CN111182510B - 一种基于区块链的工业物联网节点共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，属于工业物联网安全技术领域。该方法包括：记账节点选举方法，通过转发率、丢包率、节点处理延迟来综合评判节点行为，普通节点和簇头节点双向监督对方行为，簇头节点相互监督彼此行为，在簇头节点信用评分排名表中选取前21个簇头节点所管理的节点域，并根据节点域中节点剩余能量、信用评分、令牌数推选出记账节点；区块确认方法，普通节点验证区块时，若验证通过，将结果返还给汇聚节点，此时可投注一定令牌，若最后共识结果与投注结果一致，可按比例获得总的投注令牌数，汇聚节点具有最终的决策权，决定共识是否成功。本发明能较好的适用于工业物联网应用场景，并满足一定的吞吐性能要求。

Description

一种基于区块链的工业物联网节点共识方法

技术领域

本发明属于工业物联网安全技术领域，涉及一种基于区块链的工业物联网节点共识方法。

背景技术

工业物联网日趋广泛的运用，在带来工业生产效率和决策智能提升的同时，却面临着严峻的信息安全风险，如遭受大量恶意网络攻击活动，攻击者利用不安全的工业物联网设备和薄弱的内部控制机制，对工业物联网进行入侵和破坏，包括非法的行为或发起恶意攻击，如对设备数据或指令进行篡改、伪造等，可能造成工业设备无法正常运转，甚至错误的指令导致产品质量受到损害等，因此，工业物联网安全具有重要意义。

区块链是一种以时间顺序将包含数据的区块以链式结构相连，并以密码学算法保证其不可更改、不可伪造的分布式数据库。使用区块链技术的工业物联网体系通过多个节点的参与共识，将大多数节点认同的数据记录在分布式数据库中，能有效防止工业物联网数据遭到篡改，现有的区块链共识机制包括POS(权益证明机制)、POW(工作量证明机制)、PBFT(实用拜占庭容错机制)等均存在性能低下问题，而且受限于节点的能量、算力等因素。现阶段的工业物联网生产数据量大、数据完整性难以保障，利用区块链的不可篡改性能较好地保障工业物联网数据安全；现有的共识算法不能直接应用于工业物联网具体场景，主要是因为性能瓶颈以及适用场景不同，因此，亟需构建一种适用于工业物联网的区块链共识算法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，解决了传统区块链共识算法不能较好地直接应用于工业物联网的问题，同时满足一定的吞吐性能要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，包括适用于工业物联网的轻量级区块链中记账节点选举方法和区块确认方法；

所述记账节点选举方法具体包括以下步骤：

S1：通过LEACH算法进行分层成簇；

S2：数据稳定传输阶段，通过转发率、丢包率和节点处理延迟综合评判节点行为，普通节点和簇头节点双向监督对方行为，簇头节点相互监督彼此行为；

S3：区块链出块时间间隔内，汇聚节点通过簇头节点的信用评分进行从大到小排名生成候选节点域名单，选取前21个候选节点域，在每个节点域中考虑簇头节点管理的节点的剩余能量、节点信用评分和节点令牌数，推选出一个节点作为记账节点，选举出记账节点集合后，通过产生位于1-21的随机数随机从21个记账节点中选取一个节点作为本轮共识的出块节点，最后将记账节点选举结果作为交易发布记录到区块链网络中；

所述区块确认方法具体包括以下步骤：

S4：记账节点将收集的数据打包按时间戳排序放入区块，将区块发布给相邻普通节点，普通节点之间相互传递区块，普通节点验证区块的合法性，若合法则向汇聚节点回复“确认||区块ID||确认节点ID”报文；

S5：若汇聚节点收到超过普通节点总数2/3的回复报文，则汇聚节点单独验证该区块的合法性，若区块通过汇聚节点的验证，则汇聚节点向全网广播“接收区块+区块ID”报文；

S6：各个节点将汇聚节点向全网广播的报文记录到本地日志中，记账节点集合中的节点将该区块连接到区块链中。

进一步，所述步骤S1具体包括：

S11：随机选取总节点的5％个节点作为临时簇头，其余的节点按照距离簇头的距离选择最近的簇头加入；

S12：初始的分簇完成之后，每个簇根据簇内节点的剩余能量求取节点的簇头阈值，通过产生随机数，簇内节点产生的随机数小于簇头阈值的节点为簇头节点，成簇完成后进入数据稳定传输阶段。

进一步，步骤S2中，数据稳定传输阶段，普通节点能直接向汇聚节点检举簇头节点的异常通信，每发现一次异常通信，将其节点的信用评分减1。

进一步，所述步骤S2具体包括：

定义通信品质为：

Q＝α*DT+(1-FR)*λ+β*R_s。

式中，Q表示通信品质，DT、FR、R_s分别表示工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率，α、λ、β分别为工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率所占的权值比重，可根据工业物联网的具体场景进行必要调整，并设置一个阈值F，定义优质通信次数为C_s，失败通信次数为C_f，当Q＜F时，C_s增加1，反之则C_f增加1；根据Beta分布，定义节点质量

若η小于一定阈值，则判断该节点为非正常节点，将其信用评分减1。

进一步，所述步骤S3中，被选上的记账节点在接下来3轮中不参与竞选。

进一步，所述步骤S3中，定义节点剩余能量为E，节点信用评分为ν，令牌数为n，定义工业物联网节点综合品质为

其中，κ、

μ分别表示节点剩余能量、节点信用评分、节点拥有令牌数所占的权值比重，可根据工业物联网具体场景进行适当调整；节点综合品质越高，被推选进入记账节点集合的概率越大。

进一步，所述步骤S4中，当普通节点向汇聚节点回复“确认||区块ID||确认节点ID”报文时，普通节点可押注自己一定的令牌数赌注区块验证成功与否，若区块通过汇聚节点的验证，普通节点可按当时押注令牌占投验证通过的比例来分得投注总的令牌数，反之亦然。

进一步，所述步骤S5中，对区块的验证包括以下步骤：

1)检查区块的ID是否合法，即区块ID从前往后按顺序排列；

2)检查本区块头中前一区块哈希摘要是否与前一区块哈希值相同；

3)检查时间戳是否合法，即当前区块链UNIX时间戳必须严格大于前n个区块时间戳中值。

本发明的有益效果在于：本发明结合了目前工业物联网中无线传感网络层次化路由，各个节点组织成簇的特点，通过将区块链技术与工业物联网结合，能较好的适用于工业物联网应用场景，并满足工业物联网对吞吐性能的要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为工业物联网无线传感网络的结构图；

图2为本发明所述的工业物联网节点共识方法流程图；

图3为本发明应用于工业物联网节点区块确认方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图3，图2为一种基于区块链的工业物联网记账节点选举方法，具体包括以下步骤：

步骤1：通过LEACH算法进行分层成簇，具体为：

(1)首先随机选取总节点的5％个节点作为临时簇头，其余的节点按照距离簇头的距离选择最近的簇头加入。

(2)初始的分簇完成之后，每个簇根据簇内节点的剩余能量求取节点的簇头阈值，通过产生随机数，簇内节点产生的随机数小于簇头阈值的节点为簇头节点，成簇完成后进入数据的稳定传输阶段；

步骤2：稳定数据传输阶段设置每个节点的初始信誉评分为100，通过转发率、丢包率、节点处理延迟综合评判节点行为，普通节点和簇头节点双向监督对方行为，簇头节点相互监督彼此行为，并且普通节点可以直接向汇聚节点检举簇头节点的异常通信，每发现一次异常通信，将其节点的信用评分减1。

具体地：(1)定义处理延迟：

式中，DT表示工业物联网节点的处理延迟，T_{sensor_id}表示编号为id的传感器在T_L时间间隔从接收数据到发送所用时间，T_L表示一定的时间间隔。

(2)定义转发率：

式中，FR表示工业物联网节点的转发率，S_d表示节点发送的数据量，T_d表示节点收到总的数据量。

(3)定义丢包率

式中，R_s表示工业物联网节点的丢包率，P_s表示该节点成功收到的数据包总和，P_a是其他邻居发给该节点的数据包。

定义通信品质为：

Q＝α*DT+(1-FR)*λ+β*R_s

式中，Q表示通信品质，DT、FR、R_s分别表示工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率，α、λ、β分别为工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率所占的权值比重，可根据工业物联网的具体场景进行必要调整，并设置一个阈值F，定义优质通信次数为C_s，失败通信次数为C_f，当Q＜F时，C_s增加1，反之则C_f增加1。根据Beta分布，定义节点质量

若η小于一定阈值，则判断该节点为非正常节点，将其信用评分减1。

步骤3：区块链出块时间间隔内，汇聚节点通过簇头节点的信用评分进行从大到小排名生成候选节点域名单，选取前21个候选节点域，在每个节点域中考虑簇头节点管理的节点的剩余能量、节点信用评分和节点令牌数，推选出一个节点作为记账节点，(即节点剩余能量越大，节点信用评分越高，令牌数越多，当选记账节点的可能性越大)。选举出记账节点集合后，通过产生1-21的随机数随机从21个记账节点中选取一个节点作为该轮共识的出块节点，被选上的记账节点在接下来3轮中不参与竞选，最后将记账节点选举结果作为交易发布记录到区块链中。

具体地，定义节点剩余能量为E，节点信用评分为ν，令牌数为n，定义工业物联网节点综合品质为

其中，κ、

μ分别表示节点剩余能量、节点信用评分、节点拥有令牌数所占的权值比重，可根据工业物联网具体场景进行适当调整；节点综合品质越高，被推选进入记账节点集合的概率越大。

图3为一种基于区块链的工业物联网节点区块确认方法，具体包括以下步骤：

步骤1：记账节点将收集的数据打包排序放入区块，将区块发布给相邻普通节点，普通节点之间相互传递区块，普通节点验证区块的合法性，若合法则向汇聚节点回复“确认||区块ID||确认节点ID”报文，此时普通节点可押注自己一定的令牌数赌注区块验证成功与否，若区块通过汇聚节点的验证，普通节点可按当时押注令牌占投验证通过的令牌数比例来分得投注总的令牌数，反之亦然。

步骤2：若汇聚节点收到超过普通节点总数2/3的回复报文，则汇聚节点单独验证该区块的合法性，除基本的区块验证外，优先选择确认节点信用评分和最高以及区块备选区时间戳靠前的区块(节点信用评分和具有更高的优先级)，其具有一票否决权，若区块通过汇聚节点的验证，则汇聚节点向全网广播“接收区块+区块ID”报文。其中，对区块的验证主要包括以下步骤：

(1)检查区块的ID是否合法(即区块ID从前往后按顺序排列)；

(2)检查本区块头中前一区块哈希摘要是否与前一区块哈希值相同；

(3)检查时间戳是否合法(即当前区块链UNIX时间戳必须严格大于前n个区块时间戳中值)；

步骤3：各个节点将该信息记录到本地日志中，记账节点集合中的节点将该区块连接到区块链中。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，该方法包括适用于工业物联网的轻量级区块链中记账节点选举方法和区块确认方法；

所述记账节点选举方法具体包括以下步骤：

S1：通过LEACH算法进行分层成簇；

S2：数据稳定传输阶段，通过转发率、丢包率和节点处理延迟综合评判节点行为，普通节点和簇头节点双向监督对方行为，簇头节点相互监督彼此行为；

数据稳定传输阶段，普通节点能直接向汇聚节点检举簇头节点的异常通信，每发现一次异常通信，将其节点的信用评分减1；

定义通信品质为：

Q＝α*DT+(1-FR)*α+β*R_s

式中，Q表示通信品质，DT、FR、R_s分别表示工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率，α、λ、β分别为工业物联网节点的处理延迟、转发率、丢包率所占的权值比重，设置一个阈值F，定义优质通信次数为C_s，失败通信次数为C_f，当Q＜F时，C_s增加1，反之则C_f增加1；根据Beta分布，定义节点质量

若η小于一定阈值，则判断该节点为非正常节点，将其信用评分减1；

S3：区块链出块时间间隔内，汇聚节点通过簇头节点的信用评分进行从大到小排名生成候选节点域名单，选取前21个候选节点域，在每个节点域中考虑簇头节点管理的节点的剩余能量、节点信用评分和节点令牌数，推选出一个节点作为记账节点，选举出记账节点集合后，通过产生位于1-21的随机数随机从21个记账节点中选取一个节点作为本轮共识的出块节点，最后将记账节点选举结果作为交易发布记录到区块链网络中；

所述区块确认方法具体包括以下步骤：

S4：记账节点将收集的数据打包按时间戳排序放入区块，将区块发布给相邻普通节点，普通节点之间相互传递区块，普通节点验证区块的合法性，若合法则向汇聚节点回复“确认||区块ID||确认节点ID”报文；

S5：若汇聚节点收到超过普通节点总数2/3的回复报文，则汇聚节点单独验证该区块的合法性，若区块通过汇聚节点的验证，则汇聚节点向全网广播“接收区块+区块ID”报文；

S6：各个节点将汇聚节点向全网广播的报文记录到本地日志中，记账节点集合中的节点将该区块连接到区块链中。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：随机选取总节点的5％个节点作为临时簇头，其余的节点按照距离簇头的距离选择最近的簇头加入；

S12：初始的分簇完成之后，每个簇根据簇内节点的剩余能量求取节点的簇头阈值，通过产生随机数，簇内节点产生的随机数小于簇头阈值的节点为簇头节点，成簇完成后进入数据稳定传输阶段。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，所述步骤S3中，被选上的记账节点在接下来3轮中不参与竞选。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，所述步骤S3中，定义节点剩余能量为E，节点信用评分为ν，令牌数为n，定义工业物联网节点综合品质为

其中，κ、

μ分别表示节点剩余能量、节点信用评分、节点拥有令牌数所占的权值比重；节点综合品质越高，被推选进入记账节点集合的概率越大。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，所述步骤S4中，当普通节点向汇聚节点回复“确认||区块ID||确认节点ID”报文时，普通节点押注自己一定的令牌数赌注区块验证成功与否，若区块通过汇聚节点的验证，普通节点按当时押注令牌占投验证通过的比例来分得投注总的令牌数，反之亦然。

6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网节点共识方法，其特征在于，所述步骤S5中，对区块的验证包括以下步骤：

1)检查区块的ID是否合法，即区块ID从前往后按顺序排列；

2)检查本区块头中前一区块哈希摘要是否与前一区块哈希值相同；

3)检查时间戳是否合法，即当前区块链UNIX时间戳必须严格大于前n个区块时间戳中值。

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