边缘计算场景下的多层区块链网络模型研究

近年来,越来越多的研究人员尝试将边缘计算场景中收集的数据存储在区块链上,以解决传统数据存储方案中数据安全性差、防篡改性弱的问题.然而在已有的设计方案中,设备往往需要保存完整的区块数据,并且在对链上的特定数据进行取回或验证时,需要遍历大量的区块以找到对应的数据,降低了边缘计算场景中用户侧的响应速度.此外,传统共识算法也不适用于资源受限的终端设备.针对上述问题,本文提出了一种面向边缘计算的多层区块链网络模型.具体地,该模型被分为了核心层、边缘层和终端层三层:终端层被划分为多个局部网络,每一个局部网络中都包含了一个终端侧区块链,链上存储了该局部网络中终端节点产生的数据;位于边缘层的边缘侧区块链对终端层中的每一个局部网络中的终端侧区块链定期进行备份;核心层中部署了一些核心设备,负责边缘层节点的审核、注册等工作.我们对模拟数据进行了仿真实验,结果表明在该模型中查找某一特定数据哈希的速度相比传统的有向无环图式区块链模型提高了4-7倍.我们还提出了一种自适应工作量证明算法,算法执行的难度可以根据终端节点的行为动态进行调整.实验结果表明,相比传统工作量证明算法,执行该自适应算法的正常节点的交易效率可以提升4-5倍.     

边缘智能融合区块链：研究现状、应用及挑战

边缘智能集网络、计算、存储和智能于一体,将智能推向网络边缘,为互联时代的低延迟关键计算开辟了道路。为进一步满足万物互联下的敏捷连接、数据优化、实时边缘业务处理、安全和隐私保护等关键需求,区块链存在着加速边缘智能的巨大潜力。边缘智能和区块链两种技术相互融合,优势互补。在此背景下,本文旨在探讨边缘智能与区块链的关系,从区块链驱动的边缘智能和边缘智能驱动的区块链两个方面介绍边缘智能融合区块链的最新研究现状,应用与挑战,进而为泛在智能服务开辟新的视野。     

轻量级区块链技术综述

传统的区块链技术为了保证交易账本的全网共识和不可篡改性,要求矿工节点具有强大的计算能力和足够的存储空间,这就限制了资源受限的设备加入区块链.近几年,区块链技术已经拓展到金融经济、医疗健康、物联网、供应链等多个领域,但是这些应用场景存在大量算力弱、存储容量低的设备,这给区块链的应用带来了巨大挑战.为此轻量级的区块链技术应运而生.从轻量级计算和轻量级存储两方面出发,总结当前轻量级区块链的研究现状,对比分析各个方案的优缺点.最后展望未来轻量级区块链的发展.     

面向端边云协同架构的区块链技术综述

近年随着边缘计算的兴起,边缘计算和云计算结合形成的终端边缘云(端边云)协同的层次型分布式架构尽管可在高计算能力服务、高存储能力服务和低延时服务等方面满足应用需求.但在数据安全和多方可信交互等方面仍面临很多挑战.作为一种去中心化的分布式账本技术,区块链具有数据不可篡改、不可伪造、可追溯和由多方共同维护的特点,将区块链融入到端边云架构中可以使多参与方之间进行互信的数据交互,确保数据完整和可用,但由于区块链在系统架构、隐私安全、对节点资源要求和多方共识方面的特点,其与端边云架构相融合时仍面临诸多挑战:区块链和端边云系统在架构上的不匹配使得二者难以融合;区块链账本数据透明,可能造成敏感数据泄露;区块链的全副本存储和共识过程会消耗更多端边云参与节点的资源;不同端边云场景所需的信任模型差异、终端和边缘节点资源受限和终端设备大规模接入等特点使得现有共识算法不能适应端边云的场景.针对以上问题,本文首先介绍端边云架构和区块链技术,接着讨论二者融合的可行性和优势,并整理归纳了相关研究进展;之后讨论端边云架构下区块链技术面临的技术问题;最后提出未来端边云架构下区块链技术的研究方向.     

基于区块链的边缘计算安全架构鲁棒性检测

由于边缘设备产生的数据具有实时感知、并行处理等开放性特征,其运行资源极易受到限制降低安全架构性能,提出一种基于区块链技术的边缘计算安全架构鲁棒性检测方法.通过分析边缘计算安全架构的运行流程与目的,计算区块链函数的奇异性和架构变换极大值,获得安全架构的运行周期,根据紧支集三次B样条构建区块链,分解临近的区块链,确定构建区块时所需要的尺寸,收集鲁棒性检测样本,最后对样本数据进行连续性的划分与离散转化,随着转化结果,初始样本会产生一种周期分散但架构紧凑的变化趋势,依靠该趋势完成边缘计算安全架构的鲁棒性检测.仿真结果表明,能够有效的完成对鲁棒性的检测,同时有着检测速度快的优点.     

区块链赋能的算力网络协同资源调度方法

随着AI内容生成、多媒体处理、VR视频等对于计算资源有着极大需求的互联网服务的快速发展，在可以遇见的将来，计算资源将成为网络中的稀缺资源.算力网络通过将算力作为网络基本单元之一来实现算力的网络化，为这些计算敏感的应用提供了行之有效的解决方案.得益于来自云—边—端等节点的计算资源，算力网络能够为大规模用户提供弹性泛在的计算调度.尽管算力网络具有广泛的应用前景，如何实现在这些地理分布的计算节点之间高效调度，计算资源对于算力网络的性能至关重要.提出了一种区块链赋能的资源调度（blockchain empowered resource allocation,BCERA）算法.不同于现有的资源调度方法，BCERA依赖于一个区块链结构来实现分布式、高效的计算资源调度.特别地，有别于现有的区块链结构，BCERA中的区块链节点通过求解任务调度优化问题来实现区块链的共识，从而在避免共识所带来的额外开销和时延的同时，还能提升系统的可扩展性和鲁棒性.计算资源调度问题被建模为一个马尔可夫决策过程（Markov decision process,MDP）并通过强化学习方法来求解.除此之外，还设计了一个激励机制以...     

工业智联网:基本概念、关键技术与核心应用

本文首先阐述了工业网联技术的演化过程,重点讨论了工业智联网产生的技术和时代背景.然后探讨了工业智联网的基本概念、内涵与应用领域.本文详细介绍了工业智联网的关键技术,包括数字虚拟工业技术、新一代知识工程技术、工业资源异构复杂网络管控技术、区块链智能、社会计算、边缘计算等,及其技术平台架构.最后我们以智能工业新模式和工业系统价值挖掘为示例,举例说明工业智联网的应用模式.     

变异系数来度量区块链网络去中心化程度

区块链网络的最主要优点是去中心化,但大多数关于这个问题的研究缺乏量化,而且都没有针对区块链在实践中的去中心化程度进行度量.提出了一种基于统计学中变异系数来量化区块链网络去中心化程度的方法.利用变异系数,计算了出块数量和地址余额的数据离散程度,从而来量化区块链网络(以比特币和以太坊为例)的去中心化程度.计算结果表明,基于...     

基于区块链的数字版权认证模型

针对现有区块链版权系统在区块存储空间有限和版权验证依赖数据库数据的问题,设计一种文本作品的区块链版权认证模型.通过扩展区块结构将作品内容完整存储在区块链中,解决了数据库存储作品内容易被更改的问题.作品版权验证不再依赖数据库作品内容,依靠区块链的不可篡改性和非对称加密技术的唯一性,保证了作品版权验证过程的安全性.理论分析...     

面向工业互联网的区块链分层分片研究

区块链的不可篡改、去中心化等特点能够有效解决工业互联网中日益突出的安全和隐私问题，然而当前主流区块链平台的吞吐量远不能满足工业互联网海量数据快速上链的需求，并且传统区块链采用的高冗余存储机制也无法适用于工业互联网场景。建立分层分片区块链架构，将区块数据分层存储在多个分布式云服务器和边缘服务器中，以应对工业互联网不断增长的数据量。依据边缘服务器之间的拓扑结构，设计一种基于复杂网络社团划分算法的改进区块链网络分片算法，在提升区块链网络吞吐量的同时缩短分片时间。将区块广播过程形式化为生成树论证了区块广播时间对吞吐量的影响，在此基础上提出一种基于生成树的片内主节点选取算法，进一步提升区块链网络的吞吐量。实验结果表明，与经典复杂网络社团划分算法相比，改进的区块链网络分片算法在对大规模网络进行分片时能够在不牺牲分片质量的前提下缩短约36%的分片时间，同时减少了各分片内区块的广播时间。     

Fabric中的匿名身份认证技术研究

解决联盟链上用户的隐私问题成为加速区块链实际应用落地的关键.基于联盟链的典型代表Hyperledger Fabric平台设计了一套基于公钥基础设施的匿名身份认证方案.通过将私钥d分解为两部分,由不同的角色使用各自私钥对匿名证书生成联合签名的方式实现证书生成过程中的权限分离,并解决匿名证书追踪过程中的单点攻击问题.分析表...     

基于Fabric区块链技术的电力企业人资信息化系统研究

针对现有技术中电力企业人资管理落后、效率低下的问题,借助于新型的区块链技术,提出了新型的电力企业人资信息化系统.该系统以Hyperledger Fabric(分布式账本)技术为依托,融合了共识算法、加密算法、数字资产交互、信息共享、数据传递、智能合约和身份认证等技术,构建出包括数据层、网络层、共识层、激励层和智能合约层的底层数据架构,并采用椭圆曲线函数实现对人力资源数据的加密、计算,又对人资数据信息的共享方法进行了说明.试验结果表明,该系统的数据共享能力强,加密性能好.     

一种基于联盟管理的高效分布式域名系统

在域名解析系统中,下级域名的命脉被上级域名所掌握,这种中心化的管理为域名解析带来了巨大的风险。以比特币等加密货币为代表的区块链则具有去中心化的特性。随着namecoin的提出,区块链开始被应用在命名系统和域名解析的领域,之后的Blockstack和ENS都提出了去中心化命名系统的解决方案。其中,Namecoin和Blockstack采用了完全去中心化的命名管理方式,产生了域名抢占问题。因此,我们将目光转向了采用小群组投票决定域名增加和删除的联盟化管理方案。在联盟化管理方案中,比如ENS的和超级账本的均存在交易空间太大的问题,在区块链本身存储代价大的背景下,存储效率将变得低下。因此,DNS系统和区块链的结合难度很大,不仅需要保证在多变的域名存储信息中保证存储总量较小,同时还需要针对域名解析实现高效的联盟化管理,这使得至今仍未有一个令人满意的去中心化域名解析系统的解决方案。为此,我们提出了ECMDNS——一个高效的基于联盟化管理的域名解析系统,既考虑到DNS区域文件具有存储量大且变换频繁的特点,又能在完全中心化和完全去中心化之间采取折衷方案,并拥有较高的时空效率及较小的存储总量。我们通过区分链上链下的存储保证在多变的域名信息中保证存储总量较小;通过群组决策投票的方式实现联盟化管理,同时优化了Hyperledger Fabric提出的混合复制模型,将空间存储效率优化到原本的1/16。并且仅需要花费1次分布式副本同步,就可以完成一项由n名成员背书对同一域名背书的事务,并在联盟化管理的基础上实现区块链交易空间性能的高效性,从而实现整体存储效率的高效性。     

一种基于区块链的车联网安全认证协议

针对车联网环境下,车辆节点快速移动造成的中心服务器认证效率低、车辆隐私保护差等问题,提出了一种基于区块链的车联网安全认证协议。该协议利用Fabric联盟链存储车辆临时公钥与临时假名,通过调用智能合约,完成车辆身份认证,同时协商出会话密钥,保证通信过程中数据的完整性与机密性;利用假名机制有效避免了车辆在数据传输过程中身份隐私泄露的风险;使用RAFT共识算法高效达成数据共识。经安全性分析与实验结果表明,所提协议具有抵抗多种网络攻击的能力,且计算开销低、区块链存储性能好,能够满足车联网通信的实时要求。     

基于CP-ABE算法的区块链数据访问控制方案

与公有链不同,联盟区块链超级账本Fabric额外集成了成员管理服务机制,能够提供基于通道层面的数据隔离保护。但这种数据隔离保护机制在通道内同步的仍是明文数据,因此存在一定程度的数据泄露风险。另外,基于通道的数据访问控制在一些细粒度隐私保护场景下也不适用。为了解决上述提及的联盟链超级账本中存在的数据隐私安全问题,提出了一种基于CP-ABE算法的区块链数据访问控制方案。结合超级账本中原有的Fabric-CA模块,提出的方案在实现用户级细粒度安全访问控制区块链数据的同时,还能够实现对CP-ABE方案中用户属性密钥的安全分发。对该方案进行的安全分析表明,该方案实现了ABE用户属性私钥安全分发和数据隐私性保护的安全性目标,性能分析部分也说明了所提方案具有良好的可用性。     

基于区块链的身份托管模型研究

针对现有中心化信任下用户多身份管理难的问题,提出一种基于区块链的身份托管模型。模型将用户拥有的各个系统的身份信息采用椭圆曲线算法加密签名,确保身份信息的所有权;设计了身份认证区块链模型和身份信息上链的智能合约,将身份签名结果存储到区块链中,确保其安全和不可篡改;设计了登录验证的智能合约,使用用户公钥对签名信息验证用户是否具有登录系统的权限。对该区块链身份托管模型在Hyperledger Fabric中进行实验论证,实验结果表明,该模型具有高的安全性和时间效率,能方便管理用户的多个系统身份信息。     

同态加密技术及其在云计算隐私保护中的应用

云计算技术的快速发展使得云服务模式具备了广阔的应用空间,这种模式使用户具备了过往无法比拟的计算能力和存储空间等优势。在云服务模式下用户的隐私安全问题是其推广和应用中面临的首要问题,如何在计算数据的过程中既保证数据的隐私性,又保证其可用性是面临的一大难题,同态加密技术作为解决这一问题的关键手段,是近年来国际国内学界的热点问题。本文介绍了云计算隐私安全和同态加密研究进展、同态加密算法的分类、安全理论基础、全同态加密方案的实现技术以及同态加密技术在云计算隐私保护的应用,重点对各类同态加密方案的优缺点进行了介绍和分析,提出了未来的研究方向。     

Hyperledger Fabric中基于层级结构的公钥广播加密方案

针对Hyperledger Fabric联盟链的公开账本上的安全群组通信问题,基于Fabric通道中成员管理的层级结构,提出使用子集覆盖框架下的CS方法和IBE算法相结合的方式构造出适用于联盟链的公钥广播加密方案。该方案改进了CS方法原有的完全二叉树结构,依据Fabric通道内部的组织结构建立了具有层级结构的二叉树;采用类哈夫曼编码方式唯一标志各节点在二叉树中的位置以提高查询速度;引入预留节点和弃用节点,设计了相应的二叉树更新算法以实现成员的动态加入和退出。分析和测试结果表明,该方案为联盟链系统提供了一种高效、安全、细粒度的数据隐私保护方案。     

基于区块链应用模式的铁路旅客身份认证系统

采用“区块链技术+不对称加密+生物识别+身份认证”应用模式，依托智能手机客户端设计与开发一套铁路旅客身份认证系统.基于Ethereum开发平台，应用truffle开发框架，实现铁路旅客身份认证系统智能合约的编写与部署.系统针对传统铁路身份认证模式的不足，将旅客身份数据分布式存储，弱化中心化服务器的压力，提升旅客身份数据的安全性和鲁棒性；进行生物信息认证确保旅客对身份信息的所有权；利用非对称加密技术在保护旅客隐私、实现实名制的前提下增强数据的透明性.基于区块链应用模式的铁路旅客身份认证系统能够让用户身份实现本地存储、信息摘要链上校验，实现铁路旅客身份信息数据访问的细粒度控制，保障铁路旅客身份信息安全，提升铁路旅客的乘车体验.     

企业级区块链技术综述

在传统跨机构交易的企业应用中,各个机构都是独立记录己方的交易数据,机构间数据的差异会引起争议,通常需要人工对账或中介机构来解决,因而增加了结算时间和交易费用.区块链技术实现了交易数据在写入前共识验证、写入后不可篡改的分布式记账,可信地保证了多机构间的数据一致性,避免了人工对账和中介机构.区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯、可信的、多方共享的分布式数据库,企业级区块链是节点加入需经许可的适用于企业级应用的区块链技术.结合Hyperledger Fabric,Corda和Quorum等企业级区块链平台,提出了企业级区块链的系统架构;从交易流程、区块链网络、共识机制、区块链数据、智能合约、隐私保护几方面阐述了企业级区块链的原理与技术;针对企业级区块链的现状,总结了当前的研究挑战与未来的发展趋势.