基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案

喬康，游偉，王領偉，湯紅波

基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案

喬康，游偉，王領偉，湯紅波

（信息工程大學，河南 鄭州 450001）

海量的物聯網數據擁有巨大價值，而現有基于云的數據共享機制，面臨單點故障、內部泄露等問題，無法確保用戶數據的安全共享。為實現高效可信的數據共享，利用區塊鏈技術，提出了基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案。該方案首先設計了數據共享框架和數據共享流程；然后基于閃電網絡方案，提出了面向物聯網數據共享的鏈下交易機制。實驗分析表明，基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案具有較強的抗攻擊能力；基于閃電網絡的交易機制，能夠大幅提高交易吞吐量、降低交易時延。

區塊鏈；5G；物聯網；數據共享；鏈下交易

1 引言

目前，全球將5G的發展作為重要戰略，積極推動5G商用。2019年11月，工業和信息化部與三大運營商正式宣布啟動5G業務，標志著中國正式進入5G商用時代。5G支持超高速、大帶寬、低時延、低功耗、泛在網、海量連接，并能夠提供廣泛的差異化服務[1]。5G的到來，將開啟一個“萬物互聯”的時代。華為預測，到2025年，通過5G NB-IoT連接的設備數量將超過1 000億臺，并且在這之后可能會呈指數型爆發式增長[2]。

眾多的5G物聯網設備將產生海量數據，為實現對海量數據的存儲，當前主要采用基于云的數據存儲方式[3]。海量的5G物聯網數據擁有巨大價值，在云存儲環境下，數據共享主要依賴云服務器的可靠性和可信度。然而，近年來，云服務器數據庫泄露事件層出不窮[4]。2019年1月，云存儲服務商MEGA泄露87 GB數據，含7.7億個郵箱；2019年4月，網絡安全公司UpGuard的研究人員聲稱，在亞馬遜云計算服務器上可公開訪問的地方發現數億Facebook用戶的個人信息記錄；2019年11月，谷歌云服務器上的數據庫泄露了12億用戶的個人信息。因此，在不可信的云存儲環境下，如何為5G物聯網提供安全的數據共享，成為一項挑戰。

近年來，新興的區塊鏈技術發展迅速，引起了學術界和產業界的廣泛關注。區塊鏈是一種分布式賬本技術[5]，具有去中心化、匿名性、難篡改和可審計等關鍵特征，能夠通過綜合運用時間戳、加密哈希、數字簽名、共識機制和智能合約等技術，在不完全可信的環境下，實現陌生節點之間點對點的價值傳遞。Esposito等[6]強調利用區塊鏈技術，可為基于云的醫療健康數據提供安全和隱私保障。Xia等[7]通過區塊鏈技術，在云服務提供商之間，實現了無信任的醫療數據共享。Liang等[8]提出了一種基于區塊鏈的數據保護架構，用于增強云環境下的數據隱私性和可用性。Rehman等[9]利用區塊鏈技術，為基于云的物聯網應用提供安全服務。Shafagh等[10]實現了一種基于區塊鏈的可審計物聯網數據存儲和共享方案。Wang等[11]介紹了一種基于聯盟鏈的安全和隱私保護的數據共享方案，用于云環境中的電子健康數據共享。綜上所述，將區塊鏈技術應用于云環境下的數據共享，已有理論基礎和實際項目研發，然而，如何利用區塊鏈技術實現5G物聯網的數據共享仍處于探索階段。

鑒于上述分析，本文面向5G物聯網的應用場景，針對數據安全共享困難的問題，提出了基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案。該方案首先設計了數據共享框架和數據共享流程，目的是為云環境下的5G物聯網數據共享提供解決思路。其中，數據共享框架包括數據提供節點、數據需求節點、區塊鏈服務器和云服務器4個組成部分，數據共享流程包括節點狀態更新、數據共享申請和數據訪問等6個階段。

此外，在基于區塊鏈的5G物聯網數據共享中，區塊鏈的交易機制決定了交易處理性能。現有方案通常采用鏈上交易方式，受限于區塊容量和驗證速度，整體交易處理效率較低[12]。例如，比特幣每秒只能處理大約7筆交易，且交易需要等待6個區塊（約1 h）后才能確認[13]。和現有的支付系統相比，Visa的平均交易速度為每秒 24 000筆，峰值速度為每秒50 000筆，比特幣及其衍生區塊鏈交易系統，在交易速度和擴展性上仍差距甚遠[14]。為此，研究人員提出了各種改進建議，包括采用側鏈技術[15]、分片技術[16]和有向無環圖[17]等。多數解決方案存在效率和去中心化的矛盾問題。例如，EOS系統能夠提供數百萬筆的峰值交易速率，但存在中心化程度過高的安全問題。目前被認為安全有效的解決方案，是由Joseph等于2016年提出的閃電網絡（lightning network）方案[18]。

閃電網絡是一個去中心化的，無須信任對方以及第三方即可實現實時、海量的交易網絡，其特點是交易速度快、手續費低和擴展性高，已經被證明對于高頻且小額的支付具有適應性[19]。而在基于區塊鏈的5G物聯網數據共享場景中，執行點對點的數據共享，大量的交易是小額的，且用戶不需要實時提現，所以閃電網絡方案適用于該場景。為提高交易處理速度和擴展性，本文基于閃電網絡方案，利用微支付通道和智能合約技術，提出了安全的鏈下交易機制。

2 區塊鏈簡介

2.1 區塊鏈的數據結構

區塊鏈是由區塊按時間順序串聯起來的鏈式結構，區塊由區塊頭和區塊體構成，如圖1所示。區塊頭包含版本號、區塊高度、前一個區塊的哈希值（父哈希）、當前區塊的哈希值（目標哈希）、時間戳、Merkle（默克爾）根和隨機數。其中，隨機數是用于工作量證明（PoW）算法的計數器，其是選填項，由采用的共識算法而定。區塊體包含具體的交易信息。為確保數據的完整性，并實現對某筆交易快速驗證，區塊鏈中采用Merkle樹證明機制[20]。

圖1 區塊鏈的數據結構

Figure 1 Data structure of the blockchain

2.2 Merkle樹

Merkle樹由Ralph Merkle提出，其是一個哈希二叉樹結構，相鄰的兩個哈希作為子哈希計算得出父哈希，最終得到一個根哈希，被稱作Merkle Root。利用Merkle樹，可以單獨下載一個分支對部分數據進行校驗，實現高效的交易驗證。如圖2所示，為校驗交易Tx6的完整性，只需獲取Hash5、H78和H1234，按照圖中路徑依次向上運算，即可實現完整性驗證。

圖2 Merkle樹

Figure 2 Merkle tree

2.3 區塊鏈分類

根據參與者的不同，區塊鏈可以劃分為公有鏈（public blockchain）、私有鏈（private blockchain）和聯盟鏈（consortium blockchain）[21]，如表1所示。其中，聯盟鏈指由若干個機構共同參與管理的區塊鏈，每個機構都運行著一個或多個節點，其中的數據只允許系統內不同的機構進行讀寫和發送交易，并且共同來記錄交易數據。

公有鏈：沒有權限設定和節點數量限制，任何人都可以隨時參與，信息完全公開，通常被認為是完全去中心化的，如比特幣區塊鏈和以太坊區塊鏈。如果進一步引入許可機制，可以實現私有鏈和聯盟鏈兩種類型。

私有鏈：有權限設定，節點數量和狀態可控，僅對單個組織內部的成員開放，信息不公開，一般應用于企業內部，如企業內部賬務審計、票據管理等。

聯盟鏈：有權限設定，節點數量和狀態可控，對多個組織構成的聯盟成員開放，信息不公開，通常應用于企業間合作，如銀行間的結算、企業間物流管理等。

本文面向的5G物聯網數據共享場景，具有兩方面特點：一是參與者類型多樣，由來自不同地理位置、不同機構的各類物聯網設備構成；二是對安全和效率要求高，需要建立權限準入機制和具備較高的交易處理能力。基于上述特點，本文采用聯盟鏈作為底層區塊鏈。

表1 區塊鏈分類

3 基于區塊鏈的數據共享方案

3.1 數據共享框架

基于區塊鏈的5G物聯網數據方案設計了數據共享框架和數據共享流程，其中數據共享框架主要由4個部分組成，包括數據提供節點（supply node）、數據需求節點（demand node）、區塊鏈服務器（blockchain server）和云服務器（cloud server），如圖3所示。

圖3 基于區塊鏈的5G物聯網數據共享框架

Figure 3 Data sharing framework for 5G IoT based on blockchain

數據提供節點：主要由各種提供數據的物聯網設備組成，包括可穿戴設備、遠程傳感器、自動駕駛車輛和智能電表等。數據提供節點可將共享數據的簡要情況（摘要）、銷售價格和節點的地理位置上報給區塊鏈服務器，以供區塊鏈服務器根據實際情況，為其匹配合適的數據需求節點。

數據需求節點：主要由各種需要數據的物聯網設備和機構組成，包括自動駕駛車輛、醫療機構、數據機構和互聯網咨詢公司等。數據需求節點可向區塊鏈服務器申請數據共享，并兌換一定數量的共享幣，用于支付數據共享費用。為減少節點的存儲壓力，本文采用輕量級錢包設計，普通的物聯網節點僅保存區塊頭信息，完整的區塊鏈賬本存儲在共識服務節點中，依靠Merkle Root實現簡化支付驗證（SPV，simplified payment verification）。

區塊鏈服務器：由3個主要實體構成，包括賬戶服務器、交易服務器和共識服務器。賬戶服務器負責發行共享幣，并記錄物聯網節點的賬戶余額（采用類似比特幣的UTXO模型[22]），其角色類似于銀行。為實現可控的目的，賬戶服務器可由國家機構監管和維護。交易服務器處理物聯網節點的數據共享申請，并為申請者（數據需求節點）匹配對應的數據提供節點，數據提供節點可能是一個或多個，根據申請者的數據需求而定。共識服務器由多個共識節點組成，負責區塊的打包、驗證和記錄，維護區塊鏈賬本的一致性。為激勵節點參與維護區塊鏈，本文設計了經濟激勵措施來回饋共識節點的工作。每筆交易會按照比例收取一定的服務費，所有共識節點均分50%的服務費，負責成塊的主節點額外獲得剩余50%的服務費。

本文將基于區塊鏈的5G物聯網數據共享框架分為7層，包括物理層、數據層、網絡層、共識層、激勵層、智能合約層和應用層，如表2所示。物理層為數據共享的傳輸和存儲提供物理媒體支持，主要由物聯網設備和云服務基礎設施構成。數據層封裝了區塊鏈底層區塊數據、鏈式結構、數字簽名、Merkle樹和相關數據加密技術。網絡層包含P2P網絡、區塊傳播機制、區塊驗證機制和云服務網絡等。共識層由本文提出的基于可信列表的拜占庭容錯算法（CPBFT）構成。激勵層包含用于數據交易的“數字貨幣”的發行和分配機制。智能合約層包含利用智能合約部署自動化執行的規則條款。應用層為基于區塊鏈的5G物聯網數據共享的應用場景。

表2 數據共享框架結構

3.2 數據共享流程

本文將5G物聯網數據共享劃分為6個流程（Step），如圖4所示。流程中涵蓋了圖3中的6個步驟，具體描述如下。

圖4 基于區塊鏈的5G物聯網數據共享流程

Figure 4 Data sharing flow for 5G IoT based on blockchain

圖5 節點匹配

Figure 5 Node matching

圖6 區塊構建過程

Figure 6 Block construction process

3.3 基于閃電網絡的鏈下交易機制

在基于區塊鏈的5G物聯網數據共享場景中，執行點對點的數據共享，大量的交易是小額的，且用戶不需要實時提現，因此比特幣閃電網絡方案適用于此。同時，可以通過序列到期可撤銷合約（RSMC，revocable sequence maturity contract）和哈希時間鎖定合約（HTLC，hashed timelock contract）機制，來實現交易性能的提高。

具體來說，RSMC是在數據共享節點之間建立一個微支付通道，類似于資金池的原理。在交易前，交易雙方預存一定的資金在微支付通道中。每次交易時，交易雙方對交易后的資金分配方案進行確認簽名，并廢除舊的資金分配方案。當共享節點需要提現資金時，將經交易雙方簽署好的分配方案寫入區塊鏈，通過區塊鏈進行確認。通過這種方式，交易時不需要上鏈，只在提現時才通過區塊鏈，減少了區塊鏈的請求次數。其中，交易雙方簽署的資金分配方案是一個智能合約，即HTLC。通過該智能合約，轉賬方先凍結一部分資金，并提供一個已知哈希值，在一定時間內，若接收方能給出匹配的哈希值，則可以將凍結資金轉入。

如圖7所示，在基于區塊鏈的5G物聯網數據共享中應用閃電網絡方案，數據需求節點預存購買數據的資金，和匹配的一個或多個數據提供節點簽署資金分配方案，并設置限定時間。當數據提供節點需要提現資金時，將簽署好的分配方案寫入區塊鏈，經區塊鏈確認后，數據提供節點即可獲得相應資金。

圖7 基于閃電網絡的鏈下交易模型

Figure 7 Off-chain transaction model based on lightning network

基于閃電網絡的鏈下交易流程如下。

Step1 獲取節點信息。分別獲取數據需求節點和數據提供節點的相關信息，包括節點IP地址、ID信息、端口號port、網絡名稱、版本號version和區塊高度blockheight。

Step2 創建支付通道。閃電網絡的RSMC微支付通道是實現鏈下交易的開始，通道建立以后，就可以在區塊鏈下實現交易，無須再廣播到鏈上。創建過程是一個預存數據購買資金的過程，如圖7步驟(1)所示。首先數據需求節點向管理的錢包地址存入用于建立通道的資金，然后將這筆資金添加到資金池，之后使用資金池金額的一部分創建微支付通道。

Step3 在閃電網絡內進行支付。閃電網絡通道中的支付過程是由接收側發起的，如圖7步驟(2)所示。首先數據提供節點生成一個接收單據，然后數據需求節點按照支付的資金大小獲得一個從需求節點到提供節點的支付路由，最后根據該路由信息發送資金，并設置限定時間。

Step4 提現資金。如圖7步驟(3)~步驟(5)所示。數據提供節點查詢通道的最新資金分配方案，并將分配方案寫入區塊鏈，經節點確認后，區塊生效，數據提供節點獲得相應資金。

基于閃電網絡的鏈下交易過程如下。

開始

//準備一筆資金

1) cli/lightning-cli newadrr//數據需求節點生成一個新的地址

2) qtum-cli sendtoaddress//將預存資金發送到數據需求節點的管理錢包地址

3) qtum-cli getrawtrasaction//獲取交易記錄

4) cli/lightning-cli addfunds//增加到資金池

//創建閃電網絡通道

5) cli/lightning-cli connect //需求節點與提供節點建立連接

6) cli/lightning-cli fundchannel //需求節點向通道存入資金

//通道內進行支付

7) cli/lightning-cli fundchannel invoice//提供節點生成接收單據

8) cli/lightning-cli fundchannel getroute//需求節點獲得支付路由

9) cli/lightning-cli sendpay//需求節點發送資金到提供節點

//查看支付后結果

10) cli/lightning-cli fundchannel getpeers//節點查詢資金分配情況

結束

4 實驗分析

為評估本文提出的基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案的安全性，參照文獻[23]的安全性分析方法，對本文方案進行抗攻擊能力分析；同時，為衡量基于閃電網絡的鏈下交易機制的性能，以交易吞吐量和時延為指標，進行仿真測試。

4.1 抗攻擊能力分析

為了應對5G時代大規模物聯網場景，國內外標準制定機構的安全研究早已展開[24]。2019年2月，歐洲電信標準協會（ETSI）推出了新的物聯網通用標準。2018年10月，中國信息通信研究院與中國通信標準化協會共同研究編制《區塊鏈安全白皮書—技術應用篇（2018版）》[25]。參考國內外的安全研究成果，本文梳理了7種區塊鏈/物聯網常見攻擊類別，并分析了基于區塊鏈的5G物聯網數據共享框架的抗攻擊能力，結果如表3所示。從表3可以看出，對于常見的攻擊，本文方案具有較強的抵抗能力。

表3 7種區塊鏈/物聯網常見攻擊類別及防御方式分析

4.2 基于閃電網絡的鏈下交易機制的性能分析

吞吐量指每秒完成的交易數，基于閃電網絡的交易機制是一種安全的鏈下交易機制，交易時不需要上鏈，只在提現時才通過區塊鏈，而鏈下的交易是即時的，不需等待驗證。基于閃電網絡的交易機制的吞吐量計算公式為

本文在配置為Intel Core i7-6700M @3.40GH處理器和16 GB內存，安裝了Ubuntu 16.04系統的兩臺計算機上，通過Qtum閃電網絡客戶端進行閃電網絡測試。在兩臺計算機上分別安裝qtum-core和qtum-lightning，其中qtum-core用于連接主干網絡，qtum-lightning使節點實現閃電網絡功能。

表4 吞吐量和時延實驗參數

圖8 比特幣網絡和閃電網絡的吞吐量與交易數量關系

Figure 8 The relationship between the throughput and the number of transactions in the bitcoin network and the lightning network

圖9 比特幣網絡和閃電網絡的時延與交易數量關系

Figure 9 The relationship between the delay and the number of transactions in the bitcoin network and the lightning network

綜上分析表明，在本文仿真條件下，和比特幣網絡相比，閃電網絡能夠大幅提高交易吞吐量、降低交易時延，提高區塊鏈的擴展性，支持大規模的交易場景。

5 結束語

本文面向5G物聯網的應用場景，針對數據安全共享困難的問題，提出了一種基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案。該方案首先利用聯盟鏈技術，為物聯網數據共享場景，設計了可信安全的點對點數據共享框架；其次，基于閃電網絡方案，提出安全的鏈下交易機制，實現了交易和驗證的分離，減少了鏈上操作次數，提高了交易處理速度。本文重點介紹了鏈下的實時交易，針對鏈上的提現交易，本文未具體討論。共識算法是決定鏈上交易處理速度的關鍵因素，下一步將對共識算法的效率問題開展研究。

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Data sharing scheme for 5G IoT based on blockchain

QIAO Kang, YOU Wei, WANG Lingwei, TANG Hongbo

Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China

The massive amount of IoT data has great value, but the existing cloud-based data sharing mechanism faces problems such as single points of failure and internal leakage, which cannot ensure the secure sharing of user data. In order to achieve efficient and reliable data sharing, the blockchain technology was used to propose a 5G IoT data sharing scheme based on blockchain. Firstly, the proposed scheme designed data sharing framework and data sharing process, based on the lightning network solution, an off-chain transaction mechanism for data sharing of the internet of things was proposed. Experimental analysis shows that the 5G IoT data sharing framework based on blockchain has strong anti-attack ability and the off-chaintransaction mechanism based on lightning network can greatly increase transaction throughput and reduce transaction delay.

blockchain, 5G, internet of things, data sharing, off-chain transaction

s: The National Key R&D Program Cyberspace Special (2016YFB0801605), The National Natural Science Foundation Innovation Group Project (61521003), The National Natural Science Foundation of China (61801515)

TP399

A

10.11959/j.issn.2096?109x.2020041

喬康（1994? ），男，四川邛崍人，信息工程大學碩士生，主要研究方向為移動通信網絡安全和區塊鏈技術。

游偉（1984?），男，江西豐城人，博士，信息工程大學講師，主要研究方向為密碼學和移動通信網絡。

王領偉（1983? ），男，河南三門峽人，信息工程大學講師，主要研究方向為移動通信網絡安全。

湯紅波（1968? ），男，湖北孝感人，信息工程大學教授、博士生導師，主要研究方向為移動通信網絡、新型網絡體系結構。

2020?01?07；

2020?02?03

喬康，773441271@qq.com

國家重點研發計劃網絡空間專項（2016YFB0801605）；國家自然科學基金創新群體項目（61521003）；國家自然科學基金（61801515）

論文引用格式：喬康, 游偉, 王領偉, 等. 基于區塊鏈的5G物聯網數據共享方案[J]. 網絡與信息安全學報, 2020, 6(4): 45-55.

QIAO K, YOU W, WANG L W, et al. Data sharing scheme for 5G IoT based on blockchain [J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2020, 6(4): 45-55.