基于中国剩余定理的区块链存储扩展模型

区块链以分布式账本的形式存储交易数据,其节点通过存储哈希链来持有当前数据的副本。由于区块链链式结构的特殊性,区块的数量会随着时间推移不断增加,节点承受的存储压力也随之增大,因此存储扩展性成为区块链发展的瓶颈之一。针对该问题,提出了一种基于中国剩余定理（CRT）的区块链存储扩展模型。模型将区块链分为高安全性区块和低安全性区块,并对它们采取不同的存储策略。其中,低安全性区块以全网保存（所有节点都需保存）的形式进行存储,高安全性区块被基于CRT的分割算法分片后以分布式的形式进行存储。此外,利用冗余余数系统（RRNS）的错误检测与纠正来防止恶意节点攻击,进而提高数据稳定性和完整性。实验结果与安全性分析表明,所提模型在具有安全性、容错性的同时保障了数据的完整性,还能有效地减少节点的存储消耗,增强区块链系统的存储扩展性。     

基于哈希图的建筑物联网数据管理方法

针对区块链应用于建筑物联网场景时存在的吞吐量严重不足和响应时延高的问题,提出一种基于哈希图的建筑物联网数据管理方法。该方法使用有向无环图（DAG）存储数据,从而利用图式结构的高并发特性提高区块链的吞吐量性能;引入哈希图算法对存储在DAG内的数据达成共识,从而减少共识所需时间;设计智能合约实现访问权限控制,以防止未授权用户对数据的操作。使用区块链性能测试工具Caliper进行的性能测试的结果表明：在由32个节点构成的中等规模仿真环境下,与现有边缘计算方法和跨链方法相比,所提方法的吞吐量为每秒处理1 063.1笔交易,分别为对比方法吞吐量的6倍和3倍;该方法的数据存储时延和控制时延分别为4.57 s和4.92 s,响应速度优于对比方法;该方法在尖峰冲击测试中的交易成功率为87.4%;同时基于该方法的原型系统在稳定性测试中可以平稳运行120 h。可见,所提方法可以有效提高区块链的交易吞吐量和响应速度,满足建筑物联网场景的实际使用需求。     

基于区块链的物联网节点信息安全研究

针对区块链的电商物联网节点信息安全问题,对节点可信计算及隐私保护展开了研究及分析。设计了恶意节点检测信任方法(Block chain Trust Model, BTW),结合区块链网络频繁数据交换的可信计算、同态加密区块链技术,保护电商物联网节点信息的安全,获得节点信息安全总体模型。实验结果表明,BTW方法的CPU运行情况明显优于传统方法。相对于传统的区块链交易流程,研究提出的可信计算业务流程可以将业务流程缩短50%～75%,隐私节点保护的整体效果优于传统方法。融合恶意节点检测、可信计算、同态加密区块链的物联网节点信息安全保护模型,能够提供更好的安全保障。     

结合社区发现和局部恢复码的区块链扩容研究

区块链全节点需要存储完整的账本,不能满足数据快速增长的需求,其存储扩容成为当前研究热点之一。现有最优研究成果虽然结合分片和RS(Reed-Solomon)纠删码技术,降低了存储开销,实现了数据可恢复,但存在网络开销较高和跨节点数据请求效率较低的问题。因此,提出了一种基于社区发现和局部恢复码（local reconstruction codes,LRC）的区块链存储扩容方案,一定程度上解决了这些问题。改进现有基于传导性的社区发现方法,在此基础上提出了一种区块链节点分组方法,使平均连接速度更快的节点分为一组,有效地缩短了跨节点请求区块的响应时间;采用了更优的LRC码来替代RS纠删码,利用更少的原始数据实现单点故障数据恢复,降低了网络开销。大量实验结果表明提出的存储方案在保持目前最优方案的数据恢复能力和存储开销的基础上,能有效减少网络开销和跨节点请求区块的时间。     

基于混合算法区块链和节点身份认证的数据存储方案

为了增强云数据存储的完整性和安全性,在无线传感器网络（WSN）中,提出一种基于混合算法区块链的数据存储方案,以及一种集成身份验证和隐私保护的去中心化框架。首先,簇头将采集到的信息传递至基站,而基站在分布式区块链上记录所有关键参数,并传递至云端存储。然后,为了获得更高的安全等级,合并椭圆曲线加密（ECC）的160位密钥与高级加密标准（AES）的128位密钥,并在云存储层之间进行密钥对交换。基于混合算法的区块链结合身份验证方案可以很好地保证云数据的安全性存储,因此所提方案在安全性方面较为优秀。此外,恶意节点可通过基站从区块链中直接移除并撤销认证,方便快捷。仿真结果表明,与去中心化的区块链信息管理（BIM）方案、基于信任和分布式区块链评估的安全定位（DBE）算法和利用密钥衍生加密和数据分析（KDE-DA）管理方案相比,所提方案在延迟、吞吐量、计算开销方面具有一定的优越性。     

区块链技术在矿山物联网中的应用研究

针对矿山物联网中数据传输和存储过程中存在易丢失和被篡改等问题,将区块链技术应用于矿山物联网的数据传输与存储中。构建了以数据层、传输层、共识层为核心的矿山私有区块链架构;设计了基于共识模块和数据区块的矿山物联网数据传输与存储防护方案;应用实用拜占庭容错(PBFT)算法设计了数据共识过程,通过在分布式结构化P2P网络每2个节点间设置共识模块并优化P2P协议,实现了矿山数据安全性共识。测试结果表明,私有区块链的应用保证了矿山物联网数据的准确传输和可靠存储。     

面向时空数据的区块链构建及查询方法

时空数据作为一种同时具有时间维度及空间维度的数据类型,被广泛应用于供应链管理、电子商务等领域,它的完整性及安全性在实际应用中具有重要意义。针对目前时空数据集中式存储方式存在数据不透明且易被篡改的问题,将区块链技术的去中心化、防篡改、可追溯等特性与时空数据管理相结合,提出面向时空数据的区块链构建及查询方法。首先,提出一种基于改进图型区块链（Block?DAG）的时空数据区块链架构ST_Block?DAG;其次,为了提升时空数据的存储及查询效率,在ST_Block?DAG区块链内部采取基于四叉树及单链表的结构存储时空数据;最后,在ST?Block?DAG存储结构基础上实现了多种时空数据查询算法,如单值查询、范围查询等。实验结果表明,与STBitcoin、Block?DAG以及STEth相比,ST_Block?DAG的时空数据处理效率提升了70%以上,时空数据综合查询性能提升了60%以上。所提方法能够实现时空数据的快速存储及查询,可以有效支持时空数据的管理。     

基于强化学习的无线传感器网络入侵检测攻防博弈研究

无线传感器网络易遭到各种内部攻击,入侵检测系统需要消耗大量能量进行攻击检测以保障网络安全。针对无线传感器网络入侵检测问题,建立恶意节点（malicious node,MN）与簇头节点（cluster head node,CHN）的攻防博弈模型,并提出一种基于强化学习的簇头入侵检测算法——带有近似策略预测的策略加权学习算法（weighted policy learner with approximate policy prediction,WPL-APP）。实验表明,簇头节点采用该算法对恶意节点进行动态检测防御,使得博弈双方快速达到演化均衡,避免了网络出现大量检测能量消耗和网络安全性能的波动。     

基于逻辑密钥树的无线传感网络密钥管理方案

针对层次型无线传感网络（HSN）中的安全通信问题，提出了一种基于逻辑密钥树（LKH++）的组密钥管理方案——W-LKH++。针对无线传感器节点的低配置特点，首先，对LKH++树的组密钥初始化计算方法进行修改，降低传感器节点的计算消耗；其次，对LKH++的组密钥持有方式进行改进，减少传感节点的存储消耗；最后，提出适用于簇头节点的动态密钥更新方法，在降低通信消耗的基础上增强簇头节点的抗捕获能力，提高无线通信网络的安全性。性能分析和仿真实验结果表明，W-LKH++在保证低计算、存储和通信消耗的基础上，进一步提高了网络安全性。     

一种适用于无线医疗传感器网络的基于区块链的无证书聚合签名方案

随着无线通信技术的迅速的发展,无线医疗传感器网络正在推动着智能化医疗的进步.医疗传感器节点能够收集病人的医疗数据,并将其传输给医生进行诊断与治疗.但是,无线医疗传感器网络中的通信安全、病人的身份隐私以及对集中式服务器过度依赖等问题亟待解决.针对上述问题,提出了一种适用于无线医疗传感器网络的基于区块链的无证书聚合签名方案.该方案无需集中式的医疗服务器,通过基于分布式哈希表存储机制以链上-链下的方式存储医疗数据,保证了医疗数据的安全和去中心化存储;同时,本文方案通过智能合约技术实现医疗传感器节点在许可区块链上身份来源认证.在随机预言模型下证明了该方案具有不可伪造性,并且满足可追踪性,匿名性等安全需求.与现有其他相关的方案相比,该方案在签名和验证阶段的计算和通信开销更具优势.     

Energy optimization with authentication and cost effective storage in the wireless sensor IoTs using blockchain

In this paper, a hybrid blockchain-based authentication scheme is proposed that provides the mechanism to authenticate the randomly distributed sensor IoTs. These nodes are divided into three types: ordinary nodes, cluster heads and sink nodes. For authentication of these nodes in a Wireless Sensor IoTs (WSIoTs), a hybrid blockchain model is introduced. It consists of both private and public blockchains, which are used to authenticate ordinary nodes and cluster heads, respectively. Moreover, to handle the issue of cluster head failure due to inefficient energy consumption, Improved Heterogeneous Gateway-based Energy-Aware Multi-hop Routing (I-HMGEAR) protocol is proposed in combination with blockchain. It provides a mechanism to efficiently use the overall energy of the network. Besides, the processed data of subnetworks is stored on blockchain that causes the issue of increased monetary cost. To solve this issue, an external platform known as InterPlanetary File System (IPFS) is used, which distributively stores the data on different devices. The simulation results show that our proposed model outperforms existing clustering scheme in terms of network lifetime and data storage cost of the WSIoTs. Our proposed scheme increases the lifetime of the network as compared to existing trust management model, intrusion prevention and multi WSN authentication schemes by 17.5%, 24.2% and 19.6%, respectively.     

边缘计算模式下全同态加密智能合约设计

区块链产生的成千上万的交易信息数据不断被收集到区块链中,会给区块链网络的计算资源和存储空间造成极大负担.为了解决区块链网络计算资源不足和存储空间有限的问题,我们将边缘计算模式应用于联盟链Hyperledger Fabric系统中,在区块链中设计了基于边缘计算模式的智能合约,以提高区块链的存储空间和运行效率.在此基础上,...     

An anonymous authentication and secure data transmission scheme for the Internet of Things based on blockchain

With the widespread use of network infrastructures such as 5G and low-power wide-area networks, a large number of the Internet of Things (IoT) device nodes are connected to the network, generating massive amounts of data. Therefore, it is a great challenge to achieve anonymous authentication of IoT nodes and secure data transmission. At present, blockchain technology is widely used in authentication and s data storage due to its decentralization and immutability. Recently, Fan et al. proposed a secure and efficient blockchain-based IoT authentication and data sharing scheme. We studied it as one of the state-of-the-art protocols and found that this scheme does not consider the resistance to ephemeral secret compromise attacks and the anonymity of IoT nodes. To overcome these security flaws, this paper proposes an enhanced authentication and data transmission scheme, which is verified by formal security proofs and informal security analysis. Furthermore, Scyther is applied to prove the security of the proposed scheme. Moreover, it is demonstrated that the proposed scheme achieves better performance in terms of communication and computational cost compared to other related schemes.     

区块链增强型轻量级节点模型

区块链固有的链式结构意味着其数据量无休止地线性增长,随着时间的积累,对单个节点的存储造成很大的压力,对整个系统的存储空间造成极大的浪费。在比特币白皮书中提出的SPV（Simplified Payment Verification）节点模型,大大减少节点对存储空间的需求,但是,它使得全节点的个数减少、压力增大,减弱了整个系统的去中心化程度,存在拒绝服务攻击、女巫攻击等安全隐患。通过对比特币区块数据进行分析,提出一种功能完整的增强型轻量级节点模型ESPV（Enhanced SPV）。ESPV把区块分为新区块和旧区块,对它们采用不同的存储管理策略。新区块以全部副本（每个节点保存一份）的方式保存以用于交易验证,用较少的存储空间代价让ESPV具有交易验证（挖矿）功能;旧区块分片存储在网络的节点中,通过分级区块分区路由表访问,在保证数据可用性和可靠性的前提下减少系统对存储空间的浪费。ESPV节点具有完整的节点功能,从而保证区块链系统的去中心化特性,增强其安全性和稳定性。实验结果表明,ESPV节点具有80%以上的交易验证率,在数据量和增长量上这些节点仅为全节点的10%,ESPV的数据可用性和可靠性有保障,适用于系统的整个生命周期。     

LBA：轻量级区块链架构

针对现有区块链架构在面临垂直结构型的轻量级应用时存在着结构冗余、性能不足的缺点,提出一种轻量级区块链架构(lightweight blockchain architecture,LBA).在数据层,提出按行存储机制提高数据读写效率,并增加基于MongoDB的存储方式,支持海量数据的线下隔离存储.在共识层,设计分层共识机制,将节点按事务粒度划分为决策层和执行层,减少参与共识的节点数量,提升共识效率.在网络层,提出分布式结构化网络模型,提高网络中数据的广播效率.在应用层,设计自定义事务接口,支持不同场景下的区块链系统功能定制,采用自定义的有限状态机取代图灵机,提高智能合约的可控性和降低复杂度.实验仿真结果表明,LBA架构能有效提高区块链系统中的数据存储效率、网络通信和共识效率,适用于区块链的轻量级中小型应用.     

Blockchain-Assisted Secure Fine-Grained Searchable Encryption for a Cloud-Based Healthcare Cyber-Physical System

The concept of sharing of personal health data over cloud storage in a healthcare-cyber physical system has become popular in recent times as it improves access quality. The privacy of health data can only be preserved by keeping it in an encrypted form, but it affects usability and flexibility in terms of effective search. Attribute-based searchable encryption (ABSE) has proven its worth by providing fine-grained searching capabilities in the shared cloud storage. However, it is not practical to apply this scheme to the devices with limited resources and storage capacity because a typical ABSE involves serious computations. In a healthcare cloud-based cyber-physical system (CCPS), the data is often collected by resource-constraint devices; therefore, here also, we cannot directly apply ABSE schemes. In the proposed work, the inherent computational cost of the ABSE scheme is managed by executing the computationally intensive tasks of a typical ABSE scheme on the blockchain network. Thus, it makes the proposed scheme suitable for online storage and retrieval of personal health data in a typical CCPS. With the assistance of blockchain technology, the proposed scheme offers two main benefits. First, it is free from a trusted authority, which makes it genuinely decentralized and free from a single point of failure. Second, it is computationally efficient because the computational load is now distributed among the consensus nodes in the blockchain network. Specifically, the task of initializing the system, which is considered the most computationally intensive, and the task of partial search token generation, which is considered as the most frequent operation, is now the responsibility of the consensus nodes. This eliminates the need of the trusted authority and reduces the burden of data users, respectively. Further, in comparison to existing decentralized fine-grained searchable encryption schemes, the proposed scheme has achieved a significant reduction in storage and computational cost for the secret key associated with users. It has been verified both theoretically and practically in the performance analysis section.      

基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案

区块链中的节点以副本形式保存数据,随着时间的推移,区块链中的区块数不断增加,导致节点承受的存储压力随之增大,存储压力成为区块链应用落地的瓶颈之一。为了解决区块链中存储压力问题,提出了基于变色龙hash的区块链可扩展存储方案,该方案利用节点被攻击成功的概率和改进的温度模型,将区块分为高低安全性的冷热区块;基于变色龙hash算法和改进的Merkle tree,对高安全性的冷区块进行部分节点存储。在存储过程中,除高安全性冷区块的区块体信息被重构外,其余数据保持不变。仿真实验表明,在不改变区块链结构和安全性能的情况下,所提出的方案可减少区块链中数据的存储总量,减少存储节点的存储压力;且区块数量越多,其优势越明显。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。