CN113115315B - 一种基于区块链的iot设备行为可信监管方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，基于区块链、物联网技术，应用于物联网领域。针对目前物联网行业中存在的大量设备缺乏有效安全保护机制，易被攻击进而做出不可信行为的问题，设计了基于区块链的IOT设备监督管理网络架构，利用区块链技术对物联网节点进行监管，发现并处理做出不可信行为的节点，有效提高物联网设备的安全性。具体包括：在物联网平台上部署区块链，链上验证节点根据普通节点工作时产生的数据利用深度学习，神经网络等算法为普通节点生成综合信誉值，利用人工智能算法对各节点综合信誉值进行判定，将判定低于所设信誉值阈值的节点产生的不可信行为进行上报，并为后续采取相应管控操作提供支持。

Description

一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法

技术领域

本发明涉及区块链及物联网技术领域，是一种利用区块链技术对物联网网络节点行为进行监管的方案。该方案对所有物联网网络节点生成信誉值并记录在区块链上，对判定低于所设信誉值阈值的节点的不可信行为进行上报，并为后续采取相应管控操作提供支持。

背景技术

随着进入大数据时代，物联网行业的高速发展使物联网技术开始大规模的运用在多个行业。由于物联网设备具有节点数量巨大、计算与存储能力脆弱、开放式环境等特点，基于成本和管理等多方面的因素，大量物联网设备被部署在无人监控的恶劣环境中，缺乏有效的安全保护机制，例如，家庭摄像头、智能灯、路灯监视器等。这些物联网设备容易被劫持。被劫持的物联网设备经常被恶意软件非法调用且肆意控制，致使网络节点发生拒绝服务、信息截取、注入大量冗余数据分组等异常行为，进而使不法分子达到破坏网络设备和篡改数据的目的。因此，对物联网网络节点的行为进行监管，对其传输信息进行可信度评价与监管，对网络安全具有重大意义。

为了解决这类问题，需要发现并禁止被劫持的物联网设备连接到通信网络，并在它们访问目标服务器之前就切断它们的网络连接。相关机构可以升级物联网，并将物联网与区块链连接起来，共同监控、标识和处理物联网设备的网络活动，保障并提升网络安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，来解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

首先在物联网网络中部署区块链架构，并提供设备认证、基础权限控制功能。

为提高区块链并发性以适应节点数量巨大的物联网网络环境，本发明采取基于DAG有向无环图的区块链底层架构来替代传统区块链单链式底层架构。基于DAG有向无环图结构的区块链网络架构为多链式结构，可看作是传统单链式结构的横向拓展，各个节点或账户分别维护一条链以记录本地信息，各链之间通过交互引用构成基于平行链的DAG。账本内每个基本单元可以引用一至多个前驱单元，且可以同时被多个后继单元同时引用，这使得多个节点可以同时向帐本中新增交易或区块单元，从而大大提高系统吞吐量。由于此结构与传统单链式区块链结构类似，所以对于智能合约具有良好的支持性。本发明中每条单链由对等基站管理维护，本发明中假定基站可信。链上节点通过PBFT共识机制进行共识。每一条对等的单链作为一个节点簇，链上由验证节点与普通节点共同组成。簇与簇之间即链与链之间的验证节点根据预先设置的时间戳定时进行数据交互，以达到在整个物联网区块链网络中实现信息互联互通的目的。图1为基于DAG有向无环图的区块链结构示意图。

物联网节点通过数据采集程序将工作时所产生的数据通过智能合约自动上传至区块链，达到数据安全不可篡改，可追溯的目的。物联网节点所采集的数据可以包括节点ID、时间、地点、事件、传输时延、数据分组转发量、数据分组重复率等等，具体由物联网设备节点所工作的环境而定。比如节点为环境传感器所采集到的数据可能包括温度、湿度、压力值等等。若物联网节点所收集到的数据包含温度、湿度、压力值等等，需要事先在智能合约中写入正常数值波动范围、阈值范围，以进行比较来判定节点是否出现异常或出现不可信行为，以此判定节点可信度。

每条链上的物联网节点分为验证节点和普通节点两类。验证节点根据事先在链上所布置的智能合约根据每个物联网节点提交的数据计算，并生成每个节点的综合信誉值。综合信誉值由直接信誉值T^a，推荐信誉值T^f和历史信誉值T^h进行加权计算得出，采用加权系数Q₁、Q₂、Q₃，综合信誉值T可表示为T＝Q₁×T^a+Q₂×T^f+Q₃×T^h，其中0＜Q₁≤Q₂≤Q₃＜1，Q₁+Q₂+Q₃＝1。直接信誉值的评定标准由节点与节点之间通过交互事件触发和周期性相结合的方式产生的传输时延、数据分组转发量、数据分组重复率等指标组成。通过智能合约控制节点设备将收集到的数据与事先预设的正常数值范围进行比较，通过机器学习算法生成直接信誉值。由多个节点基于神经网络推送产生推荐信誉值。历史信誉值由长期统计生成，信任评估队列长度一定并按时更新，历史信誉值的加入使最后得出的综合结果更具客观性及稳定性。综合信誉值产生流程如图2所示。在产生推荐信任值时，为避免恶意节点发送虚假、冲突的推荐信任值有意抬高或贬低某个节点的推荐信任值，故将各信誉值与平均信誉值的距离作为权值，将与期望值越远的权重降的越低，尽可能排除恶意诽谤的可能性。首先计算全部推荐信誉值的平均值

然后计算信誉值与平均值的距离，进而判断推荐信誉值权重，第K个推荐信誉值m_k的权重c_k可表示为

所有推荐信誉值加权计算最终得到合并信誉值

在普通节点信誉评估中，验证节点通过以往该节点的历史行为来评价此节点的综合信誉值，生成行为判定报告，基于PBFT进行本簇内共识，将不可信行为进行记录并做出相应惩罚，并且同时管理本簇内的所有节点。验证节点层通过基站来管理，本发明内假定基站可信。基站利用人工智能技术通过节点历史行为评价其信誉值，并选择高信誉值节点作为验证节点，并每隔一段时间进行信誉值更新，发现节点信誉值低于门限值，即撤销其验证节点，重新选择高信誉值节点作为验证节点。验证节点同时计算本簇群的信誉值作为整个簇群的参考，当簇群信誉值低于门限值时，将整个簇群从网络中去除，部署新的节点。这一切由已经部署在物联网区块链上的智能合约自动执行。

本发明提出的基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，通过部署的访问控制功能模块，对许可用户的数据操作进行记录，保证相关数据操作具有可追溯性。

验证节点利用大数据技术定期将已确认处理的不可信信息进行汇总，并生成可视化报表，方便管理人员对整个物联网网络安全情况进行审查监管。

由以上本发明的内容可知，本发明与现有物联网网络方案相比，具有以下优势和有益的效果：

1.利用区块链技术，可以使用加密技术和安全算法来保护数字身份，从而构建物联网环境下更加安全便捷的数字身份认证系统。数字身份在上链之前需要通过认证机构(例如：政府、企业等)的认证与信用背书，上链之后，基于区块链的数字身份认证系统保障数字身份信息的真实性，并提供可信的认证服务。物联网中每个设备都有自己的区块链地址，可以根据特定的地址进行注册，从而保护其数字身份不受其他设备的影响。

2.使用区块链技术构建物联网应用平台，可“去中心化”地将各类物联网相关的设备、网关、服务等有效连接融合，促进其相互协作，有效避免由单一节点失败而导致整个网络崩溃问题。打通物理与虚拟世界，降低成本的同时，极大限度的满足信任建立、交易加速、海量连接等需求。

3.区块链中分布式账本具有防篡改特性，能有效降低物联网网络中任何单一节点设备被恶意攻击和控制后带来的信息泄露和恶意操控风险。利用区块链技术组建和管理物联网网络，能及时掌控网络中各种生产制造设备的状态以及参与分工协作的各相关方的状态，提高设备的利用率和维护效率，从而能提供更加精准、高效的供应链服务。

4.区块链可为物联网提供信任机制，保证所有权、交易等记录的可信性、可靠性及透明性，同时，还可为用户隐私提供保障机制，从而有效解决物联网发展面临的大数据管理、信任、安全和隐私等问题，推进物联网向更加灵活化、智能化的高级形态演进。

5.当物联网业务以智能合约的方式部署在物联网区块链上时，物联网设备可以在物联网区块链上通过查寻和执行相关智能合约来访问对应的物联网业务。当物联网业务部署在物联网区块链外部时，物联网设备可以通过物联网区块链查寻和执行相关辅助性智能合约以获得访问物联网业务的访问许可，然后与对应的物联网业务直接交互；同时，根据物联网业务的需求，物联网业务和物联网设备可以把双方交互的结果数据存储在物联网区块链上。

附图说明

图1为基于DAG有向无环图的区块链结构示意图；

图2为综合信誉值产生流程示意图；

图3为IOT设备节点部署示意图。

具体实施方式

下面以公司智慧办公所用到的智能IOT设备为例，说明本发明实现过程。假设该方案包括智能门锁、智能开关、智能插座、智能灯光、智能音箱、智能空调、智能热水器、智能冰箱、智能环境传感器、智能扫地机器人、智能网关、智能安防报警器、摄像头等等IOT设备，这些设备所采用的通信协议往往非常简单，极容易被入侵。

在本方案实施时，以公司内部部门分类为标准进行划分，将公司拆分为多个部分，由每个部门内自行设立一台服务器，建立并维护一个区块链网络，由各部门所各自维护的区块链共同组成基于DAG有向无环图结构的区块链架构，覆盖整个公司IOT智能设备网络，基于DAG有向无环图的区块链结构如图1所示。部门内通过区块链技术，基于密码学及签名机制对本部门内所使用的智能IOT设备进行安全认证；通过智能合约的形式，规定智能IOT设备访问及其他行为权限；通过为每个IOT设备设立统一的数字身份ID标识，使设备间能互相识别验证，达到互联互通的目的。IOT设备部署示意图如图3所示。下面以链上节点之一摄像头设备为例，讲述本发明专利的部署及实施流程。

(1)部门服务器将摄像头设备上链，并为其生成一个基于区块链的身份ID以及一个加密私钥。生成后若用户需要获取摄像头设备管理权限必须进行登录，登录必须输入私钥，若私钥丢失任何人都将失去对数据的访问权限，此时需要联系部门管理人员解决。任何有关该摄像头设备的操作行为都将被上链记录且不可篡改。

(2)链上节点分为验证节点与普通节点，假定该摄像头设备节点为普通节点。首先通过设备节点部署的数据采集程序将摄像头设备在工作时产生的传输时延、数据分组转发量、数据分组重复率信息收集并记录在区块链上，智能合约根据事先所设定的各类数据指标阈值进行对比计算，基于机器学习算法生成直接信誉值；由链上相邻设备节点基于神经网络算法互相推送产生推荐信誉值；本节点长期将每次生成的信誉值记录在区块链上形成历史信誉值队列。三种信誉值由验证节点根据链上智能合约进行加权计算，生成综合信誉值，具体产生流程由图2所示。

(3)综合信誉值作为评判该摄像头设备节点是否具有不可信行为的标准，在生成后基于PBFT进行全网共识并记录在区块链上，由验证节点基于智能合约，根据所生成的综合信誉值高低，利用人工智能技术对该节点是否具有不可信行为进行判断。

(4)若最终得出综合信誉值高于预先所设定的信誉值阈值，则判定该摄像头设备节点没有异常，即没有产生不可信行为，此时对该摄像头设备节点的历史信誉值评估队列进行更新，保持队列长度不变；若最终得出综合信誉值低于预先所设定的信誉值阈值，在次数不超过10次的情况下利用机器学习算法做不同程度的降低历史信誉分的处理，超过10次则直接将该设备节点下线，进行维修或做直接抛弃处理，处理完成后根据具体情况考虑是否对设备进行二次上链使用。具体次数可按照具体情况进行改变。

(5)部门服务器统一管理验证节点层。服务器利用人工智能技术选择高信誉值节点作为验证节点，并每隔一段时间进行信誉值更新，发现节点信誉值低于门限值，即撤销其验证节点，重新选择高信誉值节点作为验证节点。

(6)验证节点通过大数据技术定期将已确认处理的不可信信息进行汇总，并生成可视化报表，方便管理人员对整个物联网网络安全情况进行审查监管。

Claims (10)

1.一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于利用区块链技术对物联网中IOT设备行为进行监管，及时发现不可信行为并进行处理，对IOT设备提供安全保护机制，包括以下步骤：

S1、在物联网设备网络中部署基于DAG有向无环图的区块链架构，并提供设备认证、基础权限控制功能；

S2、物联网设备将自身工作产生的数据通过实时或离线方式写入区块链分布式账本；

S3、共识机制采用PBFT共识，保证上链数据不可篡改；

S4、部署访问控制功能，对许可用户的数据操作进行记录，保证相关数据操作具有可追溯性；

S5、由事先在链上所部署的智能合约根据所写入数据的指标为每个物联网节点计算生成综合信誉值；

S6、链上验证节点根据所生成的综合信誉值高低对每个节点是否具有不可信行为进行判断，若信誉值低于事先所设置的信誉值阈值，则判定该节点具有不可信行为并作出惩罚；

S7、验证节点定期将已确认处理的不可信信息进行汇总，并生成可视化报表，供管理人员进行审查监管。

2.如权利要求1所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，在步骤S1中，所述部署的基于DAG有向无环图结构的区块链网络架构为多链式结构，可看作是传统单链式结构的横向拓展，账本内每个基本单元可以引用一至多个前驱单元，且可以同时被多个后继单元同时引用，每条单链由对等可信基站维护，链上节点通过PBFT机制进行共识。

3.如权利要求1所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，在步骤S2中物联网节点所采集的数据包括节点ID、时间、地点、事件、传输时延、数据分组转发量、数据分组重复率。

4.如权利要求1所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，在步骤S4中设立访问规则，对许可用户实施严格的权限控制，将许可用户对数据处理操作记录上链保存记录。

5.如权利要求1所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，在步骤S5中，综合信誉值由直接信誉值，推荐信誉值和历史信誉值进行加权计算得出，直接信誉值的评定标准由节点与节点之间通过交互事件触发和周期性相结合的方式产生的传输时延、数据分组转发量、数据分组重复率指标组成，通过智能合约控制节点设备将收集到的数据与事先预设的正常数值范围进行比较，生成直接信誉值，推荐信誉值由多个节点同时推送产生，历史信誉值由长期统计生成，信任评估队列长度固定并按时更新。

6.如权利要求5所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，产生推荐信任值时，为避免恶意节点发送虚假、冲突的推荐信任值有意抬高或贬低某个节点的推荐信任值，故将各节点信誉值与平均信誉值的距离作为权值，将与期望值越远的节点所提供的推荐信誉值权重降的越低。

7.如权利要求1所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，在步骤S6中，物联网节点被分为两类，验证节点和普通节点，在普通节点信誉评估中，验证节点通过以往该节点的历史行为来评价此节点的综合信誉值，生成行为判定报告，基于PBFT进行本簇内共识，将不可信行为进行记录并做出相应惩罚，并且同时管理本簇内的所有节点。

8.如权利要求7所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，采用基于DAG有向无环图的多链式区块链结构替代传统单链式区块链结构，每一条链作为一个节点簇，簇与簇之间即链与链之间的验证节点根据预先设置的时间戳定时进行数据交互，使链间数据互通。

9.如权利要求7所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，验证节点层通过基站来管理，基站通过节点历史行为评价其信誉值，并选择高信誉值节点作为验证节点，并每隔一段时间进行信誉值更新，发现节点信誉值低于门限值，即撤销其验证节点，重新选择高信誉值节点作为验证节点。

10.如权利要求7所述的一种基于区块链的IOT设备行为可信监管方法，其特征在于，验证节点同时计算本簇群的信誉值作为整个簇群的参考，当簇群信誉值低于门限值时，将整个簇群从网络中去除，部署新的节点。

Images