1 引用

Qiu H.， Qiu M.， Memmi G.， Ming Z.， Liu M. （2018） A Dynamic Scalable Blockchain Based Communication Architecture for IoT. In： Qiu M. （eds） Smart Blockchain. SmartBlock 2018. Lecture Notes in Computer Science， vol 11373. Springer， Cham

2 摘要

近年來基于區塊鏈的加密貨幣技術的發展，使人們在日常生活中的許多應用程序具有了較高的信任度和安全性。傳統的區塊鏈體系結構可以為金融服務提供分布式的、可信的系統，保證了系統的持久性、匿名性和可審核性。物聯網（IoT）作為下一個有前途的智能系統，具有類似于區塊鏈的分散拓撲結構。然而，在物聯網系統中部署區塊鏈在很多方面仍然是不現實的。本文首先指出了在物聯網系統中部署區塊鏈拓撲存在的實際障礙。提出了一種基于區塊鏈的動態信任系統，為物聯網網絡提供了一種動態的、可擴展的通信體系結構。并以案例研究的方式進一步探討了安全問題，為今后的研究提供了方向。

3 介紹

區塊鏈已經成為構建信用體系的重要技術。區塊鏈最初是在2008年作為一種名為比特幣的加密貨幣的技術基礎引入的，自那以后，被廣泛用于其他加密貨幣。作為各種加密貨幣的核心技術，區塊鏈建立在一個分布式的數字賬本上，該賬本由對等網絡中的所有參與實體擁有。分布式是通過部署所有參與實體來驗證和確認新事務來實現的。一旦驗證、確認和記錄，事務數據就不能在不更改所有后續塊的情況下進行回溯性更改，這需要得到網絡大多數人的一致同意。在比特幣的實現中，所有有效的交易記錄都被哈希并編碼到Merkle tree中。然后將成批的有效事務形成塊。每個塊包含連接兩個相鄰塊的前一個塊的哈希結果鏈接的塊形成一個鏈，稱為區塊鏈。構建區塊鏈的過程是在現有區塊鏈的基礎上不斷添加新的塊，即挖礦。挖礦的基本操作是解決一個數學難題（POW），這個難題很難解決，但是很容易驗證。為了解決這個難題，參與實體必須提供巨大的計算資源，這限制了可以挖掘的塊的數量。此外，該機制還可以進一步避免惡意挖掘塊。區塊鏈中常用的謎題通常是或證明賭注（PoS）。POW需要較高的計算資源，它被部署在比特幣協議中，用來查找具有特定哈希結果的特定值。POS將消耗計算資源和內存資源。實體之間交換的所有消息都使用可更改的公鑰進行加密，從而避免了竊聽。

雖然區塊鏈可以用于許多著名的加密貨幣，如比特幣，但還有其他潛在的應用程序可以將區塊鏈部署為基礎技術。由于構建區塊鏈可以在沒有任何可信中介的情況下完成支付，因此開發了許多金融服務，如數字資產、匯款和智能合同。事實上，區塊鏈正在成為設計下一代通信和交互系統（如物聯網）最有前途的技術之一。

隨著智能設備的快速發展和無線網絡帶寬的不斷提高，物聯網的概念正在被廣泛接受和普及。如今，它代表著一個網絡，在這個網絡中，智能事物與傳感器和天線相連。作為一個高度動態的網絡，物聯網始終具有允許節點連接和離開網絡的可伸縮性。事實上，物聯網范式代表了一個連接設備和異構網絡的集合，它也繼承了計算機網絡的傳統安全和隱私問題。然而，與傳統計算機不同的是，物聯網設備通常具有有限的資源，如有限的電源、計算能力和存儲空間。這就導致了傳統的基于區塊鏈的計算機網絡安全方案難以在物聯網網絡中實現。

物聯網網絡的一個問題是設備的身份管理。由于物聯網設備在連接生命周期、服務需求、信任等級等方面的連接屬性非常不同，因此很難分配一個能夠普遍識別事物的ID并維護該ID方案。事實上，區塊鏈架構可以作為進一步構建物聯網安全和隱私的基礎。最基本的設計可以是將每個物聯網節點部署為區塊鏈的參與實體，進一步為物聯網應用構建可信的數字賬本。本文首先指出了在物聯網中構建區塊鏈的障礙。在此基礎上，提出了一種基于標記網絡拓撲結構的物聯網ID管理系統設計方案，提出了一種基于區塊鏈協議的物聯網ID管理解決方案。提出了一種基于動態可伸縮區塊鏈的物聯網通信體系結構。

3 研究背景

3.1 物聯網安全問題實例

如圖1所示，物聯網網絡是由許多不同硬件配置的異構數字設備組成，這些設備都依賴于通信中間層進行連接。許多物聯網設備都配備了數據采集和傳輸的兩個基本要素。智能手機等一些設備也配備了強大的計算芯片，可以處理收集到的數據。

圖1 具有異構設備和動態連接的物聯網網絡

正如前面所指出的，物聯網雖然繼承了傳統的計算機網絡，同時也繼承了安全與隱私問題，但傳統的對策難以繼承。究其原因，不僅在于硬件配置完全不同的異構設備，還在于物聯網概念中的動態通信。圖1中給出了一個例子，其中有具有靜態和動態鏈接的設備，也有總是脫機或經常連接和離開網絡的設備。在這種情況下，攻擊者更容易操縱具有假id的受攻擊節點來加入通信環境。與傳統的動態網絡相比，物聯網中的id管理更加困難。中列出了對安全威脅的回顧。其中一個威脅是物聯網的認證和安全通信。如圖1所示，物聯網網絡中的任何設備在進行通信之前都必須經過身份驗證。然而，在實際的實現中，由于硬件資源的限制，必須將安全機制的開銷降到最低，以考慮將進一步導致安全漏洞的效率問題。

3.2 可伸縮區塊鏈節點

如前面所述，區塊鏈的基礎是所有的交易記錄都在之前的塊中進行驗證和確認，避免了惡意和異常的操作。這種機制將要求區塊鏈網絡中的所有參與維護，更重要的是，存儲經過驗證和確認的事務記錄。事實上，一旦一個新的實體加入區塊鏈網絡，下載所有歷史塊是必要的。然而，這一特性成為在物聯網網絡中部署區塊鏈架構的障礙。大多數設備的計算和存儲都受到限制，物聯網節點之間的連接鏈接總是動態的，這意味著維護或下載歷史塊都是不切實際的。

幸運的是，在比特幣協議中有一些針對區塊鏈節點的新設計，稱為全節點和輕量級節點。輕量級節點只下載塊頭來驗證事務的真實性，而不是驗證所有的歷史塊。然后，輕量級節點由完整的節點提供，以連接到區塊鏈網絡，它們很容易維護和運行，不需要太多開銷。然而，輕量級節點的大規模部署可能會導致物聯網中的隱私問題。由于輕量級節點由完整節點提供服務，惡意用戶持有完整節點會損害輕量級節點事務的隱私。此外，作為物聯網的動態連接，一旦一個完整的節點離開網絡，相應的輕量級節點將無法享受到區塊鏈網絡。一項工作提出了一種基于智能家居設置的物聯網架構。本設計符合智能家居場景的拓撲結構，假設每個家庭都有個人電腦，可以看作是每個智能家居中物聯網子網絡的連接核心。

4 系統設計

首先，我們將所有物聯網設備視為區塊鏈網絡中的節點。然后為每個物聯網設備分配一個唯一的ID，該ID也將與區塊鏈錢包ID相關聯。通過這種設計，所有有效的ID都可以在物聯網網絡中輕松驗證，而虛假ID則很難建立。

為了避免現有區塊鏈拓撲結構的計算量或存儲量過大，需要使用不同的物聯網設備配置定義不同的節點。在本文中，我們為物聯網設備定義了三個區塊鏈標簽：輕量級節點、全節點和協調節點。然后根據連接壽命和硬件配置分配不同的標簽對所有設備進行分類。輕量級節點標簽對應于計算能力低或連接壽命短的物聯網設備。全節點標簽要求物聯網設備始終保持與物聯網網絡的連接，具有足夠的計算能力和存儲空間。將協調節點標簽分配給連接壽命長、計算能力低的設備。

例如，圖2所示的監控攝像頭是一個連接壽命長、硬件容量低的設備，它將被分配一個協調節點。然后，動態連接和離開這個物聯網網絡的設備被分配了輕量級節點標簽，允許它們參與這個區塊鏈系統，而不需要全節點的開銷。將分散的區塊鏈拓撲結構與身份驗證和記錄相結合，可以建立物聯網ID管理系統。該系統可以提高物聯網網絡的安全性，減少惡意行為。對于任何偽造身份的攻擊者來說，持續維護與物聯網網絡的連接將變得越來越困難，因為頻繁地偽造不同的身份變得越來越困難和昂貴。此外，考慮到物聯網設備硬件配置的困難，一方面可以實現實際的實現，另一方面可以進一步構建不同層次的信任系統來管理不同設備的連接。

5 簡要的案例研究

一旦一個新的傳感器節點想要加入這個區塊鏈網絡，第一件事就是用它的標簽向協調節點發送一個請求。如果它是一個完整的節點，那么在它獲得訪問權限之前，需要進行高級安全驗證。如果它是一個輕量級節點，協調節點將分發一個完整的節點來為這個新來者服務。但是，在驗證真實id之前，新來者將無法獲得有效的id進行通信。一旦一個完整的節點離線，協調節點就會將新的完整節點分發給輕量級節點來維護連接。

在這部分中，我們假設物聯網網絡中存在惡意用戶的威脅模式，該用戶可能通過破解或偽造節點ID來操縱一個物聯網節點，從而試圖訪問物聯網網絡。對于第一種情況，攻擊者可能會破壞和控制網絡中的一個物聯網節點。許多惡意行為可能會被物聯網網絡中的其他節點報告。在這種情況下，受影響節點的ID將被標記并記錄在區塊鏈系統中的以下塊中。在接下來的時間段內，更高的安全驗證要求和更低的信任級別將相應地進行修改。因此，攻擊者以后再對同一節點進行攻擊將更加困難。

在另一種情況下，攻擊者使用偽造的ID連接到物聯網網絡，如果偽造的ID屬于仍處于活動狀態的物聯網節點，則控制器節點上的驗證過程將拒絕連接，從而將攻擊者拒之門外。即使攻擊者成功地連接到物聯網網絡，該報告將使偽造的ID被標記為易受攻擊，并從該物聯網網絡中屏蔽。如果ID管理系統是有效的，攻擊者將不得不頻繁地更改偽造的ID來維護連接。因此，隨著偽造id成本的增加，將會達到更高的安全級別。

6 討論及下一步工作

使用基于區塊鏈的物聯網網絡，我們可以記錄與該物聯網設備相關的所有事務，并存儲在本地。這些信息對于安全目的非常有用。例如，一旦攻擊者想要偽造一個id來加入物聯網網絡，必須首先分配標簽。如果攻擊者假裝是一個完整的節點，那么高級安全驗證將發現他或使攻擊非常昂貴。或者，如果攻擊者只是想假裝成輕量級節點，這也很難，因為所有的歷史記錄都被記錄了，而且每次攻擊時攻擊者必須再次偽造所有內容。然而，未來仍有許多工作要做，即為輕量級節點定義協調和交換協議。此外，其他情況，如不能信任完整節點，必須考慮。基于區塊鏈拓撲的物聯網進一步的設計不僅要管理ID，還要保護物聯網網絡中交換的信息。例如，必須設計數據共享和驗證協議來進一步保證物聯網網絡的安全。由于物聯網設備的硬件配置差異很大，統一的簡單加密算法難以實現，因此認證和驗證對關節點數據共享的安全性至關重要。輕量級加密方法也應該作為一些特定用例的安全補充方法引入。此外，未來還需要做更多的工作來測試系統性能和在實際物聯網環境中部署這種架構的實際可能性。