区块链赋能物联网应用关键技术研究

　　构建基于区块链的高效、安全的分布式物联网网络，对于提高物联网系统协作效率、降低物联网体系运转成本、推动物联网产业技术创新和应用落地具有重要意义。近年来，在区块链应用方面的研究已经取得了一些有价值的成果，然而，到目前为止，基于区块链的物联网系统性能依然存在瓶颈，链上数据的可靠性无法保证，跨链通信状态机同步仍非常困难，距离实际应用需求还存在很大差距。
　　《区块链赋能物联网应用关键技术研究》针对物联网联盟链动态数据存储与共享面临的安全及扩容问题，提出解决方案，可以在确保数据安全性和可靠性的前提下，实现物联网联盟链结点自主跨链交互，为防止物联网数据被篡改、伪造，同时提高系统共识效率与可扩容性提供了一套有效的理论与技术方案。通过理论分析与实验，验证了《区块链赋能物联网应用关键技术研究》所提方法的有效性。

　　乔蕊，战略支援部队信息工程大学网络空间安全专业博士。现为周口师范学院计算机科学与技术学院信息安全教研室主任，副教授。主要研究领域为移动互联数据安全。在国内外学术期刊发表相关论文多篇，主持完成物联网安全方面的国家或省部级课题5项，参与工业互联网安全方面的国家重点研发课题1项，参与产学研科学技术支撑服务项目多项。

第一章 绪论
1．1 引言
1．2 物联网生态系统
1．2．1 物联网概述
1．2．2 物联网技术应用现状分析
1．2．3 物联网在中国
1．2．4 物联网关键技术
1．3 物联网应用面临的主要问题
1．3．1 软件问题
1．3．2 标准化问题
1．3．3 安全问题
1．4 拓展物联网应用的新技术——区块链
1．5 本书主要内容与创新点
1．6 本书组织结构

第二章 区块链技术基础
2．1 区块链概述
2．1．1 区块链的定义
2．1．2 区块链技术的起源
2．1．3 国内外区块链研究与产业的发展现状
2．1．4 国内外政策与标准现状
2．2 区块链技术原理
2．2．1 区块头
2．2．2 创世区块
2．2．3 Merkle树和简单支付验证
2．2．4 链式结构特性
2．2．5 区块链分叉
2．3 区块链技术分类
2．3．1 根据准入机制分类
2．3．2 根据部署环境分类
2．3．3 根据通信方式分类
2．3．4 根据应用范围分类
2．4 区块链密码学基础
2．5 区块链技术的应用优势
2．5．1 自信任体系
2．5．2 跨组织边界的优越性
2．5．3 中间成本降低
2．6 本章小结

第三章 区块链安全机制分析
3．1 区块链共识机制
3．1．1 共识机制演进分析
3．1．2 典型的共识机制
3．2 隐私保护技术
3．2．1 SMPC协议
3．2．2 ZK-SNARKs
3．2．3 HE协议
3．3 架构演化与特点
3．3．1 比特币架构
3．3．2 以太坊架构
3．3．3 开放式区块链架构
3．3．4 架构比较
3．4 脆弱性分析
3．4．1 双重支出攻击
3．4．2 权益攻击
3．4．3 长程攻击
……
第四章 联盟链在物联网中的研究与应用
第五章 物联网动态数据安全存储机制研究
第六章 物联网动态数据安全溯源机制研究
第七章 物联网联盟链动态自主跨链交互机制研究
第八章 复杂物联网联盟链通信机制研究
第九章 主要工作与展望
参考文献

　　构建基于区块链的高效、安全的分布式物联网网络，对于提高物联网系统协作效率、降低物联网体系运转成本、推动物联网产业技术创新和应用落地具有重要意义。近年来，在区块链应用方面的研究已经取得了一些有价值的成果，然而，到目前为止，基于区块链的物联网系统性能依然存在瓶颈，链上数据的可靠性无法保证，跨链通信状态机同步仍非常困难，距离实际应用需求还存在很大差距。为解决上述问题，本书针对物联网联盟链数据存储与访问控制中的若干关键问题展开研究，主要内容如下。
　　①对物联网应用现状及相关技术进行较为全面的分析，指出物联网发展面临的问题，针对物联网安全问题，引入区块链技术，分析区块链技术在物联网中的应用前景，以及区块链应用在物联网中需要解决的若干问题。
　　②区块链技术分析。首先，介绍区块链技术相关的基本概念；其次，从国内外科学研究现状、产业发展现状、政策与标准现状等方面梳理区块链技术发展现状，并从区块链结构组成角度介绍区块链的技术原理，着重介绍了区块链链式结构下可能引发的自然分叉和人为分叉；最后，对区块链技术分类、区块链密码学基础、区块链应用优势等问题进行了分析和归纳。
　　③区块链安全机制演进分析。区块链对外呈现的关键特性在于其共识机制，首先，对共识机制的演进过程及具有代表性的共识机制进行分析，对一些经典共识机制下用于实现隐私保护的技术进行剖析；其次，通过剖析和对比比特币、以太坊、开放式区块链等具有代表性的区块链架构，对区块链进行脆弱性分析；最后，从系统共识、安全性及可扩容性角度指出区块链，主要是联盟链在物联网领域推广应用面临的核心问题。
　　④联盟链在物联网中的典型应用与挑战。从新信任范式下的数据管理和资产流动、异构物联网系统间的协同合作、物联网服务的灵活性几个方面梳理现有基于联盟链的物联网应用研究，这些研究表明，目前大部分物联网联盟链研究处于概念验证阶段，同时也表明了联盟链在物联网数据资产管理、异构系统协作及拓展新兴服务等方面的适用性。从应用层面分析梳理了联盟链在物联网领域的典型应用场景，并从技术层面和审计管理层面对联盟链在物联网领域推广应用面临的挑战进行了深入探讨。
　　⑤基于联盟链的物联网动态数据安全存储机制研究。首先，分析共识终端最大化自身收益的局部行为与保障物联网动态数据存储安全性和有效性整体目标的关系，提出基于贪心规则的共识机制，使各结点能够高效地针对区块数据的有效性达成共识：其次，以机构为背书结点，定义数字资产所有权状态表示和状态转换函数，确保价值守恒；最后，给出基于哈希运算消息认证码的多级访问控制数据交付方式，以共识方式实现动态数据的分布式记账，有效地阻止非授权用户对动态数据的篡改及伪造，确保链上数据安全。
　　⑥基于联盟链的物联网动态数据安全溯源机制研究。在前文研究的基础上，建立基于授权属性特征值的物联网动态数据多维授权及操作轨迹溯源模型。通过对结点理性行为及策略博弈过程的分析，得出动态数据可追溯系统中各结点达成共识的边界条件，基于此，由机构授权背叛概率较低的结点构造验证结点列表（Verification Nodes List，VNL），提出基于VNL的共识机制（VNL-based Consensus Mechanism，VnlCM）：基于VnlCM构造静态多维授权关系链和动态数据存储链，实现授权方式下对动态数据及其操作的安全管理，能够有效地追溯动态数据在授权状态下遭到的恶意改动，从而提高链上数据的可靠性。
　　⑦物联网联盟链动态自主跨链交互机制研究。首先，针对物联网联盟链具体应用场景下结点跨链交互行为进行分析，抽象出物联网联盟链链间通信模型，基于此，给出用于限定物联网机构间合作关系，并传递跨联盟链共识的群门限数字签名跨链共识机制（Group-threshold-digital-signature-based Cross-chain Consensus Mechanism， GCCM）;其次，简化路径证明拓扑，给出提供结点跨链通信身份可信性路径证明的构造规则，将结点行为限定在机构许可的可信范围内；最后，从物联网联盟链环境下结点合作博弈角度分析智能合约部署、执行时序，得出理性结点选择价值转移的最佳策略，给出部署智能合约实现不同物联网联盟链结点间价值去中心化动态自主传递的方法。
　　⑧复杂物联网联盟链通信机制研究。首先，构建复杂情况下物联网联盟链链间通信模型，简化物联网联盟链链间通信拓扑，对链间授权进行细粒度划分，给出结点间利用授权码构造身份证明，运行智能合约交易实现链间无偿一主动授权的方法；其次，在将多个联盟链基于VNL对跨链交易的共识过程建模为存在多个特权子群的GCCM共识基础上，将交易划分为不同的类型，采用多级混合可选信任一验证门限共识方式，实现低价值交易的实时确认，同时保障高价值交易和跨链交易的安全性；最后，为解决跨链通信过程系统状态的不一致问题，提出交易初始化、锁定和解锁三阶段跨联盟链通信交易原子提交协议，实现复杂情况下不同物联网联盟链间的安全、自主、动态授权和价值流动。
　　本书针对物联网联盟链动态数据存储与共享面临的安全及扩容问题，提出解决方案，可以在确保数据安全性和可靠性的前提下，实现物联网联盟链结点自主跨链交互，为防止物联网数据被篡改、伪造，同时提高系统共识效率与可扩容性提供了一套有效的理论与技术方案。通过理论分析与实验，验证了本书所提方法的有效性。