技术领域
[0001] 本
发明属于区块链技术领域、
计算机网络通信领域、物联网领域等，该架构应用于智慧物流、智慧交通、智慧家庭等领域。
背景技术
[0002] 区块链，由Satoshi Nakamoto首次提出以实现
比特币，是一种类似于链接列表的数据结构，具有一系列区块，每个块通常包含前一个块的哈希值，时间戳和某种形式的交易数据。它是一个仅可附加数据的数据结构，区块一旦添加则不能在以后
修改。区块链是一种点对点
分布式账本，任何人都可以单独验证所记录的交易的真实性。相比于中央
服务器的数据维护方式，区块链不会存在可以对外泄露的记录。在公共区块链的情况下，任何人都可以创建公钥/私钥对并参与区块链上的交易。给定实体的公钥成为其地址，其私钥可用于签署涉及该实体的区块链上的任何交易。公共区块链的节点在下一个块上同意通过一致性
算法添加到区块链。最常见的一致性算法是
工作量证明，其中称为矿工的主机子集竞争完成计算密集型任务，并且任何先完成它的人可以建议将下一个块添加到区块链中。
[0003] 随着研究的不断深入，区块链技术在
数字货币、
虚拟货币、资金信贷管理等金融领域都得到了普及，成功案例不胜枚举。实际上，区块链技术的应用场景并非仅限于金融和经济行业，其独特的技术特点和可靠的信任体系能够应用于更加丰富的产业中。
[0004] 据估计，物联网(IoT)到2020年将300亿台设备连接到互联网。保护这些设备生成和传输的大量数据，同时最大限度地减少强制安全措施所增加的计算开销，这是一项巨大的挑战。传统的物联网服务架构为C/S模式，由物联网设备经过3g、4g、Wi-Fi、蓝牙、NB-IoT、以太网、各种工业总线等将数据或命令上传到中央服务器集中保存，不但缺少一定的数据保护能
力，影响到了数据的隐私与安全；而且随着物联网设备的不断增多，对于中央服务器的处理性能以及内存空间都提出了极大的挑战。区块链技术为这些问题带来了解决方案，利用区块链的不可篡改性、加密算法、公钥/私钥认证，能够保护数据的安全存储于共享；分布式账本的结构也分担了将数据集中存储在一个中央服务器的负担，极大地降低了网络的负载。
[0005] 将区块链技术应用于物联网架构用来管理设备以及设备数据将会为现有的物联网架构提供极大帮助。然而，将区块链技术引入物联网架构将会产生一系列性能方面的问题。
[0006] 数据存储空间问题：区块链规模随着设备以及数据量的增加会不断扩大。除了通常存储在其上的
加密货币交易之外，任何一方都可以使用公共区块链来存储信息，这增加了区块链的大小，使得物联网架构中较小的设备难以承受用于存储区块链副本的存储空间。
[0007] 运行能耗问题：现有区块链公有链的共识过程需要进行大量的计算，该计算共识的过程依赖于稳定的矿工池，且需要执行一些计算密集型任务才能将新区块添加到区块链中，该过程会消耗常规物联网设备无法承担的计算资源和电力。
[0008] 扩展性问题：物联网架构下，数据的采集传输等有时需要考虑数据传递的实时性，而传统的区块链本身数据共识过程速度缓慢，传统的比特币区块链的区块产生时间固定在10分钟，该参数无法满足物联网环境下数据的实时性需求。
[0009] 设备协作问题：物联网节点本身计算能力有限，在自组网的条件下，节点间通常为独立并行工作关系，节点间不存在逻辑关系，在区块
链环境下，节点间存在交易的提交发送与接收的逻辑关系，因此需要考虑设备间的协作问题。
[0010] 考虑到以上问题，本发明提出基于轻量级区块链节点的物联网服务架构，轻量级节点客户端的主要特点在于其客户端能够快速低功耗地部署在微型
计算机系统上，使得一些较小的设备仅需要存储区块链的一部分，并根据区块链网络的需要检索其余信息，该方法能够较好的解决较小设备无法完全存储区块链副本的问题。根据以上需求，本发明的实现考虑使用以太坊的轻节点同步模式，该模式使得具有有限
硬件资源的较小设备可以与以太坊区块链进行交互。轻量级客户端依赖Light Ethereum子协议(LES)，并且只在开始时下载
区块头的子集，并在需要时从区块链网络按需获取其他所有内容。这使得轻客户端在存储方面更加高效，但却增加了设备的带宽开销。其他所有内容都保持不变，包括与以太坊节点通信的库和命令。
发明内容
[0011] 本发明设计了一种基于轻量级区块链节点的物联网服务架构，本发明的主要贡献如下：
[0012] 1.针对物联网架构中节点间缺乏一致性的问题，设计了基于区块链轻节点的IOT网络架构，通过轻节点能够整合物联网资源，提高物联网设备的智能化，使IOT更好的完成相应的服务；
[0013] 2.针对物联网架构中节点间缺乏管理体系的问题，在轻量级区块链物联网架构的
基础之上，设计了
智能合约的逻辑，能够将所有物联网设备有机的连接在一起，通过设计设备节点的加入与注册结合加密算法，能够建立一套系统化的网络设备管理体系[0014] 将区块链技术应用于物联网服务架构，由于区块链技术本身的去中心化，解决了设备与设备之间的信任问题，加密算法降低了数据分享过程中的安全
风险。但是由于传统区块链的共识是PoW(工作量证明)，虽然其安全性高，但消耗比较大。此外，区块链需要稳定的矿工池，他们必须执行一些计算密集型任务才能将新区块添加到区块链中，这会产生计算资源和电力。而且，随着设备量与数据量的增加，区块链所需存储空间不断扩大，导致一些物联网设备无法完全存储整个区块链副本。最后，由于实际场景需要，设备与设备间可能需要数据共享，传统的物联网架构只能通过与中间服务器通信获取其他设备的数据，降低了整个系统架构的工作效率，同时增加了中间服务器的负载。
[0015] 本发明提出了一种基于轻量级区块链节点的物联网服务架构，将物联网设备作为轻量级区块链节点，利用区块链技术中点对点的通信方式，解决了设备与设备之间数据交换的问题；同时由于区块链技术本身去中心化的特点以及加入
密码学的加密算法解决了设备间无信任和数据分享过程中可能存在的安全问题；并且引入智能合约，管理物联网所有设备以及数据信息，通过智能合约的事件触发及自动化运行的脚本系统，优化管理流程，解决了资源整合与管理问题。
[0016] 本发明详细介绍了所提出的基于轻量级区块链节点的物联网服务架构，并给出了设备注册、设备上传数据、用户注册以及用户使用数据所需要的必要步骤。
[0017] 整个系统架构如图1所示，基于轻量级区块链节点的物联网服务架构，该物联网服务架构由设备层、全节点层、区块链网络层、服务层以及应用层这5层组成。
[0018] 设备层作为该架构的最底层，负责将采集的数据作为一条交易提交到设备本身这个轻量级区块链节点，同时该节点又与上一层即全节点层的某个全节点通过3G、4G甚至5G技术或是无线网络连接；全节点层的全节点负责使用区块链网络层的共识算法，对交易进行
挖矿处理，以实现全区块链网络的数据共识。区块链网络层包括维护区块链网络正常运行的共识算法、加密算法，还包括智能合约，区块链网络层负责将区块链中的数据整合存储，区块链网络层层控制下一层所有全节点的共识算法，存储所有设备层接收的数据；服务层即传统C/S架构技术中的S(Server)，接收区块链网络层所有处理交易的收据，对应设备层的数据进行集中管理，等待应用层的
请求；应用层与服务层共同构成一个完整的C/S架构，应用层作为C(Client)，将对服务层所包括的数据本身以及其在区块链中的区块信息加以使用，包括查询操作等。下面具体介绍该架构的每一层：
[0019] 1)设备层
[0020] 设备层包括物联网的所有设备。例如各类型
传感器、智能手机、智能家居中的智能
空调、照明灯等等。每一个设备在此架构中都作为一个轻量级区块链节点，因为这些设备性能与内存的限制，与传统的区块链节点所不同的是，轻量级节点没有足够内存来执行挖矿命令，在该物联网服务架构中不担当此
角色，只能接收提交的交易，然后交由该物联网服务架构的下一层：全节点层来进行挖矿来达成共识。
[0021] 此外，在每一个设备上需拥有一个账户地址，作为接收该设备产生的数据信息提交的目标地址，由设备厂商在生产设备后立即向区块链系统中伴随密码，即私钥来
申请，区块链系统根据私钥经过SECP256K1算法处理生成公钥，SECP256K1算法无法从公钥在反推出私钥，是保证比特币安全的基础算法。每一个设备因此将公钥作为设备身份的唯一标识，在上传信息时需要将公钥、私钥与数据信息共同提交给账户处理。在接收由应用层发出的指令时，也需要用到某部设备的公钥才控制设备执行命令。
[0022] 最后，由于区块链系统的特性，不同于传统物联网服务架构，每个物联网设备间可以实现点对点的进行交易，以达成一定的功能需求，例如数据交换、数据共享、点对点交易等。
[0023] 2)全节点层
[0024] 全节点层包括负责维护整个区块链系统正常运转的全节点，接收由上一层的物联网设备、轻量级节点提交的交易请求，这些全节点内存充足，性能良好，主要负责为物联网提供安全保障，将设备信息、数据信息写入区块链网络中。
[0025] 3)区块链网络层
[0026] 该物联网架构的核心层，包括共识算法、加密算法、智能合约。
[0027] 共识算法包括工作量证明(Pow)、权益证明(Pos)、拜占庭容错(BFT)。其中工作量证明是目前区块链系统中最常用的一种共识算法，包括用户量较大的区块链应用开发平台以太坊默认的共识算法就是工作量证明算法。所谓的工作量证明，就是一份确认工作端做过一定量工作的证明。PoW系统的主要特征是计算的不对称性。工作端需要做一定难度的工作得出一个结果，验证方却很容易通过结果来检查工作端是不是做了相应的工作。
[0028] 加密算法主要包括椭圆曲线密码算法、
哈希算法等。椭圆曲线密码算法基于椭圆曲线数学的一种公钥密码的算法，其安全性依赖于椭圆曲线离散对数问题的困难性。椭圆曲线密码算法具有下面两个明显的优点：1)短的密钥长度，这意味着小的带宽和存储要求；2)所有的用户可以选择同一基域上的不同的椭圆曲线，可使所有的用户使用同样的操作完成域运算。哈希算法是一类数学函数，可以在有限合理的时间内，将任意长度的消息压缩为固定长度的二进制串，其输出值称为哈希值，也称为散列值。以哈希函数为基础构造的哈希算法，在现代密码学中扮演着重要的角色，常用于实现数据完整性和实体认证，同时也构成多种
密码体制和协议的安全保障。
[0029] 智能合约。以太坊最重要的一个方面就是智能合约。这个概念最初由NickSzabo于1994年引入，智能合约为区块链带来了创新。以太坊在区块链之上使用智能合约，以便开发人员可以在区块链上编写程序。换句话说，使用智能合约，可以使用以太坊作为计算平台。
在以太坊中有编程语言，如Solidity，Serpent和LLL。在这一点上，Solidity是最广泛使用的语言和编译器。开发后的这种高级语言被编译成字节代码。这些字节代码部署在以太坊上。由于字节代码只是一个操作码列表，因此，一旦从有效帐户执行相应的合同，以太坊节点就会遵循代码中的那些指令。
[0030] 区块链网络层由上一层的区块链全节点之间共同维护，从物联网轻节点设备上传到全节点的数据可经过共识算法上传至区块链中，根据智能合约中编写的程序存储在智能合约中，供服务层及应用层使用。
[0031] 4)服务层。
[0032] 服务层由许多服务器构成，各个不同的服务器用于执行不同的服务，各个不同的服务器包括注册服务器、信息服务器、知识服务器等。
[0033] 根据传统的物联网应用，注册服务器负责处理设备注册、用户注册等服务。在每一个设备生产完成之后，都需要经过注册服务器在区块链系统中完成注册，区块链系统会根据设备厂商为设备设置的私钥经过特定公钥/私钥算法计算出一个公钥，并将该设备的信息与公钥私钥共同作为设备属性存储在智能合约中。该公钥在区块链系统中唯一且有效，公钥再经过注册服务器返回给设备。由此，该设备可作为轻量级节点参与区块链网络的交易。若设备量过多，请求量大，则可考虑在注册服务器的基础上新增厂商服务器，厂商服务器连接注册服务器，负责接收对应厂商生产的设备注册请求，处理完毕过后再交给注册服务器处理入链。
[0034] 信息服务器存储每个轻量级物联网设备节点上传的信息。在验证通过的情况下，轻量级设备节点能够直接向信息服务器发送数据，包括轻量级设备节点公钥、URL、数据字段等信息，信息服务器保存之后同时将数据上传至区块链系统，交易完成后区块链系统会返回交易哈希、交易所在区块等信息，再由信息服务器对应信息将交易信息完成保存，以方便后续用户对数据的使用。
[0035] 知识服务器对应信息服务器，在信息服务器数据的基础上，通过
大数据分析得出的信息，并根据
数据挖掘得到一些普遍适用的结论，又或者是根据设备上传的信息预测未来的信息情况，为未来做出一些指导意见。
[0036] 5)应用层
[0037] 应用层包括手机APP、信息监管平台等，为各行业提供智慧服务。亦可由上到下指导物联网设备的信息采集动作，下发命令管理等。适用于不同领域，包括农业、交通、物流、医疗等。
[0038] 至此，该架构的每一层内容介绍完毕。
[0039] 该架构与传统物联网架构相比，加入区块链技术保护数据安全，避免恶意人员利用极高的操作权限对设备上传以及服务器存储的数据进行篡改，同时由于区块链技术的去中心化特点，对于物联网设备提交的数据分别存储在所有全节点中，不需要利用中心服务器接收请求集中存储，去除了中央处理服务器，增加了数据可信度。
[0040] 对比于现有区块链应用，该架构又将所有物联网设备作为一个轻量级区块链节点，对于设备采集到的数据可直接提交到该设备的区块链轻量级节点中，通过全节点的共识处理直接提交到区块链中。这意味着所有参与实体都包含区块链的一部分，且数据是直接发送到区块链，而不是发送到服务器，足以抵御许多拒绝服务攻击和伪造攻击，大大地提高系统的安全性。
附图说明
[0041] 图1为整个架构的层级图。
[0042] 图2为轻量级区块链节点设备注册
流程图。
[0043] 图3为轻量级区块链节点数据上传流程图。
[0044] 图4为用户注册的流程图。
[0045] 图5为用户查询轻量级区块链节点数据的流程图。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图1-5对本发明做进一步说明，包括在本架构下的轻量级节点的设备注册、用户注册、轻量级节点的数据上传、用户对数据使用等需求的步骤讲解。
[0047] 首先根据图2说明设备注册步骤。
[0048] 步骤1：当厂商生产完成一个设备且作为轻量级区块链节点接入区块链系统之后，设备需向注册服务器发送请求，请求参数包括设备信息(例如生产时间、设备型号、设备细节参数等)，还应包括一个属于设备的私钥信息，私钥作为后续使用设备服务的一个密码，可以是一串字符串。即轻量级节点设备需向注册服务器发送一个带有设备信息和私钥字符串的请求；
[0049] 步骤2：注册服务器接收到来自轻量级区块链节点设备的请求之后，获得请求参数：设备信息和私钥信息，首先保存在本地
数据库，同时将设备信息和私钥作为参数向区块链系统发送；
[0050] 步骤3：区块链系统接收到轻量级区块链节点设备信息和私钥后，通过SECP256K1算法或其他公钥计算算法根据设备的请求私钥计算出一串唯一的十六进制字符串，作为该请求设备的公钥，可理解为设备的地址；
[0051] 步骤4：区块链系统根据私钥计算出公钥之后，将设备信息、私钥、公钥对应该设备存入关于设备注册的智能合约中，成功存入之后会返回交易Hash值、区块号等交易数据，区块链系统将公钥、交易Hash、区块号返回给注册服务器；
[0052] 步骤5：注册服务器将接收到的公钥、交易Hash、区块号对应步骤2中保存在本地的设备信息和私钥信息一并保存，作为后续查询区块链系统的索引，方便了设备注册信息的查询；
[0053] 步骤6：注册服务器一方面将公钥信息返回给轻量级区块链节点设备，另一方面将公钥作为参数向信息服务器发出请求，使用公钥作为主键为该设备请求一个信息服务器，存储该设备后续可能上传的信息；
[0054] 步骤7：信息服务器接收到注册服务器的请求之后，将信息服务器地址返回给轻量级节点设备，轻量级节点将信息服务器地址对应本设备的公钥信息存储在设备本地。
[0055] 至此，轻量级区块链节点设备完成设备注册。设备注册信息分别存储在区块链系统的智能合约和注册服务器中，另外注册服务器中好存储着该设备注册信息在区块链系统中存储的区块号(
位置)以及交易Hash值，便于后续查询以及验证。
[0056] 接着，根据图3讲解轻量级区块链节点设备上传数据的步骤。
[0057] 步骤1：轻量级区块链节点首先检查内部是否存有一部信息服务器的地址，若没有，则代表该设备未在区块链系统中进行注册；若有，则将{公钥、私钥、要上传的数据Data}作为请求参数向信息服务器发送请求；
[0058] 步骤2：信息服务器接收到请求后，一方面将数据保存在本地，另一方面将数据上传到区块链系统，同时将数据发送给知识服务器；
[0059] 步骤3：区块链系统接收到从信息服务器发送过来的新信息记录之后，存入记录数据的智能合约，成功保存之后将{交易Hash，区块号}返回给信息服务器；
[0060] 步骤4：信息服务器接收到{交易Hash，区块号}后，对应该条记录保存，即完成数据-交易的映射，例如{设备公钥，所上传数据，URL}-{交易Hash，区块号}；
[0061] 步骤5：知识服务器获得由信息服务器发送来的数据后，根据设备公钥、数据等信息提取深层次的数据价值，利用数据挖掘、大数据分析技术提炼出普遍适用的结论或是预测数据等，供应用层使用，优化应用体验。
[0062] 至此，轻量级区块链节点设备完成了数据的上传。设备经过验证后将信息上传到信息服务器，信息服务器将数据分别发送给区块链系统和知识服务器，并将数据以及区块链系统返回的交易Hash和区块号映射保存，方便后续对数据的查询与使用。
[0063] 然后，根据图4讲解用户注册的步骤。
[0064] 步骤1：用户将{设备公钥、私钥、申请密码}作为参数向注册服务器发送至注册服务器；
[0065] 步骤2：注册服务器接收到请求后，首先验证设备公钥、私钥是否匹配，若匹配则允许该用户
访问该设备的权限。将{设备公钥、私钥、申请密码}保存至本地，同时将{公钥，申请密码}发送至区块链系统；
[0066] 步骤3：区块链系统接收到注册服务器请求后，根据用户的请求密码按照一定的算法计算得到该用户的UserId，并返回给注册服务器；
[0067] 步骤4：注册服务器接收到区块链系统返回的{UserId}后，一方面将{UserId}对应本地的{设备公钥、私钥、申请密码}映射保存，另一方面返回给用户端。
[0068] 至此，用户注册步骤完成。用户需要使用某部轻量级区块链节点的数据时，只需使用{UserId，申请密码}登录，即可看到自己有权限访问的设备列表，选择即可使用某部轻量级节点设备的数据。
[0069] 最后，根据图5讲解用户查询轻量级区块链节点数据的步骤。
[0070] 步骤1：用户根据{UserId，Pw}登录，登录成功即说明该用户有查询一定设备数据的权利。选择要查询数据的轻量级区块链节点设备，匹配到该设备后即对应到该设备对应的信息服务器；
[0071] 步骤2：信息服务器将{设备公钥，设备相关数据}作为参数请求区块链系统；
[0072] 步骤3：区块链系统接收到请求后，在智能合约中根据{设备公钥，设备相关数据}查询，若数据匹配则证明该数据确实存在，向信息服务器返回True；若数据不存在，则证明信息服务器存储的信息已被修改，需重新更新数据，返回False；
[0073] 步骤4：在信息服务器接收到区块链系统返回的True后，将相关数据返回给等待数据的用户，供用户进行使用。
[0074] 至此，用户在具有信息查看权限的情况下，得到了信息服务器、区块链系统中所存储的与该设备有关的数据。
[0075] 具体实施方式介绍了在该架构下，轻量级区块链节点以及用户使用该架构一些必要的需求讲解，例如轻量级区块链节点需要的设备注册以及上传数据，用户的注册以及对于轻量级区块链节点的数据查询。证明了该架构的可行性与安全性。
