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基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制研究

2024-06-17 14:28:06郭文俊楊澤民
軟件工程 2024年6期
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)

郭文俊 楊澤民

摘?要:

針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量龐大且數(shù)據(jù)之間孤立,以及物聯(lián)網(wǎng)可信訪問服務(wù)管理中交易不透明和易受攻擊等問題,提出了基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制研究,將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的訪問控制中,利用區(qū)塊鏈的去中心化特性結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)訪問控制技術(shù),設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型。通過模擬實驗顯示,物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型能夠有效量化信任度、有效檢測到物聯(lián)網(wǎng)訪問攻擊行為,在整個訪問控制中能夠確保數(shù)據(jù)不被篡改,在每500次訪問增量下的攻擊檢測率可提升約1.77百分點,具有較高的實用性。

關(guān)鍵詞:區(qū)塊鏈;共識機(jī)制;物聯(lián)網(wǎng);訪問攻擊;可信訪問控制

中圖分類號:TP393??文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

0?引言(Introduction)

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的時代背景下,越來越多的物聯(lián)網(wǎng)軟件和硬件通過無線網(wǎng)絡(luò)相互連接,而且不斷地與外界環(huán)境進(jìn)行交互,產(chǎn)生了海量的不同類型的數(shù)據(jù)資源[1],使得物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模迅猛發(fā)展,一個萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)到來。與此同時,隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源呈幾何式增長,使得設(shè)備資源的接入訪問控制面臨巨大的挑戰(zhàn)。并且,海量的物聯(lián)網(wǎng)資源往往涉及很多隱私及敏感信息,一旦被非法竊取,將造成不可估量的后果。物聯(lián)網(wǎng)訪問控制技術(shù)[2]是保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)資源的重要手段,傳統(tǒng)的訪問控制技術(shù)通常依托中心化設(shè)計,存在單點故障、可靠性低、不易擴(kuò)展等缺點。綜上問題,如果物聯(lián)網(wǎng)的訪問能夠以一種去中心化的方式開展,那么將大大提升物聯(lián)網(wǎng)訪問的安全性,而區(qū)塊鏈正因其去中心化的特性,受到了研究人員的青睞,本文將區(qū)塊鏈技術(shù)[3]應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的訪問控制中,利用區(qū)塊鏈的去中心化特性結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)訪問控制技術(shù),設(shè)計了一個基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型,以期解決物聯(lián)網(wǎng)下的訪問控制問題。

1?區(qū)塊鏈技術(shù)(Blockchain?technology)

區(qū)塊鏈技術(shù)是以比特幣為代表的“去中心化”的一種新型的以數(shù)據(jù)加密的方式共享數(shù)據(jù)信息的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)(或稱分布式共享總賬),其主旨是讓系統(tǒng)的所有節(jié)點實現(xiàn)共同參與、共同維護(hù),讓傳統(tǒng)的中心化操作公開透明、可監(jiān)督且由唯一轉(zhuǎn)變?yōu)榭商鎿Q,每個參與的節(jié)點都能成為一個中心,將傳統(tǒng)的強(qiáng)中心化變?yōu)槿踔行幕?/p>

1.1?區(qū)塊鏈的特點

(1)數(shù)據(jù)分布存儲

區(qū)塊鏈以分布式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建,數(shù)據(jù)賬本分布在網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點上,每個節(jié)點都保存了該賬本的一個副本,所有副本同步更新,而非集中存放在某個數(shù)據(jù)中心或某個服務(wù)器上,體現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)“去中心化”的特性。

(2)操作公開透明

除了對交易雙方的私有信息進(jìn)行加密外,區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對所有的節(jié)點公開,用戶看到的是同一個賬本,每位用戶的每一次交易信息都被寫入賬本中,每位用戶都可以看到賬本記錄的每一筆交易,所有用戶都可通過公開的接口對區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢[4],并開發(fā)應(yīng)用,進(jìn)行的操作也是公開透明的。

(3)不易篡改

密碼學(xué)和共識機(jī)制[5]確保了區(qū)塊鏈的不可篡改性。賬本中記錄的信息一旦經(jīng)過驗證并被添加到區(qū)塊鏈中,就會被永久地存儲,攻擊方除非能夠控制區(qū)塊鏈中超過50%的節(jié)點,否則極個別惡意節(jié)點試圖對數(shù)據(jù)庫做出修改都是無效的。因此,區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性是非常高的。

(4)傳遞信任

區(qū)塊鏈存在的首要意義是通過共識而非中心化信用機(jī)構(gòu)低成本地將雙方達(dá)成的內(nèi)容固定下來,誰也無法更改已經(jīng)確定的內(nèi)容。通過共識協(xié)議和智能合約[6]執(zhí)行多方協(xié)作的交易,不需要第三方的背書,交易的安全性由區(qū)塊鏈提供保障,交易雙方可以自由地進(jìn)行價值轉(zhuǎn)移,從根本上改變了中心化的信用創(chuàng)建方式。

1.2?區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,王玉瓊[7]對區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)接入控制方法展開了研究,對現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的安全技術(shù)進(jìn)行了分析。趙明慧等[8]利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)可信服務(wù)框架,利用其去中心化的特性令交易雙方在不需要第三方可信機(jī)構(gòu)的前提下直接建立信任關(guān)系,實現(xiàn)了雙方透明化的交易。于金剛等[9]提出了一種新的建立在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型,利用區(qū)塊鏈去中心化的特性,交易雙方不需要借助可信中心化機(jī)構(gòu),可以直接建立信任關(guān)系,保障數(shù)據(jù)能夠安全共享。薛慧等[10]利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)智能合約模型,使交易雙方在區(qū)塊鏈點對點的分布式架構(gòu)之上創(chuàng)建了可信的交易環(huán)境,實現(xiàn)了機(jī)器與機(jī)器、人與機(jī)器之間的相互信任。宋麗華等[11]引入屬性的概念,在物聯(lián)網(wǎng)訪問控制上實現(xiàn)了支持細(xì)粒度的訪問控制。周立廣等[12]利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了一種可通過身份認(rèn)證策略進(jìn)行設(shè)備接入并對多種設(shè)備進(jìn)行權(quán)限控制的分布式物聯(lián)網(wǎng)信息安全管理系統(tǒng)。史錦山等[13]在物聯(lián)網(wǎng)訪問控制中通過引入令牌(Token)的概念,以腳本的形式將各節(jié)點的訪問權(quán)限寫入?yún)^(qū)塊鏈中,提出了一種公平訪問(Fair?Access)的新機(jī)制。張杰等[14]利用集成邊緣計算并結(jié)合智能合約和基于屬性的訪問控制設(shè)計了基于區(qū)塊鏈與邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)訪問控制模型,實現(xiàn)了去中心化、細(xì)粒度和動態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)訪問控制管理。任彥冰等[15]提出了一種基于區(qū)塊鏈的適用于分布式物聯(lián)網(wǎng)的訪問信任機(jī)制,利用區(qū)塊鏈的去中心化特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效共享,將信任關(guān)系進(jìn)行量化,能夠在低存儲開銷的系統(tǒng)運行下有效保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。

本文提出的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型,其服務(wù)主體和服務(wù)客體間通過區(qū)塊鏈建立交易雙方之間的信任關(guān)系,在不需要可信的第三方的前提下,通過共識算法約定交易雙方在網(wǎng)絡(luò)中信用的生成方式,以此建立一個可信的網(wǎng)絡(luò),為有效實現(xiàn)服務(wù)交互提供了可信賴的環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型如圖1所示。

在基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中,由于所有的規(guī)則都事先達(dá)成了共識,服務(wù)提供者和服務(wù)請求者利用區(qū)塊鏈技術(shù)可直接建立信任關(guān)系并進(jìn)行交互,而不需要了解其他節(jié)點的信息,實現(xiàn)了去中心化的信任建立。該模型中交易的管理則是通過智能合約實現(xiàn)的,區(qū)塊鏈通過智能合約的可編程特性,實現(xiàn)事件的觸發(fā)和調(diào)用,從而完成對交易內(nèi)容的自動處理。交易雙方通過該平臺進(jìn)行交易時,平臺設(shè)備會自動進(jìn)行觸發(fā)并通過合約程序?qū)崿F(xiàn)交互,之后會將交易的詳細(xì)信息進(jìn)行全網(wǎng)廣播,每一個接收到交易廣播信息的節(jié)點都會通過區(qū)塊鏈中的共識機(jī)制對此次交易進(jìn)行驗證,經(jīng)驗證確定無誤后,方可將此次交易信息計入?yún)^(qū)塊鏈中。

2.1?訪問控制框架

在本模型的框架中,設(shè)備的各種屬性被抽象為單一的URL(Uniform?Resource?Locator),用戶對各種資源的訪問均不再直接向設(shè)備進(jìn)行請求,而是通過訪問區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限校驗后,獲取資源的URL并根據(jù)URL獲取交易數(shù)據(jù)[16]。訪問控制框架如圖2所示。

(1)服務(wù)管理者將資源分發(fā)到Internet云端,云端進(jìn)行資源緩存并為其生成資源鏈接URL。

(2)服務(wù)管理者獲取資源鏈接URL。

(3)服務(wù)主體根據(jù)要求將各資源URL寫入智能合約中。

(4)服務(wù)客體想要訪問某一資源時,不是直接與服務(wù)主體設(shè)備進(jìn)行通信,而是通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)獲取訪問授權(quán),從而獲得資源鏈接URL。

(5)智能合約獲得服務(wù)客體想要訪問資源的相關(guān)信息,調(diào)用策略合約對訪問者進(jìn)行權(quán)限裁決,裁決通過后,向資源訪問請求者即服務(wù)客體,返回訪問資源的唯一URL。

(6)產(chǎn)生交易,驗證通過后寫入?yún)^(qū)塊鏈。

(7)資源訪問請求者通過URL在Internet上下載或提取資源。

2.2?融合智能合約的交易管理

智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)中的一種數(shù)字化合約方式,一般以程序代碼的形式被寫入并完成相關(guān)的操作。智能合約首先需要交易雙方就合約內(nèi)容進(jìn)行協(xié)商并達(dá)成一致,之后通過程序代碼的形式將合約內(nèi)容寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中,合約一旦寫入,則自動生效,第三方無法修改。交易雙方在訂立合約時,不需要到場面簽,只需要在線上通過智能合約系統(tǒng)便可完成,整個過程高度匿名、高度透明且不可篡改,幾乎不需要其他人員參與,這就保證了交易雙方之間的交易數(shù)據(jù)的安全性和交易寫入的高效性。本文利用智能合約,通過特定的運行機(jī)制保障物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間交易的進(jìn)行,有效地提升了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間交易的建立和交易完成的效率。

2.3?區(qū)塊鏈共識機(jī)制

共識機(jī)制使提案閱讀者達(dá)成了一致,描述了分布式系統(tǒng)中多個節(jié)點之間,根據(jù)某一事先商量好的規(guī)則,彼此對某個狀態(tài)達(dá)成一致的過程。對于分布式系統(tǒng),可以認(rèn)為每個節(jié)點是相同的確定性狀態(tài)機(jī)模型,從相同的初始狀態(tài)接受相同的順序指令,可以保證相同的結(jié)果狀態(tài)。因此,只要分布式系統(tǒng)中多個節(jié)點對多個事件的交易數(shù)據(jù)達(dá)成共識,便可保障分布式賬本數(shù)據(jù)的真實性。目前,區(qū)塊鏈的共識機(jī)制主要有Pow(工作量證明)機(jī)制、Pos(權(quán)益證明)機(jī)制、DPos(授權(quán)權(quán)益證明)機(jī)制、PBFT(拜占庭容錯)機(jī)制,其中Pow機(jī)制、Pos機(jī)制、DPos機(jī)制一般應(yīng)用在公有鏈中,而PBFT機(jī)制則在對一致性有更高要求的私有鏈或聯(lián)盟鏈中的應(yīng)用較多。表1為共識機(jī)制對比[17]。

2.4?攻擊防范

物聯(lián)網(wǎng)訪問的攻擊[18]行為主要存在于交易雙方進(jìn)行訪問交易的過程中,區(qū)塊鏈可通過共識機(jī)制抵御外部節(jié)點的攻擊。在區(qū)塊的驗證過程中,共識機(jī)制允許區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點參與,并通過達(dá)成的共識算法選定特定的節(jié)點(比如在Pow機(jī)制中選取算力最強(qiáng)的節(jié)點),將產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)計入?yún)^(qū)塊鏈中,使提案閱讀者能達(dá)成一致意見。本文提出的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制,就是利用區(qū)塊鏈中的共識機(jī)制檢測并防范來自惡意節(jié)點的攻擊行為。共識機(jī)制防范惡意攻擊的過程如圖3所示。

從圖3中可以看到,A、B、C、D四個節(jié)點分布于物聯(lián)網(wǎng)中,其中A為可信節(jié)點,B為攻擊節(jié)點,試圖對該交易進(jìn)行篡改,C和D為可信節(jié)點。節(jié)點A廣播自己的交易信息給網(wǎng)絡(luò)中的其他3個節(jié)點,標(biāo)記為“1”,B、C、D收到該廣播信息后,進(jìn)行簽署再轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點。B節(jié)點為了破壞此次交易,故意將簽署后的信息標(biāo)記為“0”,并轉(zhuǎn)發(fā)給C、D節(jié)點,而為了防止被A節(jié)點發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)發(fā)給A節(jié)點的信息仍然被標(biāo)記為“1”,而C、D兩個可信節(jié)點在收到信息后,仍按照當(dāng)初達(dá)成的共識在簽署信息后將其標(biāo)記為“1”,然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。如圖3所示,A節(jié)點收到的是(111),C、D節(jié)點收到的是(101),按照共識算法,A、C、D共同確定廣播的信息,仍然可以將此次交易內(nèi)容寫入?yún)^(qū)塊鏈中。由此可見,惡意攻擊節(jié)點很難通過共識機(jī)制將欺詐行為寫入?yún)^(qū)塊鏈中。本文利用區(qū)塊鏈中的共識機(jī)制能夠有效防范惡意節(jié)點的欺詐行為,確保了訪問的可信度且具有較高的安全性。

3?系統(tǒng)測試與分析(System?test?and?analysis)

3.1?區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)部署[HJ1.8mm]

文中提到的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型,需要搭建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,區(qū)塊鏈運行于分布式環(huán)境下,故此至少需要3臺計算機(jī),并都要安裝geth客戶端,之后通過配置將其轉(zhuǎn)換為區(qū)塊鏈節(jié)點,從而構(gòu)成一個簡易的私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

3.2?測試環(huán)境

本系統(tǒng)測試主要模擬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,用于測試區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)部署和系統(tǒng)的訪問功能。整個系統(tǒng)的硬件配置如下:物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)開發(fā)板1塊、臺式電腦1臺、筆記本電腦2臺及Wi\|Fi開發(fā)板2塊。其中,1臺臺式電腦和2臺筆記本電腦通過安裝geth客戶端構(gòu)成一個簡易的私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)開發(fā)板作為物聯(lián)網(wǎng)代理設(shè)備,用于訪問區(qū)塊鏈中的智能合約。

3.3?測試性能分析

物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型一共設(shè)置5個節(jié)點,其中包含2個可信任節(jié)點、2個低信任節(jié)點和1個惡意攻擊節(jié)點,利用搭建的仿真實驗環(huán)境,分別進(jìn)行10、50、500、1?000次訪問請求,仿真實驗訪問結(jié)果如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)表明,惡意攻擊節(jié)點容易被系統(tǒng)準(zhǔn)確識別并攔截,而當(dāng)訪問次數(shù)較少時,低信任節(jié)點很難被系統(tǒng)準(zhǔn)確識別。隨著訪問次數(shù)的不斷增加,交易數(shù)據(jù)量也在不斷上升,導(dǎo)致寫入?yún)^(qū)塊鏈的節(jié)點交易記錄也隨之增多,有更多的交易信息被系統(tǒng)調(diào)用來計算參與訪問節(jié)點的可信度,也會有更多的低信任節(jié)點被識別并進(jìn)行攔截,訪問的正確率也會隨之上升。

4?結(jié)論(Conclusion)

本文提出的基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)可信訪問控制模型,利用區(qū)塊鏈技術(shù)、智能合約、共識機(jī)制搭建了去中心化、交易透明、可信安全的訪問控制環(huán)境,進(jìn)而降低了物聯(lián)網(wǎng)訪問控制在管理上的難度,有效地解決了惡意攻擊和欺詐的問題。目前的研究雖然取得了一定的成果,但是總體上仍處于研究的初期階段,仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈記錄了訪問節(jié)點的每一條交易記錄,隨著時間的推移和訪問量的增加,海量的數(shù)據(jù)信息需要更多的存儲空間。此外,對于智能合約的寫入,由于缺乏統(tǒng)一的技術(shù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn),因此系統(tǒng)有時會出現(xiàn)兼容性的問題。這些問題都將是今后研究的重點方向。

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作者簡介:

郭文俊(1986\|),男,碩士,講師。研究領(lǐng)域:大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)。

楊澤民(1974\|),男,碩士,教授。研究領(lǐng)域:數(shù)據(jù)庫技術(shù),數(shù)據(jù)挖掘研究。

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