基于区块链的智能物联网系统设计

苏晨 陈梅 赵静雅 高震宇

摘要：在大规模物联网设备接入的环境下，当前的C/S物联网架构存在可靠性、安全性、隐私性等方面的问题。区块链技术作为一种新兴的分布式账本技术，具有安全、可靠、匿名等特点，适用于物联网。文章提出了一种基于区块链的物联网系统，该系统选择Ethereum作为区块链平台，通过智能合约配置和控制物联网设备，并使用RSA公钥密码系统管理密钥。

关键词：区块链;智能物联网;智能合约;网络信息安全

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0028-03

1引言

随着信息社会的发展，物联网（也称为“互联设备集合网络”）也在快速发展，物联网设备数据在未来几年内也将出现爆发式增长，这些数据增长大多来自消费者设备，意味着物联网数据需要更高的安全性及可靠性为其保驾护航，当前的物联网最突出的几个问题就是过于中心化及不能自制，使各个物联网上的设备不能充分发挥其自主能动性，还有一个突出的问题是安全性，如果到了智能互联的时代出现安全问题，将会造成巨大的灾难。而区块链的高安全性、高可靠性、匿名性正适合物联网将来成长的需求。区块链的新兴观点逐渐进入人们的视线。顾名思义，区块链就是一个智能的点对点网络，用于在分布式数据库中识别、分播和记录信息。

区块链的主要应用是比特币。随着比特币的盛行，许多其他类似数字货币也随之出现，然而这些货币也是建立在区块链技术之上的。此刻已不只是数字钱币范畴独有区块链了，很多其他的范畴也在引入区块链。虽然比特币技术十分成功，但它其中的局限性也十分明显，比如区块产生时间大概为10分钟，这将会极大限制单位时间内交易完成数量。也就是说，当要追踪需要验证的未生成交易，并且提供脚本信息时，这不能够使用循环，将会使未生成交易的生成时间变长。因此12秒的生成时间对于以太坊开发者运行智能合约是非常必要的。换言之，开发者可以在一个以太坊框架之上对区块链应用进行开发，开发者和使用者可以假想它没有许可证不能被修改，甚至可以说整个交易在以太坊平台上都是透明的，本文可以认为以太坊是一个巨大的分享式计算机系统。

同时，随着物联网技术的飞速发展，数量庞大、种类繁多、分布广泛的物联网设备不断连接到物联网络。目前大规模、多种类、广分布的物联网设备的同步和更新对现有的基于服务器-物联网的物联网设备，将提出更高的性能方面要求。同时，如果物联网中心服务器受到攻击，那么所有依赖于其服务的物联网设备也将会受到安全威胁。所以，基于服务器-客户端的物联网系统已不再能满足日益壮大的物联网网络。本文提出了一种基于区块链的智能物联网系统，构建了一个安全可信的分布式物联网网络。

区块链作为比特币的核心技术也引起了人们的广泛关注，虽然区块链技术起源于比特币，但其应用场景并不局限于区块链。还很多场景应用，比如金融领域、物联网领域、社会科学领域等。以太坊平台的出现使区块链技术得到空前发展，作为区块链技术2.0的代表，以太坊支持用户拓展开发其他应用。所以把区块链的相关技术引用到物联网体系中去，把RSA公钥系统引进密码系统，公钥存在于以太坊网上，私钥存在于各个设备之中。通过智能合约，可以重设当前设备的許多参数，并将修改记录保存在以太坊链上，以便后续查询。为了证明这一设想的可行性，构建出一些账户节点，每一个账户代表一个设备。依此，希望后续可以搭建一个完整的智能物联网系统，连接更多可用设备。

2系统搭建

本设计要完成的目标是在Linux平台搭建私有链，创建私有网络，建立集点结群，安装truffle框架，安装remix本地编译器，利用本地编译器编译调试智能合约，安装geth客户端，利用geth客户端完成简单合约的编译、部署、调用，再使用Etherum-wallet客户端完成整个合约的编译、部署、调用，并得出仿真结果。

2.1 Geth客户端的原理及特性

Geth是以太坊的官方客户端，它是Go-Ethereum开源项目的简称，是一个简略的命令行工具，在此提供了许多的选项和命令。它主要是使用Go语言进行编写的，是目前用户数最多、使用最广泛的客户端。应用Geth，需先启动以太坊节点，建立新用户、新账户，在主账户下可以建立副账户、建立节点集群、成功搭建私有链网络，并启动私有链网络进行挖矿，获得以太币。

2.2 节点集群的搭建及网络测试

如上所述，现已知的搭建以太坊私有链网络的方法目前主要是运用Geth客户端进行搭建，在安装Geth客户端前需要安装Go环境，安装Ethereum，安装Solc编译器，安装命令行如下所示：

sudo apt-get update

sudo apt-get install software-properties-common

sudo add-apt-repository –y ppa：ethereum/ethereum

sudo add-apt-repository –y ppa：ethereum/ethereum-dev

sudo apt-get update

sudo apt-get install ethereum

执行完以上命令后，可以启动以太坊客户端，此中主要有geth、evm、bootnode、disasm、ethtest、rlpdump，输入geth，则以太坊就可以启动了。

但在搭建以太坊私链节点前，必须先建立创世区块，之所以要先建立创世区块，是因为只要在同一个网络内，创世区块文件一定是相同的，且创世区块的json文件，文件内容如图1所示，具体参数的意义可见表1所示。

接下来，用geth命令创建创世区块，命令行输入如下：253BDD9C-134C-42E8-A3C6-BDB324C66E0A

由图2可以看出创世区块的文件内容已被写入data0文件夹中，数据存储路径为/usr/local/privatechain/data0/geth/chaindata。

由图3和表2可知私链数据存在data0中，网络监听端口为61910（默认为30303），HTTP-RPC服务器监听端口为8200（默认为8545），设置所需调用HTTP-RPC接口，在默认基础上加了db，其次还设置了当前区块链的网络ID为1108。

由启动页的最后一行可知geth包括了一些方法，此中admin主要包括与管理节点有关的方法，eth包括和操作区块链有关方法，miner包括挖矿启动&终止方法，net包括检查P2P网络状况方法，personal包括管理账户方法，txpool包括检查交易内存池的方法，web3包括以上且还包含单位换算方法。

命令eth.accounts可以检查当前存在账户及账户地址，personal.newAccount（）可新增账户，增加账户的时可设置账户密码，eth.getBalance（eth.accounts[0]）可查看eth.accounts[0]内的账户余额，为之后查看账户及余额方便，还可自己添加查看方法，这里添加了function checkAllBalances（），具体函数如图4，还可通过命令eth.coinbase查看主账户，也可通过miner.setEtherbase（eth.accounts[1]）重新设置主账户为eth.accounts[1]，通过命令web3.fromWei（eth.getBalance（eth.accounts[0]），ether）可将账户余额的单位换成ether，通过命令eth.blockNumber可获取当前区块数。

实施节点内转账需要提前解锁账户，解锁账户后，可通过命令eth.sendTransaction（{from： eth.accounts[0]，to： eth.accounts[2]，value： amount}），其中 amount= web3. toWei（5，ether），也就是转账5ether，通过txpool. status可以查看当前待处理交易，由图5可知当前可验证交易为一条，需要主账户启动挖矿使得交易生效，挖矿命令为miner. start（1），若想要结束使用miner. stop（），当前需要验证交易，故设置为挖到一个区块则停止，命令为：miner.start（1）; admin.sleepBlocks（1）; miner.stop（），其结果如图5所示，通过查看eth. accounts[2]的余额可知交易生效，您还可以通过查看其事务哈希值获取事务详细信息，命令为：eth.getTransaction（交易区块哈希），也可通过交易区块号查看交易详情，命令为：eth.getBlock（区块号）。

网络监听端口需要改变，HTTP-RPC服务器监听端口需要改变，网络ID不能变（如果想连接节点一）。

可通过admin.addPeer（节点哈希）在节点一的console命令下添加节点，节点哈希可从节点二中获得，也可在节点二下输入命令admin.node.info获得，添加节点成功后可通过admin.peers查看节点连接具体信息。同时还可通过输入net.peerCount得到节点数。以同样方法添加节点三，如图6。再次输入admin.peers可看到三节点连接信息。

3智能合约在链上的编译、部署、调用

3.1智能合约的编译

Geth中也可完成智能合约的编译，但因Geth是命令行编译，许多操作包括边编译、边改错的操作无法同时进行，非常不方便，因此以太坊的官网推荐使用remix编译器，当然也可以选择其他编译器，这里主要推荐官方编译器，为方便在链上直接进行编译，本文下载安装了本地编译器，优点是本地编译器在网络不稳定情况下，也不会出现大问题，且许多存储修改结果都可在本地找到。命令行打开本地remix，右选compile，勾选auto在编写的时也会自动编译，编译结果在右下显示，错误和警示都有。environment可以选择web3，输入http：//localost：8200可以連接本地私有链，这里的RPC接口与之前设置私链节点的接口一样，也可连接模拟私链环境进行测试，接口为8545，因此可以输入http：//localhost：8545。这里的模拟私网有账号10个，还有相应的密钥，可以部署相应的合约在其进行测试。

3.2智能合约的部署

当智能合约编译不出错的情况下，还需将智能合约部署在所搭建的私有链上，在这里选择官方推荐的ethereum-wallet，在使用ethereum-wallet时，需要配置附属环境，打开Meteor，使App运行在3000接口上。通过命令行打开Ethereum-wallet，在etherum-wallet上的所有操作信息都会显示在下面，可按出错提示寻找解决办法。

编译无错的合约放在左下框中，选择部署主账户，保证该账户中有足够的以太币部署合约（因部署合约会消耗以太币），接下来在右下选择部署合约的主函数，填入需预设的构造参数，接下来点击部署，若要使得部署合约生效，需要再次进行挖矿，合约部署成功后可进行合约调用，结果如图7所示。

合约部署成功后，可在首页查看部署消息，对合约的操作记录都会存在链上，部署合约记录。同时点击首页的contract，可看到曾部署过的所有合约，同样也可查看合约Token。

3.3智能合约的调用

在成功部署合约后，开始进行合约的调用，本合约模拟家居用电情况监测，每一个账户代表一件家电，监测家电使用情况，家电把用电量通过P2P的形式传到以太坊网中，合约收到所有家电的用电量情况。253BDD9C-134C-42E8-A3C6-BDB324C66E0A

若要查看各个账户发送情况，可看到各账户左上角有合约调用记录。若要细看，只需点开各个账户查看。

打开合约调用界面，在没收到两账户的电量使用情况下，没调用Check Target Reached方法前，目标完成情况是NO。

调用Check Target Reached方法，结束调用后，查看目标完成情况，变为YES，此时只需把这一结果输出到电器中做触发电平，启动节能模式，即可使电器转换为节能模式。

4结语

本文主要介绍了如何搭建以太坊私链网以及搭建原理，并在此基础上在私链上部署所需的智能合约。除此之外，还讲述了智能合约怎样编译，智能合约怎样部署在以太网私链上，在智能合约成功部署后，讲解了智能合约的调用，成功完成了实验的仿真，实现了对家电的用电量的监测，当其用电量达到一定值时，各电器转而变成节能模式。

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收稿日期：2021-12-30

基金項目：北京电子科技职业学院科技一般项目（基金号：2021Z031-KXY）

作者简介：苏晨（1973—），女，山东莱芜人，讲师，硕士，主要研究方向为网络技术、计算机应用、视频图像处理等。253BDD9C-134C-42E8-A3C6-BDB324C66E0A