基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案

許 瑋

（安徽皖信人力資源管理有限公司，合肥 230000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，設(shè)備數(shù)量迅速增長，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也迅猛增長。為了提高運行效率、降低維護(hù)成本，很多企業(yè)開始將部分工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。這些工業(yè)設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)沒有集中地存儲、管理和分析，使得工業(yè)設(shè)備上的信息非常容易被竊取。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種具有分布式、去中心化、防篡改等特性的加密技術(shù)，其誕生于2009年，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后又一個革命性的技術(shù)。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，很多企業(yè)通過區(qū)塊鏈技術(shù)來保證數(shù)據(jù)共享。區(qū)塊鏈具有可溯源等特性，能夠有效地保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。

1 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)共享方案設(shè)計

1.1 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型設(shè)計思想

1）在數(shù)據(jù)共享之前，通過對設(shè)備的屬性進(jìn)行訪問控制，設(shè)置設(shè)備的訪問權(quán)限，只有滿足訪問權(quán)限的用戶才能進(jìn)入設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。另外，只有滿足相應(yīng)權(quán)限的用戶才能對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、更新、刪除等操作。

2）在用戶發(fā)起設(shè)備共享請求之后，本方案利用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約來實現(xiàn)對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)共享過程的控制。通過智能合約按照一定規(guī)則對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備共享進(jìn)行控制。智能合約分為2 種類型：一種是靜態(tài)智能合約，一種是動態(tài)智能合約[1]。

靜態(tài)智能合約用于在用戶發(fā)起設(shè)備共享請求之后，通過驗證用戶的身份是否滿足訪問控制規(guī)則來完成對用戶的授權(quán)；動態(tài)智能合約用于在用戶發(fā)起設(shè)備共享請求之后，通過驗證用戶的訪問權(quán)限來控制設(shè)備共享過程。

3）在區(qū)塊鏈中將數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則進(jìn)行分片存儲。對于分片后的數(shù)據(jù)，通過IPFS 分布式文件系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的分布式存儲。

4）在對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問操作時，使用傳統(tǒng)的PKI 技術(shù)來完成訪問信息驗證。

區(qū)塊鏈技術(shù)用于身份認(rèn)證之后，其具有不可篡改性和可溯源性，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的可信訪問。本方案通過使用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字簽名機(jī)制實現(xiàn)對訪問信息進(jìn)行驗證。數(shù)字簽名機(jī)制由一組數(shù)字簽名組成：一個公鑰和一組私鑰。公鑰加密數(shù)據(jù)時，利用私鑰解密數(shù)據(jù)；私鑰加密數(shù)據(jù)時，利用公鑰驗簽。區(qū)塊鏈可以解決對用戶身份進(jìn)行驗證但不能保護(hù)數(shù)據(jù)隱私問題。如果某個用戶沒有使用自己身份驗證后生成的公鑰，則不能獲得該用戶私鑰中指定設(shè)備訪問信息的訪問權(quán)限[2]。

1.2 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享流程

在本方案中，使用RSA 和橢圓曲線加密算法對設(shè)備的訪問信息和隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。設(shè)備通過智能合約向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當(dāng)數(shù)據(jù)請求到達(dá)網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)接收方使用哈希函數(shù)對原始信息進(jìn)行哈希運算，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制位。

二進(jìn)制位代表該信息的完整性。然后，數(shù)據(jù)接收方使用橢圓曲線加密算法對哈希運算后的結(jié)果進(jìn)行加密，生成一條與原始信息相異的加密信息。然后將該信息發(fā)送給數(shù)據(jù)接收方。由于在發(fā)送前對其進(jìn)行了哈希運算，所以發(fā)送方和接收方之間不存在明文交互。但是，在接收到哈希編碼后，該哈希編碼會與原始數(shù)據(jù)相異。根據(jù)哈希編碼，可以將原始信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制位的形式。利用橢圓曲線加密算法生成的密文與原始信息相異，可以保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不會被竊取或篡改。

通過以上工作流程可以實現(xiàn)以下目標(biāo)：①保證數(shù)據(jù)隱私；②在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以保證數(shù)據(jù)完整性；③在數(shù)據(jù)傳輸過程中不會被竊取或篡改。因此，本方案在實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享時，滿足以下條件，一是設(shè)備能夠正確讀取和解釋服務(wù)器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。二是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不會出現(xiàn)惡意或無意篡改數(shù)據(jù)的情況[3]。

1.3 可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)企業(yè)的需求向企業(yè)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)主要對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并將這些數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈進(jìn)行存儲，當(dāng)需要訪問時，可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)便可以根據(jù)區(qū)塊鏈上的信息進(jìn)行解密操作。同時，當(dāng)企業(yè)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈之后，便可以通過可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)對相關(guān)信息進(jìn)行解密操作。

在企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享中，由于雙方都不掌握彼此的具體情況和數(shù)據(jù)內(nèi)容，為了保證雙方能夠準(zhǔn)確地獲取彼此信息并保證信息安全，因此需要通過可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)對信息進(jìn)行解密處理?？尚诺谌椒?wù)機(jī)構(gòu)主要包含2 個方面：①可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)能夠向企業(yè)提供相關(guān)數(shù)據(jù)的解密處理；②可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)能夠?qū)υO(shè)備節(jié)點上傳至區(qū)塊鏈中的相關(guān)信息進(jìn)行加密處理[4]。

第一步，企業(yè)向可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)提出相應(yīng)的需求，并將設(shè)備節(jié)點的相關(guān)信息通過可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)傳輸至區(qū)塊鏈上；第二步，可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)將企業(yè)的需求和區(qū)塊鏈上相應(yīng)信息進(jìn)行比較判斷是否滿足企業(yè)需求；第三步，若滿足用戶需求則通過區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)信息對相關(guān)信息進(jìn)行解密；第四步，解密后獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。最終，由可信第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)對相關(guān)信息進(jìn)行解密操作并將結(jié)果反饋給企業(yè)。

2 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型由4 個部分組成（圖1）：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)訪問模塊和結(jié)果分析模塊。其中，在數(shù)據(jù)采集模塊中，通過可信第三方對設(shè)備節(jié)點的身份進(jìn)行認(rèn)證，并將設(shè)備節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后存儲在區(qū)塊鏈上。在數(shù)據(jù)傳輸模塊中，通過區(qū)塊鏈與其他設(shè)備節(jié)點進(jìn)行通信，并將設(shè)備節(jié)點的傳輸信息寫入到區(qū)塊鏈中。在結(jié)果分析模塊中，通過區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)信息對設(shè)備節(jié)點的行為進(jìn)行分析并反饋結(jié)果[5]。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型

基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型主要包含2 個階段：隱私保護(hù)階段和基于可信第三方的數(shù)據(jù)訪問階段。在第一階段中，需要對設(shè)備節(jié)點的身份信息、設(shè)備節(jié)點之間的關(guān)系、設(shè)備節(jié)點與其他節(jié)點之間的關(guān)系和設(shè)備節(jié)點自身的狀態(tài)信息進(jìn)行加密處理。在第二個階段中，通過可信第三方對上述信息進(jìn)行加密處理后存儲到區(qū)塊鏈上。當(dāng)需要進(jìn)行訪問時，便通過可信第三方對相關(guān)信息進(jìn)行解密。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)備節(jié)點能夠通過多種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，例如，利用傳感器、數(shù)據(jù)采集卡或工控交換機(jī)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用串口或網(wǎng)口等對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)等方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。同時，對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中不同類型的設(shè)備節(jié)點，其具有不同的通信方式[6]。對于那些已經(jīng)建立通信協(xié)議的設(shè)備節(jié)點，其通常是通過現(xiàn)有通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此需要制定一套通信協(xié)議，使得不同類型的設(shè)備節(jié)點能夠在一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下對信息進(jìn)行采集。由于現(xiàn)有通信協(xié)議沒有統(tǒng)一定義和標(biāo)準(zhǔn)，因此需要建立一套通信協(xié)議來保證各個設(shè)備節(jié)點之間可以在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備節(jié)點能夠通過多種方式將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，包括：無線傳輸、有線傳輸和以太網(wǎng)傳輸。其中，無線傳輸是通過路由器或中繼器等設(shè)備在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行傳輸；有線傳輸是利用網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)中；以太網(wǎng)傳輸是通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)中。另外，還需要對所有設(shè)備節(jié)點上的傳感器、控制卡等硬件裝置進(jìn)行統(tǒng)一管理[7]。

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊（圖2）主要由可信第三方、數(shù)據(jù)交換中心和結(jié)果分析中心組成。

圖2 數(shù)據(jù)存儲模塊

2.2.1 可信第三方

為了保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全，可以將系統(tǒng)中的每個設(shè)備節(jié)點都看作是一個可信第三方，即區(qū)塊鏈節(jié)點。為了保證存儲的安全性，需要將該設(shè)備節(jié)點作為可信第三方進(jìn)行注冊，并設(shè)置一個可信第三方管理機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)中有多個設(shè)備節(jié)點時，需要對其進(jìn)行身份驗證和權(quán)限認(rèn)證，防止某個設(shè)備節(jié)點泄露機(jī)密信息。當(dāng)其他的設(shè)備節(jié)點獲得了可信第三方的授權(quán)后才能夠訪問該數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)交換中心

為了保證每個設(shè)備節(jié)點的可靠性和安全性，需要將其作為數(shù)據(jù)交換中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換中心負(fù)責(zé)對傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，并將處理后的信息存儲在區(qū)塊鏈中，然后通過接口將區(qū)塊鏈信息傳輸給系統(tǒng)中所有設(shè)備節(jié)點[8]。

2.2.3 結(jié)果分析中心

為了保證系統(tǒng)中的每個設(shè)備節(jié)點都能夠接收到相應(yīng)的結(jié)果，需要將其作為區(qū)塊鏈中存儲的數(shù)據(jù)信息，并通過接口將結(jié)果信息傳輸給系統(tǒng)中所有設(shè)備節(jié)點。在過程中會生成一系列帶有時間戳且不可逆的交易數(shù)據(jù)信息，對交易數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后存儲在區(qū)塊鏈上，并將相關(guān)信息反饋給用戶。

2.3 數(shù)據(jù)訪問模塊

基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問模塊由2 部分組成：一是設(shè)備節(jié)點直接向區(qū)塊鏈上的可信第三方發(fā)送請求；二是區(qū)塊鏈根據(jù)可信第三方發(fā)送的請求對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后，由可信第三方向區(qū)塊鏈上的其他設(shè)備節(jié)點進(jìn)行解密。

對于設(shè)備節(jié)點直接向區(qū)塊鏈上的可信第三方發(fā)送請求，區(qū)塊鏈中的各個節(jié)點都需要為設(shè)備節(jié)點提供一份驗證文件，該文件中包含了設(shè)備節(jié)點和其他節(jié)點的身份信息、設(shè)備節(jié)點之間的關(guān)系、設(shè)備節(jié)點與其他節(jié)點之間的關(guān)系以及設(shè)備節(jié)點自身的狀態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給該可信第三方[9]。

對于區(qū)塊鏈上其他節(jié)點向區(qū)塊鏈上的可信第三方發(fā)送請求，該可信第三方同樣需要為這些信息提供一份驗證文件，并將驗證文件中的信息發(fā)送給所有設(shè)備節(jié)點。但是，只有當(dāng)該可信第三方獲取了所有設(shè)備節(jié)點所提供數(shù)據(jù)的有效版本之后，才能判斷其身份。

2.4 結(jié)果分析模塊

在基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型中，設(shè)備節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)將會被加密后存儲在區(qū)塊鏈上，而對于一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，則需要通過可信第三方將其進(jìn)行解密后才能獲取到相關(guān)信息。在對區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，需要對數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容、類型、來源等進(jìn)行分析。設(shè)備節(jié)點可以通過對區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后，按照特定規(guī)則對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后根據(jù)分類結(jié)果采取相應(yīng)的操作。由于區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)是公開透明的，因此可以通過這種方式獲取到相關(guān)的工業(yè)設(shè)備運行情況以及生產(chǎn)效率等重要信息。在結(jié)果分析模塊中，首先會通過可信第三方將所獲取到的設(shè)備節(jié)點的行為信息寫入?yún)^(qū)塊鏈，然后將區(qū)塊鏈上存儲的行為信息與設(shè)備節(jié)點上傳到區(qū)塊鏈上的行為信息進(jìn)行對比和分析，最終根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)備節(jié)點進(jìn)行獎懲。

3 區(qū)塊鏈的安全性分析

由于區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點，所以在本方案中采用區(qū)塊鏈技術(shù)對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的安全問題進(jìn)行解決。區(qū)塊鏈?zhǔn)峭ㄟ^密碼學(xué)算法建立的一個分布式數(shù)據(jù)庫，對于在數(shù)據(jù)共享模型中存在的安全問題，主要是基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的特點對區(qū)塊鏈技術(shù)中出現(xiàn)的安全問題進(jìn)行解決。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點身份信息的驗證。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點在數(shù)據(jù)上傳時，首先需要對其身份信息進(jìn)行驗證，以保證上傳數(shù)據(jù)的安全性和真實性。

首先，針對在區(qū)塊鏈技術(shù)中使用的對稱加密算法，通過將密鑰進(jìn)行對稱加密處理后進(jìn)行分發(fā)給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點，并采用其對應(yīng)的私鑰對其身份信息進(jìn)行加密處理后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

其次，針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)包后需要對數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進(jìn)行校驗，以保證數(shù)據(jù)包的正確性，同時也可以對發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)包的真實性和完整性進(jìn)行驗證。

為了解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在區(qū)塊鏈技術(shù)中接收到數(shù)據(jù)包后需要對其內(nèi)容和完整性進(jìn)行校驗時會出現(xiàn)惡意篡改問題，使用了非對稱加密算法中的公鑰加密技術(shù)對其身份信息和內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。該設(shè)備通過讀取相應(yīng)的公鑰加密后獲取到相應(yīng)的密鑰，然后將密鑰向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行廣播。利用其對應(yīng)的私鑰對其身份信息和內(nèi)容進(jìn)行解密處理后可以對其公鑰和內(nèi)容信息進(jìn)行驗證。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案，該方案可以很好地解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享時的安全性問題和效率問題。該方案能夠有效地保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的隱私，同時提供可靠的第三方對其數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，從而實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)共享。與現(xiàn)有方法相比，該方案不需要預(yù)先確定每個節(jié)點需要提供哪些隱私信息，且該方案在保證安全性的基礎(chǔ)上減少了通信開銷，提高了效率，是一種有效解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全問題的新方法。