基于區塊鏈技術的物聯網信息共享安全機制研究

摘要：文章對基于區塊鏈技術的物聯網信息共享安全相關理論及信息共享安全框架進行了分析，介紹了信息感知層、數據傳輸層、技術應用層信息安全的基本情況，從區塊鏈技術應用方面進行了論述，提出了雙鏈模式的物聯網信息共享安全防護方法，對雙鏈模式構建策略和物聯網超級賬本安全架構方法進行了研究。仿真實驗證明，該模式能夠增強抗攻擊能力，提升數據區塊鏈性能和交易區塊鏈性能，達到良好的物聯網信息共享安全防護效果，解決了物聯網信息共享的安全問題。

關鍵詞：區塊鏈技術；物聯網；信息共享；信息安全

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.011

中圖分類號：TN 929.5，TP 311.13，TP 391.44" " "文獻標志碼：A" " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-00-03

Abstract： This article analyzes the relevant theories and information sharing security framework of the Internet of Things based on blockchain technology， and introduces the basic situation of information security at the information awareness layer， data transmission layer， and technology application layer. This paper discusses the application of blockchain technology， proposes a security protection method for Internet of Things information sharing based on the dual chain model， and studies the construction strategy of the dual chain model and the security architecture method of the Internet of Things super ledger. Simulation experiments prove that this model can enhance the anti attack ability， improve the performance of data blockchain and transaction blockchain， and achieve a good security protection effect for Internet of Things information sharing， Solved the security issue of information sharing on the Internet of Things.

Key words： blockchain technology; internet of things; information sharing; information safety

1" 利用區塊鏈技術保證物聯網信息共享" "安全的理論及框架

1.1 理論分析

區塊鏈是一種先進的數據結構，能夠借助分布式系統、共識算法等抵御外部攻擊，保證物聯網數據的安全性，確保物聯網信息不可偽造、不可篡改。一方面，區塊鏈技術能適當增強信息共享與數據存儲的安全性，其構建去中心化的可信任系統。并采用RSA、橢圓曲線加密等算法，建立非對稱加密與多重簽名機制。另一方面，區塊鏈系統常用Merkle樹及其變種或SPV，促使在此系統作用下建立的物聯網信息架構，能提供安全的信息共享條件，且未對數據完整存儲提出強制規定，進而實現數據的靈活檢驗，從根本上維護信息傳遞安全[1]。

1.2 建立物聯網信息共享安全框架

以數據結構為基礎，搭建物聯網信息共享安全框架，以信息交易與源數據采集為重點，根據源數據和交互安全的要求構建安全的信息共享體系。在框架建立過程中，應始終貫穿物聯網分層理念，基于雙鏈模式（數據區+交易區）分別構建感知層、傳輸層與應用層。需要注意的是，物聯網部分節點資源有限，為進一步提高信息共享安全性，可外包部分雙鏈功能給霧計算或云服務。前者靠近物聯網終端節點，針對應用層交易區塊鏈。

以采用多鏈聯合的方式，即私有鏈、公有鏈和聯盟鏈。公有鏈應用于物聯網的不同場景之間；然后將聯盟鏈應用于場景內不同區域之間，以此構成聯盟，為成員維護區塊鏈數據提供安全保證，避免非授權節點進入物聯網中；最后將私有鏈應用于區域內的節點之間，以此實現對區塊鏈數據的有效維護[2]。

2" 基于區塊鏈技術的物聯網信息安全分析

對于信息感知層來說，該層既能夠采集數據，也能夠在較短的距離內傳輸數據。信息感知層主要利用紅外線等感應裝置獲取圖像信息，同時還利用藍牙或二維碼傳輸圖像信息或數據信息。對感知層進行劃分，形成無線傳感以及RFID系統。可引入信息加密技術，保護用戶信息，運用密鑰、節點認證等技術，消除網絡中的安全風險。對于數據傳輸層來說，該層能夠對另外兩層的數據信息進行交換，具備網絡功能。為了保證數據傳輸的安全，需要運用傳感技術、通信技術等，保證數據的完整性和用戶信息的隱私性。可以運用密碼學安全技術，對數據進行加密。對于技術應用層來說，主要為用戶提供業務服務，可以采用數據冗余備份技術，還可以采用密鑰技術，保證數據信息的安全。

3" 基于區塊鏈技術的雙鏈模式

3.1 數據區塊鏈

3.1.1 建立數據預處理機制

在區塊鏈技術的應用中，需要建立共識機制，對網絡節點的數據進行收集，創建完整的數據賬本。在數據區塊鏈的支持下建立數據預處理機制，利用該機制保證共享信息的安全。基于區塊鏈技術，還可實現傳感設備的同步運行，這些設備處于不同的節點中，在對各個節點的數據進行運算時，計算過程會受到較大影響，數據信息的存儲和傳輸過程同樣會受到一定影響。在對輕量級數據進行處理時，應盡量減少冗余，更快速地計算數據。物聯網環境中存在大量的數據，要想提高數據處理效率，必須明確數據的類型。數據主要有兩種。一種是多媒體數據，這類數據占用的存儲空間較大，應當對其進行壓縮，最大程度地減少多媒體數據占用的空間；另一種數據是輕量級數據，這種類型的數據更容易計算、傳輸、存儲。完成數據分類工作后，需要使用統一的表達式，為數據共享提供支持。在對數據進行存儲時可以采用分布存儲的方式，單獨對賬本數據進行處理。

3.1.2 改進共識算法

在對區塊鏈技術中的算法進行應用時，一般會在分布式系統中使用共識算法。該算法能夠解決系統的一致性問題，但是該算法存在一定的弊端。在運用共識算法的時候，往往會耗費較長的運算時間，還會占用較多的資源。為了提高運算效率，滿足輕量級物聯網的數據共享需求，需要對算法進行優化，對錯誤節點進行控制，減少錯誤節點的數量，利用優化后的共識算法處理數據，提高物聯網數據的運算效率，保證物聯網共享數據的安全。

3.2 交易區塊鏈

3.2.1 分布式記賬系統

物聯網的各個節點經常會產生交易活動，交易區塊鏈能夠對各個節點的交易活動和交易記錄進行保護，避免其他人隨意篡改交易信息，保證賬單信息的真實性。根據交易區塊鏈構建分布式記賬系統，在記賬過程中，可以運用兩種方法。第一，使用數字貨幣，但是要保證數字貨幣具備法幣效力。第二，交換記賬權，根據信譽、算力等方面的內容進行交換，促進各個節點不斷發展。可以在物聯網中運用以上兩種記賬方式，通過物聯網節點進行消費，或者在節點中提供云服務。

3.2.2 改進部分盲簽名算法

應用公共總賬進行記錄時，攻擊者不能通過公鑰得到用戶信息，但是攻擊者會追蹤IP地址，還會根據交易活動中的拓撲結構進行分析，以這種方式掌握用戶的隱私信息。為了彌補傳統算法的不足，解決以上問題，需要對部分盲簽名算法進行優化。建立混幣中心，該中心存在可信公鑰地址，可以將其當成實際支付方，通過這種方式提高交易確認效率，在交易活動中運用一次性公鑰地址，避免用戶的隱私信息受到泄露。

3.3 仿真實驗

3.3.1 抗攻擊能力分析

主要分析了以下十種類型的攻擊。一是追加攻擊，攻擊者會偽造交易信息，還會建立虛假區塊。在防御過程中，驗證賬本輸出者以及賬本所有者，在驗證中發現虛假區塊。二是拒絕服務攻擊，攻擊者會發出大量交易信息，超出節點原本的處理能力，以此來影響該節點的真實交易活動。在防范中，設置閾值，若超出限定范圍，就要重新設定密鑰列表，避免攻擊者持續發送交易信息。三是分布式拒絕服務攻擊，攻擊者會在多個節點展開攻擊。應當建立共享密鑰，根據密鑰進行通信，采用雙鏈結構，不同節點交換信息之前，必須要得到授權。四是設備注入攻擊，攻擊者會在網絡中引入虛假節點，虛假節點中存在攻擊病毒，令系統無法正常運行。為了防范設備注入攻擊，應當在節點之間建立共享密鑰，隔離注入設備。五是鏈接攻擊，攻擊者會利用相同ID對各項交易進行鏈接，確定真實的標識。在防范過程中，應當使用私鑰，還可以運用部分盲簽名算法。六是丟棄攻擊，遇到該攻擊時，設備中會出現大量的ARP Miss消息，只能耗費較多的資源處理這些消息，CPU占有率較高，導致用戶網速較慢、用戶掉線、業務中斷。七是修改攻擊，在存儲交易中，根據哈希值判斷數據是否被修改。八是公共區塊修改，設置虛假賬本，使各節點將虛假賬本當成真實賬本。可運用共識算法，控制區塊數量，避免形成較長的虛假賬本。九是破壞時間間隔，惡意記賬節點會形成多個區塊，在對其進行防范時，要檢測區塊數量，若超出設定值，就會降低惡意節點的信任率，將其隔離。十是共識周期攻擊，發出虛假請求，對共識周期進行更新，為了防范該攻擊，在請求生效時，簽名的數量必須要超過一半[3]。

3.3.2 數據區塊鏈性能分析

在仿真實驗中，除了檢測數據賬本吞吐量，還要測試時延情況，分別對數據模塊和共識模塊展開仿真實驗。對于數據產生模塊來說，該模塊會生成數據，并發送請求，記錄共識模塊確認賬本的總時長，檢測并記錄系統每秒交易數。系統主要運用了Java語言編寫，設置了1個數據生成程序和9個共識執行程序。在仿真實驗中，向共識模塊發送請求，根據優化后的算法進行處理，將數據記錄到全網賬本中。設置不同的區塊生成時間，在每個區塊時間內進行重復測試，將測試結果的平均值當成最終結果。根據仿真實驗，得到交易吞吐量為9500次/s，該吞吐量能夠滿足物聯網的需求。對時延進行分析，發現區塊產生時間與時延呈正相關的關系。

3.3.3 交易區塊鏈性能分析

對于交易區塊鏈來說，創建交易、計算簽名、確認收貨這幾個環節會耗費大量的時間，因而采用短簽名算法，以此來減少耗費的時間，以更快的速度處理賬本。仿真實驗結果表明，文章提出的物聯網共享信息安全框架能夠有效提高交易區塊鏈賬本生成效率。

4" 基于區塊鏈技術的物聯網超級賬本安全架構

4.1 超級賬本Fabric項目整體安全架構

在對以區塊鏈技術為核心的物聯網超級賬本安全架構進行構建時，首要任務是落實超級賬本Fabric項目整體安全架構。針對該架構的搭建工作，設計者可以運用Fabric項目所提供的功能對相關應用程序加以開發。一般情況下，運用API即可完成開發工作。出于安全性考慮，為實現安全訪問，還應整合區塊鏈網絡的各類資源。具體來說，需要整合賬本、鏈碼等資源。為提升區塊鏈在物聯網信息共享安全中的應用效率，要重視業務層鏈碼和交易結構形式，依托于PKI體系健全管理層權限體系，在加密解密算法的應用中，使個人信息將得到有效管理[4]。

4.2 網絡節點安全架構

在區塊鏈技術的支持與應用中，可以實時記錄設備的歷史數據和異常情況等，為設備運行的安全性與物聯網運行的順暢性提供有效保障。網絡節點安全架構包括以下幾點：①客戶端點。作為用戶操作入口，借助Fabric項目提供有效連接節點，以此實現網絡通信，保證背書的充足性；②排列服務。Fabric項目在集群分布式協議下合理排列通過協議的合法信息交易；③背書端點。對客戶端交易程序合法性權限進行全面檢查，展示檢查結果；④超級賬本記賬點。Fabric項目中的記賬節點能夠檢查信息交易情況、程序維護狀態等。需要注意的是，主節點形式較為特殊，在強制設定下能夠與排序服務節點完成通信工作[5]。

5" 結束語

在物聯網的建設和發展中，信息共享越來越重要，用戶越來越重視信息安全問題。為了保證物聯網信息共享的安全，可以應用區塊鏈技術，利用該技術打造雙鏈模式，在數據區塊鏈中建立數據預處理機制，對共識算法進行優化；在交易區塊鏈中運用分布式記賬系統，對部分盲簽名算法進行優化；提升數據區塊鏈和交易區塊鏈的性能，增強物聯網的抗攻擊能力，利用區塊鏈技術建立物聯網超級賬本，降低物聯網信息共享安全風險。

參考文獻

[1] 方暉．基于區塊鏈技術的物聯網信息安全技術[J]．數字技術與應用，2023，41（1）：225-227.

[2] 王楠，翟峰，曹永峰，等．基于區塊鏈技術的數據共享系統[J]．科學技術與工程，2022，22（1）：289-295.

[3] 李永嬌．物聯網安全資源共享關鍵技術的研究[D]．鄭州：鄭州輕工業大學，2021.

[4] 劉向東．基于區塊鏈技術的物聯網數據收集與信息傳輸路徑規劃[J]．數字技術與應用，2021，39（4）：189-191.

[5] 陳杰姝．基于區塊鏈的物聯網數據信息共享安全機制研究[J]．數字通信世界，2019（11）：136.