)有資格使用則將tokenso由主體傳sfrom遞給主體sto。

3 安全性分析

3.1 安全問(wèn)題描述

BBIAC模型的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要從以下三個(gè)方面展開(kāi)分析:

首先是簡(jiǎn)單安全問(wèn)題，是指訪問(wèn)控制模型在任意一個(gè)狀態(tài)下，都不存在未授權(quán)用戶(hù)對(duì)指定資源訪問(wèn)的情況，也就是說(shuō)不存在權(quán)限的泄露，如果存在則模型是不安全的［24］。

第二個(gè)問(wèn)題是簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題，指訪問(wèn)控制模型在可達(dá)的系統(tǒng)狀態(tài)中，已授權(quán)用戶(hù)可以訪問(wèn)指定資源，如果是則該模型是安全的。簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題保證了模型的正確性，即已授權(quán)用戶(hù)可以使用該權(quán)限訪問(wèn)指定資源［24］。

第三個(gè)問(wèn)題是約束繼承問(wèn)題，是指模型中的約束條件是向下繼承的，權(quán)限授予時(shí)不能越過(guò)約束條件，如果越過(guò)約束條件則模型是不安全的。

其中:前兩項(xiàng)來(lái)自于文獻(xiàn)［24］，是所有訪問(wèn)控制模型必須要滿(mǎn)足的條件；第三項(xiàng)是針對(duì)BBIAC模型提出的安全條件。

3.2 Petri網(wǎng)建模

為了分析模型是否滿(mǎn)足上述三個(gè)安全性問(wèn)題，需要通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析BBIAC 模型設(shè)計(jì)和工作流程。本文選擇了具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義的數(shù)學(xué)建模工具Petri網(wǎng)進(jìn)行建模。

CPN 通過(guò)九元組（Places，T，A，∑，V，C，G，E，I）模型來(lái)表述。這里對(duì)BBIAC 建立了一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的CPN 模型，圖形化表示如圖3～10 所示。接下來(lái)將介紹CPN 九元組的組成。需要注意的是，token 同時(shí)也是Petri 網(wǎng)中的一個(gè)原語(yǔ)，為了防止本文中概念的沖突，本文中所有Petri 網(wǎng)中的token 都用Petri_token表示。

3.2.1 顏色集和變量集

首先介紹的是顏色集∑，根據(jù)BBIAC 建模的需要定義了9個(gè)顏色集，具體定義及含義如表1所示。

變量集V 中的變量用在弧表達(dá)式中，變量所對(duì)應(yīng)的顏色集如表2所示。

表1 BBIAC中的Petri網(wǎng)顏色集定義Tab. 1 Petri net color set definition in BBIAC

表2 變量集Tab. 2 Variable set

3.2.2 位置集、變遷集、弧集以及相關(guān)函數(shù)

CPN 圖中橢圓形為位置集Places，也稱(chēng)為庫(kù)所集。庫(kù)所右上角是初始化函數(shù)I，右下角是著色函數(shù)C。

CPN 圖中矩形為變遷集T，其中矩形線條是雙線的是替代變遷，表示這個(gè)變遷下還有一層模型。變遷的左上方是該變遷的防衛(wèi)函數(shù)G。

CPN 圖中庫(kù)所與變遷直接由弧所連接，所有的弧組成弧集A。每個(gè)弧上都有弧表達(dá)式函數(shù)E。

頂層模型如圖3 所示具有8 個(gè)庫(kù)所，5 個(gè)替代變遷，由28條弧將其連接起來(lái)。

其中替代變遷RegisteredSubject 的子頁(yè)模型如圖4 所示，其中RepeatabilityTest 變遷點(diǎn)火用來(lái)檢測(cè)主體是否已注冊(cè)，如果沒(méi)有則可以點(diǎn)火RegisteredSubject 來(lái)在系統(tǒng)中注冊(cè)新的主體。

替代變遷RegisteredObject 的子頁(yè)模型如圖5 所示，首先通過(guò)RepeatabilityTest 變遷點(diǎn)火用來(lái)檢測(cè)客體是否合法，然后通過(guò)CollisionDetetion 變遷檢測(cè)客體屬性和策略是否沖突，如果前兩個(gè)變遷點(diǎn)火成功，則通過(guò)RegisteredResources 變遷注冊(cè)新的客體。

替代變遷RequestAccess 的子頁(yè)模型如圖6 所示，其中GetObject 和GetSubject 變遷點(diǎn)火獲取到當(dāng)前系統(tǒng)中的客體和主體。RequestAccess 變遷點(diǎn)火表示主體請(qǐng)求客體的某個(gè)請(qǐng)求。Get_s_att 替代變遷點(diǎn)火用來(lái)獲取主體的屬性，其中Get_s_attl 變遷的點(diǎn)火是準(zhǔn)備主體的屬性集。Get_op_att 替代變遷用來(lái)獲取被請(qǐng)求的客體權(quán)限的屬性，其中Get_p_attl變遷的點(diǎn)火是準(zhǔn)備客體權(quán)限的屬性集。Decision 變遷點(diǎn)火判斷主體是否有權(quán)訪問(wèn)客體。AuthorityGrantingDecision 變遷點(diǎn)火做出決策是否將客體的權(quán)限授予主體，如果授予則生成對(duì)應(yīng)的token。

替代變遷AccessResources 的子頁(yè)模型如圖7 所示，GetToken 變遷點(diǎn)火表示主體查找自己已經(jīng)得到的token，AccessResources變遷點(diǎn)火表示使用token訪問(wèn)某資源。

替代變遷TransferAccess 的子頁(yè)模型如圖8 所示，其中Control 變遷是用來(lái)控制TransferAccess 變遷的點(diǎn)火時(shí)間，TransferAccess 變遷點(diǎn)火表示系統(tǒng)收到權(quán)限傳遞消息。Test變遷模擬系統(tǒng)檢測(cè)權(quán)限傳遞的合法性。RemoveToken 變遷點(diǎn)火表示刪除舊的token，AddNewToken 變遷點(diǎn)火表示添加新的token，以此模擬token的傳遞。

本模型中第三層僅有兩個(gè)子頁(yè)，且都在替代變遷RequestAccess 的子頁(yè)中。Get_s_att 替代變遷的子頁(yè)模型如圖9 所示，GetSData 變遷點(diǎn)火獲取系統(tǒng)當(dāng)前的主體屬性集和需要搜索的主體，Result 變遷點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)搜索并輸出結(jié)果。Get_op_att 替代變遷的子頁(yè)模型如圖10 所示，GetOData 變遷點(diǎn)火獲取系統(tǒng)當(dāng)前的客體屬性集和需要搜索的客體，Result變遷點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)搜索并輸出結(jié)果。這里作了一定程度的抽象，在不流失BBIAC 關(guān)鍵要素的前提下，忽略了一些數(shù)據(jù)處理的細(xì)節(jié)。

圖3 BBIAC頂層模型Fig. 3 BBIAC top-level model

圖4 RegisteredSubject子頁(yè)模型Fig. 4 RegisteredSubject subpage model

圖5 RegisteredObject子頁(yè)模型Fig. 5 RegisteredObject subpage model

圖6 RequestAccess子頁(yè)模型Fig. 6 RequestAccess subpage model

圖7 AccessResources子頁(yè)模型Fig. 7 AccessResources subpage model

圖8 TransferAccess子頁(yè)模型Fig. 8 TransferAccess subpage model

圖9 Get_s_att子頁(yè)模型Fig. 9 Get_s_att subpage model

圖10 Get_op_att子頁(yè)模型Fig. 10 Get_op_att subpage model

3.3 基于CPN的安全問(wèn)題檢測(cè)

3.3.1 簡(jiǎn)單安全問(wèn)題

定義3 簡(jiǎn)單安全問(wèn)題。對(duì)于任意的變遷點(diǎn)火序列R（M），如果存在M［AccessResources ＞，必然在其前面存在M［AuthorityGrantingDecision ＞M′，否則該模型就是不安全的。

證明

對(duì) 于 BBIAC 的 CPN 模 型 ， 如 果 想 要M［AccessResources ＞，即AccessResources 為可點(diǎn)火（enabled）狀態(tài)，需要AccessResources變遷的三個(gè)輸入庫(kù)所log、tokens和subject 都非空。這里非空的意思是庫(kù)所中擁有petri_token，因此petri_token的值為空并不等于庫(kù)所是非空的。

其中l(wèi)og 庫(kù)所都由初始化函數(shù)賦予了初始值，在M0 時(shí)是非空的，同時(shí)log 庫(kù)所在作為日志在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有刪除的功能，所以log庫(kù)所是非空的。

而tokens 庫(kù)所在M0 時(shí)的初始值是［］，在M0 時(shí)是一張空表。只 有 點(diǎn) 火 且E（AuthorityGrantingDecision，tokens）＜if authority＞= policy then 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）else 1`tokenlist＞= 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）才會(huì)在tokens 庫(kù)所中填入新的值。雖然模型中的token 僅僅只在傳遞時(shí)會(huì)由RemoveToken 變遷實(shí)現(xiàn)token 刪除操作，但會(huì)馬上由AddNewToken 變遷將新的token 添加到tokens 庫(kù)所中。同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)置的傳遞token 的比例較小，不會(huì)出現(xiàn)所有token都被刪除的情況。因此tokens是非空的。

subject 庫(kù)所的值由GetToken 變遷點(diǎn)火生成，而GetToken變遷的輸入庫(kù)所是tokens，如果輸入值為［］則輸出弧的弧表達(dá)式函數(shù)會(huì)將輸出變?yōu)榭?，因此只有?dāng)E（tokens，GetToken）＜token::tokenlist＞≠1`［］時(shí)，subject 庫(kù)所才可能會(huì)非空。而想要E（tokens，GetToken）＜token::tokenlist＞≠1`［］就必須滿(mǎn)足tokens≠1`［］。而 想 要tokens≠1`［］就 必 須 滿(mǎn) 足 之 前 存 在E（AuthorityGrantingDecision，tokens）＜if authority＞= policy then 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）else 1`tokenlist＞=1`（（subject，object，authority）::tokenlist）。

綜 上 所 述 ， BBIAC 模 型 中 只 有 存 在M ［AuthorityGrantingDecision ＞ M′ 且 出 現(xiàn)E（AuthorityGrantingDecision，tokens）＜if authority＞= policy then 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）else 1`tokenlist＞=1`（（subject，object，authority）::tokenlist）才 會(huì) 出 現(xiàn)M［AccessResources＞，因此模型在簡(jiǎn)單安全問(wèn)題1方面是安全的。 證畢。3.3.2 簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題

簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題在CPN 環(huán)節(jié)中可以轉(zhuǎn)化為可達(dá)性問(wèn)題，即模型可以從標(biāo)識(shí)Mi經(jīng)過(guò)某些點(diǎn)火序列后到達(dá)標(biāo)識(shí)Mj，其中j＞i。因此簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題的定義如下:

定義4 簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題。對(duì)于任意標(biāo)識(shí)序列R（M），當(dāng)M ［AuthorityGrantingDecision ＞ M′ 且 出 現(xiàn)E（AuthorityGrantingDecision，tokens）＜if authority＞= policy then 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）else 1`tokenlist＞=1`（（subject，object，authority）::tokenlist），必然存在變遷點(diǎn)火序列［ti，ti+1，…，ti+n］使M［AccessResources＞出現(xiàn)。否則該模型就是不安全的。

證明

這個(gè)問(wèn)題通過(guò)模型的狀態(tài)空間圖可以很容易地證明，但是由于狀態(tài)空間圖太大這里不容易說(shuō)明問(wèn)題，所以這里使用標(biāo)識(shí)序列圖來(lái)證明。一次典型的點(diǎn)火序列如表3 所示。其中:第1～3步的作用是在RegisteredObject 子頁(yè)中注冊(cè)客體；第4～5 步變遷點(diǎn)火是在RegisteredSubject 子頁(yè)中注冊(cè)主體；第6～14 步變遷點(diǎn)火是在RequestAccess 子頁(yè)中實(shí)現(xiàn)的用戶(hù)請(qǐng)求訪問(wèn)權(quán)限的過(guò)程；第15～19 步變遷點(diǎn)火是在TransferAccess 子頁(yè)中傳遞token；第20～21 步變遷點(diǎn)火是在AccessResources 子頁(yè)中使用token訪問(wèn)資源。

由于第15～19 步變遷點(diǎn)火序列是為了傳遞token，所以這個(gè)序列段可以重復(fù)執(zhí)行，也可以不執(zhí)行，根據(jù)使用場(chǎng)景變化而改變，但是并不影響證明。

在上述的標(biāo)識(shí)序列中，M13 標(biāo)識(shí)相當(dāng)于簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題中 的 M ［AuthorityGrantingDecision ＞M′， 而 E（AuthorityGrantingDecision，tokens）＜if authority＞= policy then 1`（（subject，object，authority）::tokenlist）else 1`tokenlist＞=1`（（subject，object， authority）::tokenlist）則 表 明AuthorityGrantingDecision 變遷點(diǎn)火成功生成了一個(gè)token，因此無(wú)論后面的變遷點(diǎn)火序列是什么，最終都會(huì)到第21步，M20［AccessResources＞M21，使用token訪問(wèn)客體，唯一的不同在于有可能主體拿到token 直接自己使用，也有可能將token 傳遞給其他主體，由其他主體使用token。同時(shí)，通過(guò)cpn tools進(jìn)行的仿真結(jié)果表示，BBIAC 模型滿(mǎn)足簡(jiǎn)單可用性。因此模型在簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題方面是安全的。 證畢。

表3 典型的變遷點(diǎn)火序列Tab. 3 Typical transition firing sequence

3.3.3 約束繼承問(wèn)題

定義5 數(shù)據(jù)流。在任意變遷點(diǎn)火序列中，含有相同主體地址值的所有Petri_token，稱(chēng)之為相關(guān)的數(shù)據(jù)流。

數(shù)據(jù)流間接反映了與該主體相關(guān)的所有操作。

定義6 約束繼承問(wèn)題。對(duì)于標(biāo)識(shí)序列中的任意主體產(chǎn)生 的 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 流，都 滿(mǎn) 足subject. att≥token. att≥policy. att≥object.att，即屬性約束在訪問(wèn)控制過(guò)程中是向下繼承的，否則該模型就是不安全的。

證明

在BBIAC 的CPN 模型中，?subject. add∈subjectAddress。對(duì)于模型中所有與subject.add 相關(guān)的數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)的屬性由變遷的防衛(wèi)函數(shù)或者弧表達(dá)式約束。

首先在替代變遷RequestAccess 的子頁(yè)模型中，由

E（Decision，results）＜if attri＞=authority then 1`（object，authority）else 1`（0，0）＞確保了subject.att≥token.att，其中attri是subject的屬性，authority為將來(lái)生成的token的屬性。

然后，在替代變遷RegisteredObject 中，CollisionDetection變遷的防衛(wèi)函數(shù)［attri ＜= policy］確保了policy.att≥object.att，這里attri是客體object的屬性。

最后，在替代變遷TransferAccess 中，由Test變遷確保了模型在token 傳遞時(shí)其約束也是被繼承下去的，即subjectto.att≥subjectfrom. att，本文將這個(gè)過(guò)程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)某橄蠛?jiǎn)化，由Test變遷表示這個(gè)含義。

綜上所述，在替代變遷RequestAccess 中確保了token.att≥policy. att 和 policy. att≥object. att，在 替 代 變 遷RegisteredObject 中確保了policy. att≥object. att，在替代變遷TransferAccess 中確保了subjectto.att≥subjectfrom.att。因此模型滿(mǎn)足subject.att≥token.att≥policy.att≥object.att，在約束繼承問(wèn)題方面是安全的。 證畢。

4 性能分析與實(shí)驗(yàn)

在完成模型安全性的理論性證明后，這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證BBIAC 框架確實(shí)可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下海量性、動(dòng)態(tài)性和設(shè)備輕量級(jí)特性的挑戰(zhàn)。

4.1 海量性

分析BBIAC 框架對(duì)海量性的支持程度，因?yàn)閰^(qū)塊鏈對(duì)海量性用戶(hù)的支持并不是本文的工作，所以本實(shí)驗(yàn)僅反映模型架構(gòu)對(duì)海量性的支持，其中將物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的增加映射為訪問(wèn)控制策略數(shù)的增加。

策略數(shù)分別設(shè)為1 000、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000，以此映射物聯(lián)網(wǎng)中用戶(hù)和設(shè)備不斷增加。選擇了以太坊和超級(jí)賬本這兩種區(qū)塊鏈平臺(tái)，分別對(duì)應(yīng)了POW（Proof of Work）和PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）兩種共識(shí)算法。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是主體s1對(duì)客體o1進(jìn)行20 次訪問(wèn)。每組進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn)取平均。實(shí)驗(yàn)中POW 和PBFT 的共識(shí)時(shí)間來(lái)自文獻(xiàn)［25］，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)搭建的區(qū)塊鏈環(huán)境并不能客觀地反映這兩種共識(shí)算法的時(shí)間性能。

圖11 為不同訪問(wèn)控制策略數(shù)下使用POW 和PBFT 共識(shí)算法的BBIAC 的第一次訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間。圖11 中黑色的其他開(kāi)銷(xiāo)中包括網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)間和客戶(hù)端編譯時(shí)間，每組的時(shí)間基本相同。由圖11 可知影響訪問(wèn)控制響應(yīng)時(shí)間的主要變量是決策時(shí)間，當(dāng)策略數(shù)增加后，決策時(shí)間也會(huì)隨之增加，決策時(shí)間會(huì)成為影響訪問(wèn)控制響應(yīng)時(shí)間的主要因素。

選擇訪問(wèn)決策同樣是基于主體和客體屬性的ABAC 作為對(duì)比對(duì)象，在策略數(shù)為10 000 時(shí)對(duì)比ABAC 和BBIAC 的響應(yīng)時(shí)間和累計(jì)時(shí)間。

由圖12可知:在第一次訪問(wèn)時(shí)ABAC所用時(shí)間最短，因?yàn)樗鼪](méi)有區(qū)塊鏈共識(shí)的時(shí)間。而B(niǎo)BIAC+POW 的響應(yīng)時(shí)間是最長(zhǎng)，因?yàn)樗粌H需要訪問(wèn)決策而且還需要區(qū)塊鏈共識(shí)，同時(shí)POW 共識(shí)所需的時(shí)間最長(zhǎng)。BBIAC+PBFT 的響應(yīng)時(shí)間比ABAC 略長(zhǎng)但比BBIAC+POW 短，因?yàn)镻BFT 共識(shí)所需的時(shí)間較POW 會(huì)短很多。而B(niǎo)BIAC+POW 和BBIAC+PBFT 在第一次訪問(wèn)后的訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間都較短且平滑是因?yàn)樵谥黧ws1得到客體token 后，只需要進(jìn)行算法4 的過(guò)程即可，即客體可以先授權(quán)后共識(shí)，這一過(guò)程較為簡(jiǎn)單。ABAC 響應(yīng)時(shí)間的波動(dòng)是因?yàn)槊看螌?shí)驗(yàn)初始化的策略和請(qǐng)求的客體都不同，因此會(huì)有誤差。

圖11 第一次訪問(wèn)控制的響應(yīng)時(shí)間Fig. 11 Response time for first access control

圖12 訪問(wèn)控制響應(yīng)時(shí)間對(duì)比Fig. 12 Comparison of access control response time

同樣由圖13 可知，在策略數(shù)為10 000 時(shí)，僅第一次訪問(wèn)ABAC占微小的優(yōu)勢(shì)，隨著token使用次數(shù)的增加，BBIAC累計(jì)時(shí)間大幅少于ABAC。

圖13 訪問(wèn)控制累計(jì)時(shí)間Fig. 13 Cumulative time of access control

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BBIAC 適用于物聯(lián)網(wǎng)，尤其是擁有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)、訪問(wèn)控制規(guī)則復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)。

4.2 動(dòng)態(tài)性

當(dāng)前場(chǎng)景下的狹義的動(dòng)態(tài)性指的是由于物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)和設(shè)備移動(dòng)造成的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在選擇區(qū)塊鏈作為訪問(wèn)控制搭建平臺(tái)時(shí)就由區(qū)塊鏈自身的特性解決了，因此這里的動(dòng)態(tài)性指的是權(quán)限的動(dòng)態(tài)傳遞。

設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)，策略數(shù)設(shè)為1 000，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為連續(xù)訪問(wèn)20 次，分別傳遞1 次、2 次和3 次token，傳遞發(fā)生在訪問(wèn)的第3、5、7次。策略數(shù)選擇設(shè)為1 000而不是10 000是因?yàn)楫?dāng)策略數(shù)為10 000時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)法體現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化趨勢(shì)。

使用POW 共識(shí)算法時(shí)累計(jì)訪問(wèn)花費(fèi)的時(shí)間如圖14 所示，傳遞1 次token 時(shí)在第9 次訪問(wèn)后BBIAC 的累計(jì)時(shí)間較開(kāi)始比ABAC 短。共識(shí)算法使用PBFT 的實(shí)驗(yàn)中僅第一次訪問(wèn)ABAC占優(yōu)，這是由于PBFT的共識(shí)時(shí)間較短。

token 傳遞為BBIAC 節(jié)省了決策的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，在策略數(shù)較大的情況下節(jié)省的時(shí)間是很可觀的。但是token 傳遞需要區(qū)塊鏈共識(shí)，因此當(dāng)token頻繁傳遞時(shí)會(huì)導(dǎo)致多次共識(shí)時(shí)間增加了BBIAC的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

圖14 權(quán)限多次傳遞對(duì)累計(jì)響應(yīng)時(shí)間的影響Fig. 14 Impact of multiple permission transfers on cumulative response time

4.3 設(shè)備輕量級(jí)

這里只討論物聯(lián)網(wǎng)中的輕量級(jí)設(shè)備。例如各類(lèi)傳感器等設(shè)備，雖然作為數(shù)據(jù)源向網(wǎng)絡(luò)中上傳數(shù)據(jù)，但是其設(shè)備自身的物理性質(zhì)使其無(wú)法直接連接在本模型中，而是需要一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)。而更多的輕量級(jí)設(shè)備是有一定計(jì)算和存儲(chǔ)能力的。因此，部分設(shè)備可以在其上部署以太坊客戶(hù)端與以太坊網(wǎng)絡(luò)中部署的BBIAC智能合約進(jìn)行交互。

主流的區(qū)塊鏈平臺(tái)都支持輕量級(jí)客戶(hù)端，如以太坊的imToken、MetaMask和Hyperledger的lroha等項(xiàng)目，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)備只要能夠連接到網(wǎng)絡(luò)即可發(fā)起交易。

BBIAC 模型將區(qū)塊鏈作為訪問(wèn)決策的實(shí)體，可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輕量級(jí)的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)海量性、動(dòng)態(tài)性和設(shè)備輕量級(jí)的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制框架。首先提出了形式化的BBIAC 模型設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了模型的工作流程設(shè)計(jì)。然后通過(guò)CPN 證明了BBIAC 的安全性，首先為BBIAC 建立了CPN模型，然后通過(guò)CPN從簡(jiǎn)單安全問(wèn)題、簡(jiǎn)單可用性問(wèn)題和約束繼承問(wèn)題這三個(gè)方面證明了BBIAC 模型的安全性。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BBIAC滿(mǎn)足其在設(shè)計(jì)時(shí)的目的。

我們的下一步工作是進(jìn)一步細(xì)化本文所提出的框架，研究適用于物聯(lián)網(wǎng)的多中心結(jié)構(gòu)的屬性挖掘和授予機(jī)制。