关键词:
区块链技术
系统模型
轻量化身份认证方案
共识算法
摘要:
随着5G和云计算等基础设施的发展,物联网设备数量呈爆炸式增长,涵盖了从智能电网、智能家居、智慧城市、互联汽车等多个领域,每年产生的数据量庞大。然而,如何在兼顾效率的前提下保障这些设备和数据的安全性仍然是一个挑战。传统的集中式服务器管理方法存在单点故障和隐私安全等问题,而区块链技术的分布式特性为这些问题提供了新的解决方案。尽管已有许多项目尝试将区块链应用于物联网系统,但现有的区块链技术在物联网场景下的应用仍存在局限性,主要体现为区块链系统计算和通信资源消耗高、可拓展性差,难以与资源受限的物联网设备进行有机融合。
因此,本文旨在设计一种具备高可扩展性的区块链系统模型,并深入研究该系统模型中如何实现轻量化的关键技术,以促进区块链技术与物联网场景的更紧密结合。具体来说,本文的研究内容如下:
(1)针对区块链系统资源消耗高的问题,提出了基于主侧链的三层区块链系统模型IoTChain,以有效整合物联网不同层级的功能。该模型将物联网设备、边缘服务器和云服务器构建成三层结构实现对物联网设备的计算和存储卸载。同时,引入了主侧链模型,采用一主链加多侧链的架构,以实现全局数据和本地设备数据的有效存储和同步,保证了系统的一致性和可拓展性。
(2)针对传统联盟链系统因证书管理而产生的计算复杂性和数据传输挑战,提出了基于Secu CLS算法的轻量级身份认证方案,通过改进的无证书签名算法Secu CLS避免了传统CA认证带来的证书存储和传输负担,同时结合IoTChain的主侧链架构,将跨域身份认证转化为跨链交易,实现系统架构与身份认证的有机结合,更适用于带宽受限的物联网环境,提高了身份认证的效率和安全性。
(3)针对传统共识算法通信复杂度高、可拓展性差的问题,提出了改进的共识算法GH-PBFT,通过分层分组的方式降低了通信复杂度,同时引入节点信誉评估模型,综合考虑节点性能和行为信誉,有效减小通信复杂度,提高系统可拓展性。实验结果表明,GH-PBFT的通信复杂度和共识时延明显优于传统的PBFT算法,提高了系统的性能表现。