高精度时间增强的区块链链上链下可信交互机制研究与实践

作     者：张昕 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：章洋

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：共识算法 广域物联网 区块链 可信验证 

摘      要：区块链作为分布式公共数字分类账本,可以为数据在信息空间中建立可信机制。将区块链扩展到物联网系统可以使区块链的管理范围推广到现实世界,但同时也对区块链节点共识机制、数据与服务安全可信等问题提出了挑战。物联网是建立在物理世界中的,有着网络范围广、节点动态部署等特点。然而区块链既有的共识算法则基于云中心服务器的设计,不适用于广域物联网的分布式、低时延的环境。其次,为了形成信息与现实世界的信任闭环,数据在区块链、链下存储以及二者之间的交互过程均保持不可篡改及可追溯等特点。本论文提出基于区块链与高精度时间共识算法的链上链下可信交互机制。主要从以下三个方面来实现:(1)基于高精度时间的共识算法。本文面向发布订阅系统,创造性地引入高精度时间,实现了分布式广域物联网下的共识算法。该算法的难点在于,物联网设备之间的交互以发布订阅模式作为基础,在广域物联网下采用组播进行通信。该场景下实现共识机制需满足低时延、高并发的要求。该算法以发布节点的发布时间为准对消息进行排序,在时间同步的发布节点和定序节点网络下,产生不同主题消息的全序序号,保证了算法的时延与并发性能。(2)链上链下可信交互机制。本文基于HyperLedger Fabric区块链框架,提供链下服务调用区块链智能合约的接口,结合SGX可信执行环境结合,实现了链上链下服务的可信交互机制。为了提高定序节点的定序效率,该交互机制支持系统管理员对Fabric中的链、通道、链码等关键对象进行监控与管理,并将上述共识算法应用于客户端提出的对Fabric智能合约的交易请求定序过程。(3)物流溯源原型系统。利用上述共识算法与链上链下可信交互机制提供的区块链智能合约接口,本文实现了包含商品生产、运输、销售、购买流程的商品物流溯源系统。该系统将商品的物流溯源信息存储于区块链与链下数据库中,并通过SGX可信执行环境与Fabric CA保证存储数据的可信性。本论文参考原子广播算法,引入高精度的时间服务,依据物理时间戳进行数据定序,实现了适用于广域物联网环境下的共识机制。相较于传统共识算法,该机制具有更少的节点交互,且不依赖于中心化的节点。其次,本文使用Farbic区块链框架对物联网产生的数据进行可信存储,提供数据验证的接口,形成了链上链下的可信闭环,进一步延伸区块链的可信性。最后,本文基于上述基于区块链与高精度时间共识算法与链上链下可信交互机制实现物流溯源原型系统,对商品物流数据进行可信存储,提高物流溯源信息的可靠性。