BMECS：一種面向可穿戴設備的數(shù)據(jù)共享框架

王帆，殷鋒，袁平

（1.四川大學計算機學院，成都610065；2.西南民族大學計算機科學與技術(shù)學院，成都610041；3.重慶第二師范學院數(shù)學與信息工程學院，重慶400067）

0 引言

隨著5G 通信和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)億臺設備已被部署于各個領(lǐng)域用于感知、收集和傳輸數(shù)據(jù)。近年來，可穿戴智能設備由于其可以通過軟件與中心服務器連接，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，為用戶提供豐富的功能，加上其獨特的便攜性正受到持續(xù)關(guān)注。5G 即第五代移動通信系統(tǒng)，英文名為5th Generation Mobile Networks。它的最大特點是高速率、大寬帶、低時延，在傳輸速率上能比4G 快上百倍，預計每秒至少能達到1000 兆比特（Gb/s），相當于傳輸1GB 的視頻僅需要短短8 秒。隨著5G 時代的到來和逐漸成熟，5G 加速了可穿戴智能設備的發(fā)展，對我們的生活帶來了很大的轉(zhuǎn)變。與此同時，各大廠商也在積極投入研發(fā)，使得可穿戴設備的種類逐漸趨向于多元化，而如何實現(xiàn)更強大的功能成為核心問題。數(shù)據(jù)共享可以擴大產(chǎn)品的覆蓋范圍，同時，可以利用設備的測量數(shù)據(jù)通過相應的服務平臺對數(shù)據(jù)進行分析，讓服務提供商提供更具有針對性的服務。

在大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，已成為研究的重要資源。而目前，各行業(yè)卻依然存在“數(shù)據(jù)孤島”的問題，建立安全有效的數(shù)據(jù)共享模型成為重點關(guān)注問題。許多領(lǐng)域，例如醫(yī)學和醫(yī)療保健中，通過共享臨床數(shù)據(jù)可以深入進行個性化的病人護理和醫(yī)學知識研究；在工業(yè)領(lǐng)域，促進各企業(yè)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，將有助于工業(yè)協(xié)同生產(chǎn)和產(chǎn)品優(yōu)化等。盡管數(shù)據(jù)共享可以催生許多應用，為各行業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展等帶來了極大便利，但在數(shù)據(jù)共享過程中，仍存在一個關(guān)鍵問題：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享方案利用中央服務器進行集中存儲，使得數(shù)據(jù)的隱私性無法得到保證，因此用戶可能不愿意共享數(shù)據(jù)。另外，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式下，由于數(shù)據(jù)是存儲在單一、孤立的系統(tǒng)中，缺乏強大的數(shù)據(jù)保護措施，單一節(jié)點損壞會帶來巨大的損失，與此同時，數(shù)據(jù)存儲的壓力也日益增長。

針對上述問題，本文提出一種基于區(qū)塊鏈和邊緣計算的可穿戴設備數(shù)據(jù)共享框架。使用區(qū)塊鏈存儲采集的穿戴設備的共享數(shù)據(jù)，考慮到區(qū)塊鏈節(jié)點需要較高的計算資源，因此結(jié)合邊緣計算完成節(jié)點的計算任務。

1 基礎(chǔ)研究

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈是在網(wǎng)絡共識下結(jié)合智能合約和其他輔助技術(shù)的分布式賬本技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢是去中心化，通過運用數(shù)據(jù)加密、時間戳、分布式共識和經(jīng)濟激勵等手段，使網(wǎng)絡節(jié)點在無需互相信任的分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)可信任的點對點交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作，從而解決中心化機構(gòu)普遍存在的高成本、低效率和數(shù)據(jù)存儲不安全等問題。區(qū)塊和區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 區(qū)塊和區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化理念，利用其分布式控制及存儲，通過共享經(jīng)濟模式，盤活網(wǎng)絡上的存量存儲和計算資源，將有效緩解工業(yè)大數(shù)據(jù)運營商的數(shù)據(jù)存儲及運維壓力，進一步有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和價值增值。同時，鑒于區(qū)塊鏈的不可篡改特性，能有效減少用戶的數(shù)據(jù)隱私安全問題。

一系列工作已經(jīng)研究基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享。例如，DubovitskayaA 等人[1]提出了基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)管理的觀點，特別是關(guān)于醫(yī)療提供商之間的EMR 數(shù)據(jù)共享和研究，并建立了一個用于管理和共享用于癌癥患者護理的EMR 數(shù)據(jù)的框架。Michelin 等人[2]提出了一個名為SpeedyChain 的框架，將存儲在交易中的數(shù)據(jù)與區(qū)塊頭解耦，從而允許將數(shù)據(jù)快速添加到區(qū)塊中。K.Christidis 等人[3]指出區(qū)塊鏈與IoT 的組合有力促進了服務和資源的共享，從而在設備之間創(chuàng)建服務市場，以及允許我們以密碼可驗證的方式實現(xiàn)自動化現(xiàn)有的耗時的工作流程。在文獻[4]中，作者提出了一種基于區(qū)塊鏈的高效數(shù)據(jù)收集和安全共享方案，結(jié)合Ethereum 區(qū)塊鏈和DRL，建立一個可靠的環(huán)境。

但由于區(qū)塊鏈所需的網(wǎng)絡計算消耗大，可擴展性不高，而可穿戴設備本身硬件實力不高，因此直接使用區(qū)塊鏈建立可穿戴設備上的數(shù)據(jù)共享平臺將造成不小的計算負擔。

1.2 移動邊緣計算

物聯(lián)網(wǎng)一般采用云計算技術(shù)來完成計算任務，但隨著設備的增加，網(wǎng)絡側(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將會非常龐大。當網(wǎng)絡流量壓力較大時，將無法滿足一些設備的低時延和實時協(xié)同合作。邊緣計算屬于一種分布式計算，可以在網(wǎng)絡邊緣側(cè)的智能網(wǎng)關(guān)上就近處理采集的數(shù)據(jù)，而不需要將大量數(shù)據(jù)上傳到遠端的核心管理平臺，能實現(xiàn)大量設備的高效協(xié)同功能，同時滿足設備在敏捷性、實時性、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能，以及安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。

移動邊緣計算（MEC）的概念最早出現(xiàn)在2013 年，主要思想是通過在移動基站上引入業(yè)務平臺功能，使得業(yè)務應用可以部署在移動網(wǎng)絡邊緣，以在接近智能手機或者移動終端的地方實現(xiàn)云計算能力。由于移動邊緣計算將網(wǎng)絡業(yè)務“下沉”到無線接入網(wǎng)里，因此具備三大優(yōu)點：①更低延時；②有效抑制了網(wǎng)絡擁塞；③更多的網(wǎng)絡信息及網(wǎng)絡控制功能可以開放給開發(fā)者。采用邊緣計算可以就近處理海量數(shù)據(jù)，大量設備可以實現(xiàn)高效協(xié)同工作，諸多問題迎刃而解，從而極大地提升計算的“智能”。Marjanovic[5]已將MEC 體系結(jié)構(gòu)用于人群感應應用程序，其中可以共享大容量的原始傳感數(shù)據(jù)并將其保存在云中，并具有改進的可伸縮性。作者提出了一種能量收集模型，該模型允許移動節(jié)點將任務轉(zhuǎn)移到附近的移動邊緣塔上，以在移動節(jié)點處獲得能源效率[6]。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)框架

本文所提出的數(shù)據(jù)共享框架“BMECS”如圖2 所示，該系統(tǒng)主要由區(qū)塊鏈模塊和邊緣計算模塊組成。該區(qū)塊鏈通過其加密的記錄在所有終端設備之間建立安全連接，為減輕設備壓力，提高計算效率，區(qū)塊由設備附近的移動邊緣計算節(jié)點進行維護。該區(qū)塊鏈主要實現(xiàn)兩種功能：分布式數(shù)據(jù)安全共享和數(shù)據(jù)檢索。

圖2 BMECS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，我們將系統(tǒng)設備層中的穿戴設備稱為數(shù)據(jù)請求者/提供者，數(shù)據(jù)請求者可以向數(shù)據(jù)提供方請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提供商利用MEC 節(jié)點將本地采集的數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈當中進行存儲以此獲得獎勵。由于數(shù)據(jù)提供者的計算資源有限，因此MEC 節(jié)點負責將收集到的數(shù)據(jù)進行處理和加密，并廣播全網(wǎng)的其他節(jié)點進行驗證，達成一致，該過程稱為共識算法。常見的共識算法有POW（工作量證明）、POS（權(quán)益證明）、PBFT（拜占庭容錯算法）等，考慮到可穿戴設備所需的低時延特點和計算能力，本文擬采用PBFT 作為區(qū)塊鏈節(jié)點的共識機制，該算法流程如圖3 所示，主要分為以下四個步驟：

（1）客戶端發(fā)送請求給主節(jié)點

（2）主節(jié)點廣播請求給其它節(jié)點，節(jié)點執(zhí)行PBFT算法的三階段共識流程，該流程如圖3 所示。其中C為客戶端，N0～N3表示服務節(jié)點，特別的，N0為主節(jié)點，N3為故障節(jié)點。

（3）節(jié)點處理完三階段流程后，返回消息給客戶端。

（4）客戶端收到來自f+1 個節(jié)點的相同消息后，代表共識已經(jīng)正確完成。

圖3 PBFT算法三階段共識流程

2.2 系統(tǒng)流程

考慮到用戶對數(shù)據(jù)隱私的擔憂，為了激勵用戶參與到系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)共享，同時為了減少無效或有害數(shù)據(jù)在鏈上的傳輸，本文將引入“信譽幣”的概念，用于用戶之間的數(shù)據(jù)交易。數(shù)據(jù)請求者向數(shù)據(jù)提供商發(fā)起訪問授權(quán)，之后，請求者使用“信譽幣”向提供者支付費用。系統(tǒng)詳細流程如下：

（1）系統(tǒng)初始化：對初加入系統(tǒng)中的用戶通過中央機構(gòu)進行身份驗證，審核通過的分配數(shù)字證書、公鑰、私鑰并設置初始信譽幣；

（2）數(shù)據(jù)共享請求：數(shù)據(jù)請求者向MEC 發(fā)起數(shù)據(jù)共享請求，MEC 執(zhí)行共識算法新增交易請求區(qū)塊；

（3）數(shù)據(jù)檢索：數(shù)據(jù)提供商通過附件的MEC 節(jié)點定時檢索區(qū)塊鏈，驗證數(shù)據(jù)請求者的證書合法，達成協(xié)商，使用私鑰將數(shù)據(jù)進行加密并上傳至鏈上；

（4）達成交易：數(shù)據(jù)請求者支付“信譽幣”給數(shù)據(jù)提供商，獲取公鑰對數(shù)據(jù)進行解密，交易完成。

3 性能分析

為了評估所提出的系統(tǒng)模型，本節(jié)將從以下幾個方面來進行分析。

3.1 安全性分析

由于設備所共享的數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈上，當某一節(jié)點發(fā)生修改時都將造成斷鏈，因此任何人都無法偽造數(shù)字簽名對區(qū)塊進行篡改。當有用戶傳播惡意數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可以在區(qū)塊鏈上進行檢索，并通過減少“信譽幣”來懲罰用戶。利用公私鑰實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加解密，有效保障了數(shù)據(jù)的隱私性。

3.2 系統(tǒng)時耗

針對可穿戴設備的高延遲、離線情況和算力問題，系統(tǒng)使用到移動邊緣計算節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集、處理和加密，并執(zhí)行拜占庭容錯算法進行“挖礦”，有效減少了計算消耗和系統(tǒng)故障問題。

3.3 穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)使用區(qū)塊鏈架構(gòu)，通過智能合約可以自動執(zhí)行設定的代碼，不需要相互信任，同時不會受到人為因素干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

4 結(jié)語

本文針對可穿戴設備的“數(shù)據(jù)孤島”問題，建立了一個基于區(qū)塊鏈和移動邊緣計算的數(shù)據(jù)共享框架“BMECS”。該系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈實現(xiàn)了設備數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)檢索功能，為減輕穿戴設備的計算壓力，結(jié)合了移動邊緣計算用于執(zhí)行節(jié)點的共識算法。為減少無效或有害數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上的傳播，在該系統(tǒng)中引入“信譽幣”的概念激勵用戶共享有效數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)存儲相比，提高了數(shù)據(jù)的隱私性和安全性，而且有效保障了數(shù)據(jù)傳輸時延，并提高了可穿戴設備的數(shù)據(jù)共享效率。