CN113656495A - 一种部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网技术领域，具体为一种部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***。本发明***架构分为终端层、边缘层和云服务层，根据各层硬件设备性能不同以及应用场景不同，部署不同的区块链功能节点。终端层部署区块链数据预处理功能模块，负责数据采集、预处理，与边缘层进行通信；边缘层部署区块链应用节点，负责数据进一步处理设备间的通信；云服务层部署区块链共识节点，负责数据存储与处理，数据上链。本发明可以应用在智能工业生产中，既能保证工业生产中数据的安全可信、不可篡改以及可追溯，又可解决边缘物联网中边缘设备在区块链网络中存在的数据处理和存储的性能问题，还能够及时发现风险并预警。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***。
背景技术
近年来，区块链技术由于其不需要第三方机构进行管理，通过密码学算法与分布式共识算法，实现了去中心化的信任建立，所以区块链技术在各行各业都有广泛的应用前景。区块链的防篡改性保证了数据的稳定性和可靠性，多方共识机制保证了数据的可验证和可信性，确保了电子数据能够高效、透明、安全、可信地存储和传输。但是由于区块链网络都是由一个个独立的节点组成的，发生在节点的转账交易等各种操作，都会以交易事务的数据形式广播到网络中，当使用量很多的时候就会造成网络的拥堵以及通信效率低下等问题。
物联网作为本世纪初出现的新兴技术，其涵盖了信息采集、信息传输、信息存储处理技术，通过这些技术可以把物品相连进行信息交换和通信从而实现智能管理。但是物联网由于其传统架构是中心化架构，导致其电子数据的安全性和可靠性存在缺陷，当众多设备通过中央通信信道连接时，数据安全问题就显得尤其重要。
现有的集合区块链技术的物联网只是把区块链部署在物联网设备上，忽略了随着数据量和通信需求越来越高，设备需要非常迅速的产生和验证许多事物，生成的区块链事务块也越来越多，而物联网设备的内存容量有限会限制这些设备的性能，访问速度会越来越慢，无法应用落地在智能工业生产等对数据要求高的领域。
发明内容
本发明的目的在于提出一种安全性好、通信效率高的部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***。
整个边缘物联网体系架构分为三层：终端层，边缘层，云服务层，终端层包括多个终端设备，边缘层包括多个边缘设备，云服务层为搭建的云服务器。本发明根据边缘物联网不同的层具有的不同的性能特点来部署不同功能的区块链；既解决了物联网中数据的安全可靠性问题，又提高了通信效率，降低数据传输时延，保证了各设备性能的最大利用，可以应用在智能工业生产中，提高企业生产、管理和融资效率。
本发明提供的部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***，***包括多个终端设备、多个边缘设备、云服务器，以及部署在***上的区块链。其中：
所述终端设备，部署了区块链数据预处理功能模块，该数据预处理功能模块包括数据采集模块、数据预处理模块、终端层账户管理模块和通信模块；其中：
所述数据采集模块，包括数据采集、数据接收、数据发送，主要完成终端设备采集数据并对数据进行接收发送等任务；
所述数据预处理模块，包括预警智能合约、数据分类、数据加密，主要功能是根据应用场景不同配置不同的的预警模型，对数据进行分析，打标签，符合预警模型的数据进行告警处理，主要完成对设备的预处理任务；这里数据分类的算法可以是SVM（支持向量机）算法、NBC（朴素贝叶斯分类）算法、KNN（K最近邻近）算法等；数据加密的算法是区块链加密算法，包括对数据进行数字签名和摘要生成一对公私钥；数字签名的算法可以是RSA、DSA或ECDSA(椭圆曲线数字签名)算法，摘要生成的算法可以是MD（消息摘要）或SHA（安全散列）算法；
所述终端层账户管理模块，包括身份注册、身份管理，主要功能是终端设备注册上链，生成区块链标识ID、公私钥对等；
所述的通信模块，主要功能是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间的通信。支持的技术包括Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个。
进一步地，所述的终端设备可以是现场采集设备，环境传感设备，终端控制设备等，终端设备通过终端层账户管理模块生成终端设备的账户，配有独立的标识ID和公私钥，通过数据采集模块完成对数据的采集，通过数据预处理模块，对数据进行分析打标签，将数据以数据区块的形式打包通过数据通信模块传输给边缘设备。
所述的边缘设备，部署了区块链应用节点功能模块，该应用节点功能模块包括边缘层账户管理模块、数据处理模块、应用节点模块和通信模块；其中：
所述边缘层账户管理模块，包括身份注册、身份管理、账户管理，主要功能是边缘设备注册上链，生成区块链标识ID、公私钥对，管理附近的终端设备，给终端设备账户分配充足的通证；
所述数据处理模块，包括数据接收、数据分析、数据分类、数据发送、预警智能合约；边缘设备接收终端设备传输的数据，对数据进行进一步处理，优先处理非正常数据，若数据异常进行预警，再次打上标签，广播给其他节点，接收其他节点的反馈；
所述应用节点模块，包括数据验签、数据查询、数据存储智能合约，主要功能是负责验证接收到的数据是否被篡改，查询之前的事务，数据存储智能合约，该合约用于边缘设备存储数据，边缘设备只存储阶段性的区块数据，并不断对数据进行更新；
所述通信模块，主要功能是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间，以及边缘设备与云服务器之间的通信。支持的技术包括Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个；
进一步地，所述边缘设备可以是智能路由器，智能边缘网关等，边缘设备通过边缘层账户管理模块生成边缘设备的账户，配有独立的标识ID和公私钥，并分配给连接的终端账户足够的通证用于传输数据，通过数据处理模块和应用节点模块接收终端设备传输的数据，进行验证，验证通过后，优先处理非正常数据，对数据进行进一步地分析处理以及反馈，通过调用数据存储智能合约更新存储的数据，再通过通信模块，将数据广播给相连的其他节点。
所述的云服务器，部署了区块链共识节点功能模块，该共识节点功能模块包括数据处理模块、数据存储模块、共识节点模块和通信模块；其中：
所述数据处理模块，包括数据接收、数据分析、数据反馈、预警智能合约，其功能主要是接收边缘设备传输过来的数据，对数据进行进一步分析，依次处理紧急数据、正常数据，把结果及时反馈；
所述数据存储模块，主要是对数据进行分布式存储，采用星际文件***（IPFS），底层存储选用NoSQL数据库，如LevelDB、CouchDB、RocksDB等；
所述共识节点模块，包括数据验证、共识、上链，其功能主要是接收到其他节点传来的数据后进行验证，验证通过后共识节点之间进行共识；这里，共识算法可以是POW、POS、PBFT等，达成共识后修改分布式账本，完成数据上链；
所述通信模块，主要功能是利用P2P网络技术实现节点间的通信；共识节点至少需要四个，四个共识节点之间两两连接，应用节点连接1至N个其他节点；
进一步地，云服务器通过数据处理模块和共识节点模块，接收其他节点传来的数据，进行验证，验证通过后对数据进行进一步地分析处理和反馈，之后通过通信模块与其他三个共识节点进行共识，共识后对分布式账本进行修改，完成数据上链，通过数据存储模块对数据进行存储备份。
本发明提供的部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***，可以应用于智能工业生产。可以通过该***去采集工业生产中的数据，通过预警模型对数据进行分析，若数据异常，可以第一时间进行预警，集成区块链技术保证数据的不可篡改性和安全性，企业可以通过生产数据进行融资，加快企业规模的扩大，也可以对数据进行可视化管理，智能工业生产可以是家具生产、汽车零件生产等行业，采集的数据包括但不局限于温度、湿度，也可以是原材料存储量、物流订单量、仓库进库出库单等。
附图说明
图1为本发明一种面向可信边缘物联网的端边云协同的区块链部署方法***架构图。
图2为本发明中终端设备、边缘设备、云服务器上的功能模块。
图3为本发明一种面向可信边缘物联网的端边云协同的区块链部署方法流程图。
具体实施方式
下面通过本发明的搭配附图对技术方案作进一步的具体描述。
如图1所示，一种面向可信边缘物联网的端边云协同的区块链部署方法***架构图，分为终端层、边缘层、云服务层。终端层包括多个终端设备，边缘层包括多个边缘设备，云服务层为搭建的云服务器。如图2所示，终端设备、边缘设备、云服务器上的功能模块，终端设备上部署有区块链数据预处理功能，功能模块有数据采集模块、数据预处理模块、终端层账户管理模块和通信模块；边缘设备上部署有区块链应用节点，功能模块有边缘层账户管理模块、数据处理模块、应用节点模块和通信模块；云服务器上部署有区块链共识节点，共识节点有四个，其功能模块有数据处理模块、数据存储模块、共识节点模块和通信模块。
终端设备中的数据采集模块包括数据采集、数据接收、数据发送，主要完成终端设备采集数据并对数据进行接收发送等任务；数据预处理模块包括预警智能合约、数据分类、数据加密，主要功能是根据应用场景不同编写不同的的预警智能合约，对数据进行分析，打标签，符合预警模型的数据进行告警处理，主要完成了对设备的预处理任务；终端层账户管理模块包括身份注册、身份管理，主要功能是终端设备注册上链，生成区块链标识ID、时间戳等；通信模块主要功能是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间的通信，支持的技术包括Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个；
边缘设备部署了区块链应用节点，功能模块中的边缘层账户管理模块包括身份注册、身份管理、账户管理，主要功能是边缘设备注册上链，生成区块链标识ID、公私钥对，管理附近的终端设备，给终端设备账户分配充足的通证；数据处理模块包括数据接收、数据分析、数据分类、数据发送、预警智能合约，边缘设备接收终端设备传输的数据，对数据进行进一步处理，优先处理非正常数据，若数据异常进行预警，再次打上标签，广播给其他节点，接收其他节点的反馈；应用节点模块包括数据验签、数据查询、数据存储智能合约，主要功能是负责验证接收到的数据是否被篡改，查询之前的事务，数据存储智能合约，该合约用于边缘设备存储数据，边缘设备只存储阶段性的区块数据，并不断对数据进行更新；通信模块主要功能是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间的通信，支持的技术包括Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个，边缘设备与边缘设备和边缘设备与云服务器之间的通信，利用了P2P网络技术；
云服务器部署了区块链共识节点，功能模块中的数据处理模块包括数据接收、数据分析、数据反馈、预警智能合约，其功能主要是接收边缘设备传输过来的数据，对数据进行进一步分析，依次处理紧急数据、正常数据，把结果及时反馈；数据存储模块，其功能主要是对数据进行分布式存储，应用了星际文件***（IPFS），底层存储选用NoSQL，如LevelDB、CouchDB、RocksDB等；共识节点模块包括数据验证、共识、上链，其功能主要是接收到其他节点传来的数据后进行验证，验证通过后共识节点之间进行共识，共识算法可以是POW、POS、PBFT等，达成共识后修改分布式账本，完成数据上链；通信模块，要功能是利用了P2P网络技术实现节点间的通信，共识节点至少需要四个，四个共识节点之间两两连接，应用节点连接1至N个其他节点；
终端设备、边缘设备和云服务器共同组成整个***，如图3所示，一种面向可信边缘物联网的端边云协同的区块链部署方法流程图。
终端设备可以是现场采集设备，环境传感设备，终端控制设备等，首先通过终端层账户管理模块完成认证和注册成为链上的可信设备，注册内容包括终端设备标识ID、公私钥等，注册成功后分配给终端设备的账户足够的通证用于传输数据。下一步终端设备通过数据采集模块，采集数据，针对不同的应用场景可以采集不同类型的数据，比如说应用在工业生产类工厂，可以利用终端设备采集工厂温度、湿度、原材料进厂、产品出厂等数据，采集到相应数据后，通过数据预处理模块对数据进行预处理。数据预处理模块首先把数据序列化，转化成数字信号，数据预处理模块中跟据不同的应用场景编写不同的预警模型，该合约中包含预警阈值和相关配置，把数据进行分类，这种数据分类算法可以是SVM（支持向量机）算法、NBC（朴素贝叶斯分类）算法、KNN（K最近邻近）算法等，通过不同的数据分类算法给数据打上“正常数据”和“非正常数据”的标签，当判断结果是“非正常数据”时，终端设备会启动告警程序，设备发出预警，提醒现场工作人员。数据预处理模块对打标签后的数据进行加密，使用区块链加密算法对数据进行数字签名和摘要，数字签名算法可以是RSA、DSA或ECDSA(椭圆曲线数字签名)算法，摘要算法可以是MD（消息摘要）或SHA（安全散列）算法，通过数字签名和摘要算法对数据进行加密后，盖上时间戳，这样区块链的一个数据区块就基本成型了，之后就通过通信模块进行数据传输，通信模块主要功能是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间的通信，支持的技术包括Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个。
边缘设备可以是智能路由器，智能边缘网关等，首先边缘设备通过边缘层账户管理模块完成认证和注册成为链上的可信设备，注册内容包括边缘设备标识ID、公私钥等，注册成功后分配给边缘设备的账户足够的通证用于传输数据。边缘设备首先通过通信模块、数据处理模块来实现数据的接收，接收到数据后通过应用节点模块的数据验签功能对数据进行验证，验证不通过，反馈给终端设备或边缘设备数据被篡改，请求重新发送，验证通过，则通过数据处理模块来对接收到的数据进行进一步处理，优先级是首先处理“非正常数据”，再在空闲时处理“正常数据”。对“非正常数据”进一步与优化的预警模型对比，若是不符合预警模型，表明数据正常，反馈给终端设备，数据正常，重新采集数据，若数据符合预警模型，表明数据异常，进行预警，边缘设备发出预警，提醒工作人员，并通过数据分类算法给数据重新打标签“紧急数据”，然后通过通信模块完成广播给其他节点的功能，其他节点包括相连接的边缘设备的应用节点以及云服务器的共识节点。
边缘设备的应用节点把数据广播给其他节点之后，通过调用应用节点模块中编写的数据存储智能合约，来对数据进行存储，已验证的事务不会存储在边缘设备上，而是集中统一存储在云服务器上，形成一个云存储副本，边缘设备只存储一个阶段性的事务块，不断对存储空间进行更迭。边缘设备上部署的区块链应用节点提供API接口，提供数据查询等功能，管理人员若想要查询数据，应用节点功能模块会调用所需要查询的事务的哈希值来找到对应的数据。
四个云主机搭建成一个云服务器，每个云主机都是一个共识节点，共识节点之间两两相连，这样保障了服务器处于一个相对安全的环境。首先通过数据处理模块和通信模块接收数据，接受数据后通过共识节点模块对数据进行验证，验证不通过表明数据被篡改，反馈给数据来源设备，验证通过，则对数据进行进一步处理，优先级是先处理“紧急数据”再在空闲时处理“正常数据”。对数据进行进一步对比更加优化的预警模型，不符合预警模型则反馈给边缘设备，数据正常，符合预警模型则通过云端直接预警给后台管理人员，对相关设备进行查勘。数据处理完成后通过共识节点模块和通信模块把事务广播给其他共识节点，共识节点之间通过共识算法完成共识，共识算法可以是POW、POS、PBFT等，达成共识后修改分布式账本，完成数据上链。数据存储模块用于数据存储，应用了星际文件***（IPFS）。
一种集成区块链技术应用在智能工业生产中的边缘物联网，智能工业生产可以是玩具生产、家具生产、设备零件生产等，比如说应用在玩具生产工业中，由于现在很多玩具生产企业都是中小型企业，面临生产数据不智能，企业融资难等问题，因此可以利用该***来有效解决这些问题。首先可以利用终端设备采集工厂温度、湿度、原材料进厂、产品出厂、订单等数据，这些数据通过边缘设备和云服务器进行进一步处理、上链和存储，可以保证数据的安全可信、不可篡改和可追溯性，并有效释放了边缘设备性能，当数据出现异常时会进行预警提示，通过这些数据可以对一家企业的生产能力和潜力有一个***的评估，这些数据就是一家企业的数字资产，可以用于企业对生产进行智能化管理，增强企业资产可信度，提高产品流动性，降低融资成本，提高监管效能。
上述即为一种集成区块链技术应用在智能工业生产中的边缘物联网，实现了能够有效利用区块链技术在智能工业生产中，保证数据的安全可信不可篡改，同时解决了区块链占用存储空间影响设备性能的问题。以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种部署区块链的端边云协同的可信边缘物联网***，其特征在于，***包括多个终端设备、多个边缘设备、云服务器，以及部署在***上的区块链；其中：
所述终端设备，部署区块链数据预处理功能模块，该数据预处理功能模块包括数据采集模块、数据预处理模块、终端层账户管理模块和通信模块；其中：
所述的数据采集模块，包括数据采集、数据接收、数据发送，主要完成终端设备采集数据并对数据进行接收发送任务；
所述的数据预处理模块，包括预警智能合约、数据分类、数据加密，主要功能是根据应用场景不同配置不同的的预警模型，对数据进行分析，打标签，符合预警模型的数据进行告警处理，主要完成对设备的预处理任务；
所述的终端层账户管理模块，包括身份注册、身份管理，主要功能是终端设备注册上链，生成区块链标识ID、公私钥对；
所述的通信模块，主要是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间的通信；
所述的边缘设备，部署区块链应用节点功能模块，该应用节点功能模块包括边缘层账户管理模块、数据处理模块、应用节点模块和通信模块；其中：
所述的边缘层账户管理模块，包括身份注册、身份管理、账户管理，主要功能是边缘设备注册上链，生成区块链标识ID、公私钥对，管理附近的终端设备，给终端设备账户分配充足的通证；
所述的数据处理模块，包括数据接收、数据分析、数据分类、数据发送、预警智能合约；边缘设备接收终端设备传输的数据，对数据进行进一步处理，优先处理非正常数据，若数据异常进行预警，再次打上标签，广播给其他节点，接收其他节点的反馈；
所述的应用节点模块，包括数据验签、数据查询、数据存储智能合约，主要功能是负责验证接收到的数据是否被篡改，查询之前的事务，数据存储智能合约，该合约用于边缘设备存储数据，边缘设备只存储阶段性的区块数据，并不断对数据进行更新；
所述的通信模块，主要是通过低功耗局域网实现终端设备与边缘设备之间，以及边缘设备与云服务器之间的通信；
所述的云服务器，部署区块链共识节点功能模块，该共识节点功能模块包括数据处理模块、数据存储模块、共识节点模块和通信模块；其中：
所述的数据处理模块，包括数据接收、数据分析、数据反馈、预警智能合约，主要是接收边缘设备传输过来的数据，对数据进行进一步分析，依次处理紧急数据、正常数据，把结果及时反馈；
所述的数据存储模块，是对数据进行分布式存储；
所述的共识节点模块，包括数据验证、共识、上链，其功能主要是接收到其他节点传来的数据后进行验证，验证通过后共识节点之间进行共识；达成共识后修改分布式账本，完成数据上链；
所述的通信模块，主要是利用P2P网络技术实现节点间的通信；共识节点至少需要四个，四个共识节点之间两两连接，应用节点连接1至N个其他节点。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据预处理模块中，数据分类的算法采用支持向量机算法、朴素贝叶斯分类算法或K最近邻近算法；数据加密的算法采用区块链加密算法，包括对数据进行数字签名和摘要生成一对公私钥；数字签名的算法为RSA、DSA或ECDSA算法，摘要生成的算法为MD或SHA算法。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述终端设备中的通信模块，支持技术为Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述边缘设备的通信模块，支持技术为Wi-Fi、ZigBee、NB-loT、LoRa、SigFox中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的终端设备是现场采集设备、环境传感设备或终端控制设备；终端设备通过终端层账户管理模块生成终端设备的账户，配有独立的标识ID和公私钥，通过数据采集模块完成对数据的采集，通过数据预处理模块，对数据进行分析打标签，将数据以数据区块的形式打包通过数据通信模块传输给边缘设备。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的边缘设备是智能路由器或智能边缘网关；边缘设备通过边缘层账户管理模块生成边缘设备的账户，配有独立的标识ID和公私钥，并分配给连接的终端账户足够的通证用于传输数据，通过数据处理模块和应用节点模块接收终端设备传输的数据，进行验证，验证通过后，优先处理非正常数据，对数据进行进一步地分析处理以及反馈，通过调用数据存储智能合约更新存储的数据，再通过通信模块，将数据广播给相连的其他节点。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，云服务器通过数据处理模块和共识节点模块，接收其他节点传来的数据，进行验证，验证通过后对数据进行进一步分析处理和反馈，之后通过通信模块与其他三个共识节点进行共识，共识后对分布式账本进行修改，完成数据上链，通过数据存储模块对数据进行存储备份。
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