基于區塊鏈的物聯網數據共享平臺設計

單玉東

（青島市技師學院 山東 青島 266229）

0 引言

數據共享平臺可以實現用戶、應用系統以及整個業務流程中間的協同合作以及信息共享[1-2]。因此，這就要求數據共享平臺不僅具有智能化查詢與檢索數據信息的功能，還應該包括挖掘數據信息以及重組信息的功能。對于物聯網而言，物聯網的主要特點是在海量終端生成大量數據[3]，由于物聯網數據具有數據規模大、結構化強以及時序性等特征[4]，因此設計物聯網數據共享平臺時應考慮物聯網數據的自身特點，進行多層次平臺構建。區塊鏈可以被視作一個共享數據庫，存儲于其中的數據或信息具有高效采集、不可偽造、身份認證、信息追溯、數據共享和公開透明等特征。作為鏈式數據結構，區塊鏈各節點的數據塊會依照時間順序進行排列，確保數據共享的時效性。同時，區塊鏈的數據可溯源且不可篡改的特點，能夠有效確保共享數據存儲的安全性。將區塊鏈技術架構作為數據共享平臺的底層架構支持，可以實現無需信任的點對點協作和交易，為數據共享提供了良好的技術支持[5-6]?；诖?，本文設計了一種基于區塊鏈的物聯網數據共享平臺，利用區塊鏈的多層結構確保海量物聯網數據可以得到較好的共享效果。

1 區塊鏈技術下物聯網數據共享平臺架構設計

依據物聯網數據共享過程構建區塊鏈技術下的物聯網數據共享平臺，整體的物聯網數據共享過程為：（1）物聯網數據采集。收集物聯網內資源數據，對數據進行實時更新處理后存儲到特定的數據庫中；初始化用戶的身份信息和消息認證參數，并向客戶端下發相關認證參數。（2）身份認證與訪問控制。當客戶端獲取物聯網感知數據后，通過提取數據的標簽屬性特征，經過身份認證與簽名認證等處理后，將數據回傳至服務器中[7-8]。（3）數據共享的實現。服務器收到回傳數據后，利用服務管理智能合約進行數據查詢，結合區塊鏈技術查詢到所需的存儲于數據庫內的目標數據，實現物聯網數據共享。

以物聯網數據共享為基礎，利用區塊鏈技術，將物聯網數據共享平臺分為4個層級（圖1），即數據采集、更新和存儲的數據層；射頻收發及RPC通信的網絡層；服務管理和交易的合約層；訪問、簽名、認證的應用層。其中，數據層和合約層是區塊鏈技術應用中具有基礎性特征的數據層，有效提高數據共享平臺的數據處理能力；網絡層是共享數據高效傳輸必不可少的環節，能夠提高物聯網數據共享平臺的數據加載能力；應用層是確保數據可信、安全共享的層級，實現數據有效共享。

1.1 數據層

數據層主要包括數據采集模塊、數據更新模塊和數據存儲模塊。在數據采集模塊中，配置的CPU核心控制模塊需具有高處理速度、低能耗以及高性價比的優勢，因此選取了具有32位ARM7TDMI-S架構的內核，其在輸入和輸出中均可配置靈活接入的通用I/O口。同時，利用STC12C5A32AD單片機進行數據的模擬輸入，避免硬件上的直接連接，且該單片機內置10位AD轉換器，具有處理速度快及價格低廉的優勢。在數據更新模塊與數據存儲模塊中，主要使用的數據庫為MySQL數據庫進行存儲，該種數據庫主要用于中小型關系型數據的存儲與管理，該數據庫可以依據不同的用戶需求進行數據存儲，具有方便查詢的優勢。在數據更新模塊中，主要使用UpdateInfo作為在線更新數據表，該表中存儲物聯網感知節點的ID號、節點端硬件配置以及操作系統類型的編碼信息、所運行的程序名稱以及需要更新的物聯網數據名稱、類型以及軟件的版本信息，同時可保存用戶登錄平臺的用戶名和密碼等用戶信息。

1.2 網絡層

利用nrf24L01單片射頻收發器件作為網絡層的無線模塊，該型號信號收發器具的工作頻段為2.4～2.5 GHz，具有低功耗、傳輸距離較遠的特點[9]。同時，該層配置區塊鏈RPC通信模塊，主要具有與區塊鏈節點的通信功能。RPC通信示意圖見圖2。

根據圖2可知，在注冊中心完成IP、端口和接口的服務，優化網絡層負載均衡。通過調用模塊、傳輸模塊和通信模塊，三者相互作用提升數據推送和服務共享效果。調用模塊通過對物聯網數據進行裝封，完成超時判斷、熔斷和限流，在資源庫中實現對共享數據的序列化處理。傳輸模塊通過協議編碼的形式完成數據格式轉換，通過可讀的格式協議編碼將數據存儲至信息庫，完成數據共享傳輸服務。通信模塊需要利用協議解碼的方式將信息庫的共享數據進行解碼網絡傳輸，在數據庫中生成具體化參數信息，為使用者提供集群化的數據服務。

1.3 合約層

服務管理模塊主要負責服務管理與服務上傳，其利用區塊鏈交互接口包括服務注冊接口、服務交易接口等。服務管理模塊還可以提供數據服務功能，包括物聯網數據瀏覽、數據查詢、數據下載、目標數據挖掘等[10]。其中，數據查詢記錄本身是一種交易行為，每一次查詢記錄都會被記錄下來，永久保存在區塊鏈數據庫里。查詢記錄的哈希碼將一同被記錄，用于校驗查詢時間、查詢內容等細節。

1.4 應用層

應用層是底層區塊鏈模塊，包括身份認證合約、訪問控制合約以及簽名認證合約等。區塊鏈技術可以加密物聯網內所有數據，且每組數據均有單獨的解密密鑰。利用區塊鏈的非對稱加密對物聯網數據進行密鑰存儲，提高物聯網數據共享平臺安全性。應用層在本質上可理解為是由集合A= {A1,A2,A3,… ,Ai}構成的網絡數據集，其中包含公鑰與私鑰兩種加密特性，可實現物聯網共享數據的加密性上傳與訪問，保證數據調用、數據傳輸和數據通信的安全性。在應用層中，通過非對稱加密設置訪問控制，完成物聯網數據共享平臺的數字簽名?；诰W絡數據集A內的不同特征類型共享數據生成訪問控制密鑰：

式中，P為公鑰，I為私鑰，γ為數據節點特征元素，v為數據鏈路速率。數據集A中的數據完成公鑰和私鑰后，發送公鑰至訪問請求數據節點，用以后續提取共享數據時使用。加密后的數據集A根據合約層的數據查詢記錄，對具體的共享數據Ai完成非對稱式加密。在應用層中同意Ai通過公鑰實現數據傳輸通信。Ai可以通過建立數字簽名認證不同數據接收者，確保共享數據的保密性。通過公式（2）構建子簽名Hi：

式中，di為隨機數，當P和I的最大公約數[gcd (P,I)]為1時，則子簽名Hi的解密存在一定的時效。在此條件下，Ai完成物聯網數據共享平臺的密文通信設定。用私鑰加密共享數據，利用數字簽名認證完成隨機對稱加密。保密層通過對使用者的身份認證，驗證不同訪問簽名的準確性，若通過身份驗證即可在數據層、網絡層、合約層存儲訪問請求，實現物聯網數據共享的安全性。

2 平臺性能測試

物聯網數據具有實時性更新以及高并發請求的特點，因此以吞吐量、共享丟包率以及平均處理時間作為實驗指標。選取ECS服務器用于性能測試，內存為16 Gb，運行系統為Windows 7.0，CPU頻率為2.5 GHz。選擇了3個物聯網數據集分別標號為數據集1、數據集2和數據集3，各數據集公開數據的占比分別為0.3，0.6和0.9，具體數據集信息見表1。

表1 3個數據集基本情況

2.1 吞吐量測試結果

隨機選取800個不同數據節點特征元素的物聯網數據作為測試對象，在平均處理時間為300 ms的設定下，通過模擬1 200次的數據共享請求，測試平臺吞吐量。測試結果見圖3。

對圖3中的吞吐量數據進行分析可知，隨著測試次數的增加吞吐量先增加后下降，在模擬請求次數為600次時趨于穩定。這是因為，在前期的測試模擬請求過程中，需要通過密鑰加密和解密數據的交替轉換，所以在數據處理過程中產生了一定的數據能耗。通過200次的數據轉換完成了密鑰的設置全流程，所以吞吐量后續保持在穩定的數值區間范圍內。

2.2 共享丟包率測試結果

共享丟包率可以有效反映平臺的數據共享效果。丟包率數值越小，則平臺共享效果越好，具體公式如下：

式中，E為測試中所丟失物聯網數據共享數量，Q為總體物聯網數據共享信息個數。

測試3個數據集的共享數據傳輸速度與收發數據量結果見表2。

表2 3個數據集的基本測試結果

結合表2數據，可以看出本文所設計對不同數據集的傳輸速率與預期傳輸速率相差不大，滿足數據共享過程的通信傳輸需求。通過丟包率結果可以看出，本文所設計系統的丟包率較低，可滿足數據共享的實際需求。

2.3 平均處理時間

通過迭代方式，驗證平臺的數據共享效率，對平均處理時間進行測試，平均處理時間越短，表明物聯網數據共享平臺數據處理效率越高，平均處理時間越長，表明物聯網數據共享平臺數據處理效率越低。測試結果見圖4。

根據圖4可知，由于在物聯網數據共享平臺設計中利用區塊鏈技術，通過數據層、網絡層、合約層和應用層對物聯網數據共享行為進行功能設定，提升了數據共享平均處理時間。因此，在多次迭代測試過程中，隨著迭代次數的增加，共享數據的平均處理時間在300 ms以下，由此表明物聯網數據共享平臺數據處理效率較高。

3 結語

針對物聯網數據共享過程容易丟包且數據共享延時較長的問題，本文結合區塊鏈技術設計了物聯網數據共享平臺。實驗發現所設計平臺共享速度快、傳輸數據完整以及可以吞吐量較高的特點，表明所設計平臺可為物聯網數據共享提供一定的參考與借鑒。