基于双链的可扩展物联网模型研究

刘肖鹏，赵晓刚

（郑州工业应用技术学院 河南 郑州 451100）

0 引言

近几年，国内外学者纷纷选择利用区块链解决物联网（IoT）所存在问题，这是因为区块链具有无需信任、匿名性以及去中心化等特点，可有效弥补IoT 的不足。但仅对二者进行结合，仍难以保证获得理想的效果，鉴于此，有关人员决定以区块链为切入点，结合现有IoT 模型对可扩展模型进行建立，使IoT 所具有价值得到最大程度的实现。

1 研究背景

现有IoT 系统均采用中心化结构，该结构的不足主要体现在两个方面，一是极易被单点故障所影响，导致系统被迫终止运行，二是在IoT 设备达到一定数量后，该结构所具有隐私性、安全性将难以得到保证。作为强调去中心化的新型分布结构，区块量可有效规避上述问题，在强化系统所具有安全性的前提下，为数据所具有可追溯性及可靠性提供保障[1]。以往区块链需要验证者以结构单一的账本为载体，对区块进行顺次连接，而依托某账本对全部节点进行存储的问题有两个，一方面需要浪费大量资源，另一方面增加了日后维护的难度，使区块链对交易进行处理的能力大幅降低，确认交易需要花费的时间随之增加。鉴于此，有关人员选择以分区技术为落脚点，对全新IoT 模型进行建立。

2 双链可扩展模型探究

2.1 整体结构

该模型可被拆分成hash 链、交易链两部分，其中，hash 链的数量仅为一个，交易链有多个，各交易链均有分区对应，由分区负责对交易链进行存储与管理[2]。由于各分区均包含数个功能节点，使得其既能够独立完成交易处理的工作，又可以将交易相关信息存储在独立分类账内，而不公开交易信息的设计，在极大程度上增强了信息所具有的隐私性以及安全性，存储工作给系统所施加压力也随之降低。hash 链所存储内容主要分为两部分，分别是区块头、描述信息，对其进行存储所占用内存极少，通常可交由各节点进行保存，在保证交易信息安全的前提下，对相关信息进行实时共享。将双链验证、交易存储相结合，既能够使区块链顺序得到保证，又可以使区块链特有的不可篡改性、可证性得到强化，系统自然变得更加安全且可靠，该系统结构见图1[3]。

由图1 可知，该系统主要包括4 种参与者，首先是终端设备，其次是区块链节点，再次是外部资源与服务，最后是网络监管者[4]。其中，终端设备主要是指底层设备，负责感应外界环境并收集所需信息，同时对区块链所保存数据加以利用，考虑到终端设备在计算、储存方面所拥有的可用资源较少，通常无需引入存储、执行区块链等算法，这点要有所了解。而区块链节点的特征，在于其拥有丰富的存储资源及强大的算力，既能够参与共识，又可以对分类账进行存储。节点及设备均要先进行注册，才能顺利连入区块链系统。对本文所讨论模型而言，外部资源与服务所描述对象，通常是指数据库、云存储器，上述资源与服务均可作为附加功能加以使用。网络监管的关键是对区块链网络进行分布观察及全方位管理，除特殊情况外，监管者均不会参与到区块链运行的过程中，其职责主要是对网络状况进行实时跟进，确保网络异常可被及时发现并得到相应的处理[5]。

事实证明，该模型的创新之处主要体现在双链结构、分区技术还有PCMP 的运用上，对上述技术加以运用，不仅减弱了存储工作给系统所造成的压力，为数据提供了安全且可靠的存储环境，还证实了全新控制机制的有效性与可行性。作为现阶段对区块链容量进行增加的首选方法，分区给网络节点所造成影响，主要是各分区所包含节点数量难以得到保证，网络安全性自然无法达到预期水平。为解决上述问题，有关人员指出可引入不同分区算法，对节点进行随机分配，考虑到IoT 各节点均有功能对应，使得运行期间所形成各数据均具有一定的隐私性，二次分区给该系统所产生影响有目共睹，盲目分区不仅会造成设备功能及性能混乱，还会使系统安全性受到威胁。在对多方因素加以考虑后，有关人员决定省略再次分区的步骤，而是以新加入节点所表现出特征及功能为依据，确定其所对应的分区[6]。另外，为避免分区给系统可靠性造成影响，有关人员还创造性地引入了双链结构，简单来说，就是通过hash 链、交易链进行互相验证，以不泄露数据内容为前提，对数据安全性、区块链不可篡改性进行强化。另外，双链结构在验证新加入节点方面，同样具有极为突出的表现。

2.2 控制机制

该系统所引入双链结构，可在不泄露数据的情况下，有序开展交互验证的工作，使系统所具有安全性得到显著增强。与此同时，该系统还开发出了全新的控制机制，旨在为拥有数据的群体与使用数据的群体提供自由交易的平台，使数据得到更加高效的利用，节点访问流程见图2[7]。

分析图2 能够看出，节点访问流程可被归纳为以下几步：首先是使用者通过hash 链对自身所需数据进行查找，凭借分区号对代理节点加以确定，同时对交易请求进行创建。其次是收到请求后，由代理节点负责对数据用途、节点身份进行验证，若验证结果无误，则可通过使用者创建请求，同时对其所需数据进行发送。再次是由使用者以所受到数据对应hash 值为依据，对比hash 链所提出数值，判断各数值是否存在出入，若数值相同，则可结束交易，反之，则需要将该情况反馈给系统，由系统负责进行处理[8]。最后是待交易告一段落，基于共识过程对交易进行处理，使其成为区块链的一环。

3 模型所搭载协议说明

3.1 PMCP 概述

有关人员以双联IoT 模型为切入点，通过引入PMCP的方式，对IoT 处理交易的能力进行了强化。该协议可结合信誉机制对节点进行评估，在确定诚实节点的基础上，对共识组进行构建，通过对系统吞吐量进行提高的方式，为日后交易处理工作的高效开展奠基。

3.2 运行流程

由于该模型仅进行一次分区，分区所包含节点数量并不固定，通常会随着系统升级而增加，若仍沿用常规模式创建区块，极易出现大量交易无法被及时确认的情况。鉴于此，有关人员出于增加系统吞吐量的考虑，选择引入PMCP，希望能够凭借此举使IoT 所提出需求得到满足，将系统处理交易的时间进行压缩。

PMCP 强调以信誉评估机制为依托，对诚实节点加以确认，根据系统验证结果，构建相应的共识小组，由共识小组负责推进复杂共识过程，使共识时延、通信开销得到有力控制。此外，PMCP 还引入了随机函数，强调利用随机函数对分组算法进行优化，该函数具有计算速度快、可有力抵抗外界攻击、对算力所提出要求较低的特点，系统可依托该函数对节点进行随机分配，保证各共识小组均有节点对应，以免出现恶意节点聚集的情况[9]。

PMCP 所涉及角色有3 种，分别是负责人、领导者、验证者。一般来说，在特定时间内，各分区仅有一个负责人，同时包括多个共识小组，各共识小组均由一个领导者、多个验证者组成。负责人的职责是验证共识小组上传区块，对其进行排序及上链，而领导者还有验证者的任务，主要是共识出块。PMCP 强调将纪元作为运行周期，同时对各纪元进行划分，获得相应的轮次，配合随机函数对信誉值达标的节点进行划分，此后的各个轮次，共识小组均要执行相应的共识过程，具体运行步骤如下。

第1 步，分区所包含节点按照VRF 算法展开运行，对共识小组数量、计算所得随机数进行求余计算，确定节点所处分区，对信誉值良好的节点进行划分，获得相应的共识小组。第2 步，各共识小组均按照PBFT 协议所提出要求运行，首先为预准备，其次为准备，最后为提交，待上述环节告一段落，由领导者向负责人提交签名区块，其他成员只需向负责人提交签名即可，这样做能够有力控制通信消耗。同时要保证所提交信息涵盖共识组号及其他基本信息，避免由于提交过于混乱，导致信息出现混淆。第3步，由负责人对共识小组所提交区块进行接收，若该小组对应签名数量达到预设值，便可对区块是否有效进行检验，待区块顺利通过检验，可在对应区块内新增该区块的数字签名，同时新增相应的时间戳。在等待一段时间后，负责人可对所接收各区块的顺序进行排列及上链，通过广播的方式，告知分区内现有节点。超时送达的区块则应被划入无效区块阵营，无需进行后续处理。第4 步，待分区节点顺利接收到广播区块，可着手对其有效性、数字签名真实性进行验证，再根据时间戳对区块进行链接，保证各区块均能够成为区块链的一部分。第5 步，正式开始下一轮次前，负责人需要以本轮共识所涉及各节点表现为依据，对其信誉值进行计算，同时对现有信誉值表的内容进行更新。若发现存在信誉值与要求不符的节点，则需要对该节点进行替换，以免给后续操作造成不必要的影响。第6 步，重复以上步骤，待该纪元结束后，由负责人通过随机选择的方式，对后续纪元的负责人加以确定。在此期间需要注意一点，即各纪元正式开始前，均要对分区进行分组，由分区内信誉值满足要求的各节点对随机数信息进行发送。

4 模型安全性分析

4.1 女巫攻击

该攻击指的是对等网络内部恶意节点，通过非法冒充其他身份的方式，对网络节点进行控制，以此达到弱化冗余备份的目的。本文所讨论模型明确指出，无论是节点、还是设备，均要先在指定机构注册，方可正式投入使用。节点PK 过程完全公开，各节点均可以对其他节点身份进行验证，同时每个节点仅能申请一个PK，可有效避免女巫攻击出现。

4.2 领导者攻击

PBFT 可提前对领导者进行选择并确认，领导者被攻击的情况时有发生。该模型强调随机对验证者、领导者进行选择，同时将信誉值、随机选择算法相结合，无形中加大了高信誉值节点成为领导者的概率。此外，该模型还引入了评估信誉值的机制和相应的奖惩机制，旨在使节点始终保持高度诚实，并主动参与到网络共识中。事实证明，将高信誉值节点作为领导者，可将领导者作恶的概率降至最低，系统所具有安全性自然能够得到保证[10]。

4.3 单点故障

作为IoT 较为常见的一类隐患，单点故障有极大概率导致系统终止运行，进而给系统可靠性、可用性造成负面影响。该模型强调以区块链为依据，可确保分区内各节点所保存数据完全一致，此时，即使某个节点出现故障，系统仍然能够维持正常运行，其可靠性、稳定性有目共睹。

4.4 拒绝服务攻击

DOS 攻击的特点是攻击者通过向节点发送海量交易的方式，占据节点现有资源，导致节点无法利用所拥有资源对真实交易进行处理。该模型强调IoT 设备只有先进行注册，才能加入系统并正式投入使用，对设备身份进行验证的难度相对较小，与此同时，该系统还可自行辨别设备授权情况，对于没有获得授权的设备，系统可选择拒绝提供相应服务，出现DOS 攻击的概率大幅降低。若已进行注册设备在短时间内频繁发送没有实际意义的交易，网络监管往往会将其判定为恶意节点，并对其进行处理。即便节点受到了设备的攻击，同时网络监管未能第一时间发现异常，考虑到某个节点出现故障给系统所造成影响通常可以忽略不计，此时，系统仍然能够维持正常的运行状态并完成交易处理等工作。

5 结语

综上所述，本文对全新的可扩展IoT 模型进行了设计，通过引入双链结构的方式，为区块链不可篡改的特点提供了保证，一方面使系统安全性得到大幅提升，另一方面减小了存储工作给节点所造成的压力，此外，该系统还搭载了全新的访问机制，旨在使数据得到实时共享与自由交易。事实证明，随着PMCP 和双链技术的加入，系统吞吐量较以往有所增加，无论是存储能力，还是可扩展性，均更接近预期，未来可对该模型进行更进一步的优化与升级，使模型更具实用性，确保其所具有优势能够获得更加全面的发挥。