基于区块链技术的物联网信息共享安全机制

针对物联网（IoT）信息共享中存在的源数据易被篡改、缺乏信用保障机制以及信息孤岛问题，提出一种基于区块链技术的轻量级物联网信息共享安全框架。该框架采用数据区块链和交易区块链相结合的双链模式:在数据区块链中实现数据的分布式存储和防篡改，并通过改进的实用拜占庭容错（PBFT）机制共识算法，提升数据登记效率；在交易区块链中实现资源和数据交易，并通过基于部分盲签名算法的改进算法，提升交易效率、实现隐私保护。仿真实验部分分别针对抗攻击能力、双链的处理能力和时延进行了验证分析，结果表明该框架具有安全性、有效性和可行性，可应对现实物联网中的大部分场景。     

基于物联网区块链的轻量级共识算法研究

面对规模庞大的物联网数据,高效的共识算法是区块链技术与物联网应用相结合的关键。为解决大规模物联网区块链系统中传统共识算法通信开销大、扩展性低、共识机制复杂度高的问题,基于Hyperledger Fabric搭建一个物联网区块链框架,并设计基于投票和交易证明的轻量级共识算法PoVT。在链码验证交易后,根据节点之间发起和收到的交易,选择交易的源节点和目标节点作为代表参与共识。在共识阶段通过设计新的投票方式简化共识流程,仅需一次全节点广播即可生成新的区块。以优先收集到一定投票数的节点作为主节点进行投票广播,在所有节点收到足够多投票消息的同时进行上一轮交易区块确认。对安全性、出块时间和带宽需求进行分析,结果表明,PoVT算法在网络中存在拜占庭节点的情况下能够以较短的时间验证交易和区块,在每秒交易数量相同时,该算法生成区块的时间为PBFT算法的1/3,网络带宽占用也能减少30%,证明所提物联网区块链框架在不同应用场景中具有较高的可扩展性。     

基于以太坊的物联网可伸缩信息共享机制

针对物联网(IoT)信息共享中存在缺乏信用保障机制以及信息孤岛问题,设计一种基于以太坊的物联网可伸缩的信息共享机制框架。提出基于智能合约机制的信息共享处理流程,采用设备管理器管理物联网设备,以增强机制的可伸缩性。实验基于以太坊平台,分别对机制的信息交易处理能力和可伸缩性进行验证。结果表明该共享机制具有良好的可伸缩性,信息共享的交易吞吐量达到10 000条/s,交易延时为毫秒级。     

面向数据安全共享的区块链技术研究

为区块链技术的安全性,提出一种基于改进的PBFT算法医院区块链数据共享方法,方法首先通过改进PBFT算法的主节点选择策略,通过拥有最大T_i值的节点当选主节点,减少了与其他节点间的通信,降低了通信开销,避免出现传播延时,避免恶意节点成为主节点,再加之通过设置区块验证阶段和生成正式块的验证阈值,提高了数据共享的安全性。最后对算法的吞吐量、通信次数、交易延迟、安全性和主节点选取的优势进行了仿真分析。仿真结果表明：相较于传统PBFT算法、SG-PBFT算法,所提的改进PBFT算法TPS显著提高,交易延迟出现的概率低,改进的PBFT算法在处理大规模数据的场景中的优势明显。相对于Raft算法和Bully算法,本研究的算法的显著降低了传播延时和通信开销。本研究提出的算法为物联网区块链数据的安全识别共享提供了参考。     

基于双链的可扩展物联网模型

针对当前区块链和物联网结合面临的存储和交易吞吐量压力进行了研究,提出一种基于双链的可扩展物联网模型.首先,设计了基于交易链和哈希(hash)链的双链存储结构和分区模型,通过交易链差异化存储降低了节点的存储压力,通过hash链提升了系统的整体安全性,并实现了全网数据的自由交易;其次,提出了一种并行多块创建协议(parallel multi-blocks creation protocol,PMCP),降低了系统共识时延,提高了系统的吞吐量,具有良好的可伸缩性;最后,提出了基于信誉的验证者和领导者选举算法,保证了节点选择的随机性和公平性,避免了系统中心化问题,设计了节点信誉值的评估机制,保证了协议的安全性.实验结果表明,该模型存储容量较传统区块链模型有大幅度提升,提高了区块链系统的可扩展性,PMCP协议的吞吐量和时延要明显优于PBFT等协议,所提信誉机制激励节点作出理性选择,可以很好地提升网络的安全性.     

一种基于环签名的PBFT区块链共识算法改进方案

联盟链是一种允许授权节点加入网络的区块链,当存在网络状况不理想等状况时,会出现节点动态加入退出的问题。为此,在环签名理论、ElGamal数字签名算法与PBFT算法的基础上,提出一种基于ElGamal数字签名算法的环签名改进方案。对环签名算法进行正确性及匿名性分析,运用环签名方案改进PBFT算法的签名及验证过程,使用Fabric中的区块链性能测试框架Caliper对改进方案进行性能测试,结果表明,基于环签名方案的改进PBFT共识算法可较好地解决网络中节点动态加入退出问题,且能够达到原PBFT算法的拜占庭节点容错率,具有一定的实用性。     

基于区块链的物联网访问控制框架

物联网（IoT）中入网设备的海量性、动态性和设备轻量级是内在联系并同时存在的特征。为了同时满足上述三个特征,提出一种基于区块链的IoT访问控制（BBIAC）框架。首先提出了该框架下的BBIAC模型,在IoT授权过程中引入属性的概念以满足模型对海量性的支持;而区块链自身的分布式结构和身份认证方式为该模型提供了动态性的支持;同时,区块链自身提供的安全性和多机构信任使BBIAC模型可以将需要大规模计算和存储的部分部署在区块链中,使该模型支持轻量级的IoT设备。接着,介绍了BBIAC模型完整的工作流程。然后,通过着色Perti网（CPN）对BBIAC模型进行形式化的安全性评估,证明了BBIAC模型的安全性。实验结果表明,BBIAC适用于具有海量性、动态性和设备轻量级特征的IoT环境。     

一种改进PBFT算法作为以太坊共识机制的研究与实现

针对以太坊中PoW(Proof of Work)共识机制在联盟链场景下表现出的由于算力竞争造成的资源浪费和不可靠问题,提出了采用PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)算法作为以太坊共识机制,并结合以太坊结构对PBFT算法进行改进。改进PBFT算法中,检查点协议取消了定时检查清除证书的过程,节点同步过程采用向其他节点索要区块并校验的方式完成同步;视图切换协议在结合区块生成协议的基础上,采用超时机制进行视图切换。实验结果说明采用改进PBFT的以太坊适用于联盟链场景中,可以在很大程度上减少算力开销,并在一定程度上减少网络上的数据传输量。     

一种高效隐私的区块链认知物联网框架

针对动态物联网隐私安全问题及低效推荐系统问题,提出一种高效隐私的区块链认知物联网框架。该框架分为区块链物联网管理层、认知过程层和需求层三层,区块链物联网管理层为认知层提供所需信息,然后对系统的可管理元素进行安全隐私的操作;在认知层中,认知引擎观察有关系统的信息,然后执行适当的算法来管理系统;在需求层中,通过认知规范语言（cognitive specification language,CSL）来描述网络的目标和行为。所提区块链物联网框架的认知推荐系统从过去发生的经验中学习,改进关于物联网推荐的决策,与其他物联网框架比较,所提框架和推荐系统具有隐私安全和高性能的推荐能力。     

基于区块链的5G物联网数据共享方案

海量的物联网数据拥有巨大价值,而现有基于云的数据共享机制,面临单点故障、内部泄露等问题,无法确保用户数据的安全共享。为实现高效可信的数据共享,利用区块链技术,提出了基于区块链的5G物联网数据共享方案。该方案首先设计了数据共享框架和数据共享流程;然后基于闪电网络方案,提出了面向物联网数据共享的链下交易机制。实验分析表明,基于区块链的5G物联网数据共享方案具有较强的抗攻击能力;基于闪电网络的交易机制,能够大幅提高交易吞吐量、降低交易时延。     

面向物联网的区块链共识机制综述

随着数字货币的不断发展,区块链技术引起越来越多人的关注,而对其关键技术共识机制的研究尤为重要。将区块链技术应用在物联网（IoT）中是目前研究的热点问题之一。共识机制是区块链的核心技术之一,其在去中心化程度、交易处理速度、交易确认延迟、安全性以及可扩展性等方面对IoT产生了重要影响。首先对IoT的体系结构特征以及资源受限问题造成的轻量化问题作了阐述,对在IoT中实现区块链所面临的问题作了简要概述,并结合比特币的运行流程对IoT中的区块链需求进行了分析;其次,把共识机制分为证明类、拜占庭类和有向无环图（DAG）类,研究了这些不同类别的共识机制的工作原理,在通信复杂度上分析它们与IoT的适应度,总结它们的优缺点,并对现有的共识机制和IoT结合的架构进行了调研分析;最后,针对IoT面临的中心机构运行成本高、可扩展性差、安全性存在隐患等问题进行了深入研究,分析结果表明,基于DAG技术的埃欧塔（IOTA）和Byteball共识机制在交易数量很多的情况下具有交易处理速度快、可扩展性好、安全性强的优点,是未来IoT领域区块链共识机制的发展方向。     

基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法可扩展性不足、通信开销大等问题,提出了一种基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法K-RPBFT。首先,将区块链分片,使用K-medoids聚类算法将所有节点划分为多个节点簇,每个节点簇构成一个分片,从而将全局共识改进为分层次的多中心共识;然后,每个分片的聚类中心节点之间使用PBFT算法进行共识,而在分片内部使用基于监督节点改进的Raft算法进行共识。K-RPBFT算法的片内监督机制赋予了Raft算法一定的拜占庭容错能力,并提升了算法的安全性。实验分析表明,相较于PBFT算法,K-RPBFT算法在具备拜占庭容错能力的同时能够大幅降低共识的通信开销与共识时延,提升共识效率与吞吐量,并且具有良好的可扩展性与动态性,使联盟链能够应用于更广泛的场景中。     

基于信任度匹配的改进PBFT共识算法

共识算法是去中心化的区块链系统实现数据状态一致的关键。针对传统的实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法在可扩展性和安全性方面存在的不足,提出一种基于信任度的匹配拜占庭共识算法(Trust-based Matching Byzantine Fault Tolerance,TMBFT)。首先,通过基于信任度的邻居匹配模型来选取部分节点进行投票共识,以降低区块链网络的通信量;其次,引入信任度评价机制来监督邻居节点的行为,确保有效检测出拜占庭节点,保证节点投票的安全性;最后,设计投票计数机制保证了共识结果的一致性,并提高了共识效率。与PBFT相比,TMBFT将通信复杂度从O(N^2)降到O(Nlog2N),有效降低了网络中的通信开销。安全性分析表明,信任度评价机制可降低节点作恶的概率,并有效提高系统安全性。实验结果表明,TMBFT较传统拜占庭算法具有更好的性能优势。     

基于以太坊的改进物联网设备访问控制机制研究

当前物联网设备节点动态性强且计算能力弱,导致物联网中的传统访问控制机制存在策略判决与策略权限管理效率较低、安全性不足等问题。提出基于以太坊区块链的物联网设备访问控制机制,结合基于角色的访问控制（RBAC）模型设计智能合约。对以太坊相关特性进行分析,建立结合用户组的改进RBAC模型。设计基于以太坊区块链技术的物联网设备访问控制架构及算法,通过编写图灵完备的智能合约实现物联网设备访问控制,融合以太坊区块链MPT树存储结构与星际文件系统对访问控制策略进行存储管理。在以太坊测试链上的实验结果表明,该机制具有较高的策略判决性能与安全性。     

一种可应用于联盟链的拜占庭容错共识算法

针对联盟链应用场景,分析了目前应用最广泛的PBFT（practical Byzantine fault tolerance,实用拜占庭容错）算法中的高通信成本和主节点选取的问题,提出了OBFT（optimistic Byzantine fault tolerance,乐观同步拜占庭容错）算法。首先,针对高通信成本问题,OBFT算法通过动态超时时间实现了乐观同步拜占庭容错,并且结合了PBFT算法中的检查点协议,当触发超时时,说明此时节点处于异步状态,为了实现拜占庭容错,算法切换回部分同步拜占庭容错,即执行PBFT算法的commit阶段,并且以stable checkpoint为新一轮乐观拜占庭容错的起点。其次利用积分制优化了主节点选取过程,保证可供选择的主节点符合区块链最长链原则。最后通过本地多节点仿真实验表明,OBFT算法提升了数据吞吐量和可拓展性,并且有效地降低了交易延迟。