20、利用区块链对物联网设备进行身份验证

利用区块链对物联网设备进行身份验证

1. 物联网系统阶段

物联网系统主要包含以下几个关键阶段：
- 智能处理阶段 ：物联网系统会检查存储在云端的数据或信息，并实时为工作和生活提供智能服务。它不仅能检查和响应查询，还能控制各种物体。而且，在物联网系统中，所有物体都能平等地获得智能处理和控制能力。
- 数据传输阶段 ：数据传输贯穿物联网的各个环节，包括从传感器、RFID 标签或芯片到数据中心（DCs），再从数据中心到处理单元，最后从处理器到控制器、设备或最终用户。
- 交付阶段 ：在这个阶段，物联网系统会准确无误地将处理后的数据及时交付给目标物体。

2. 物联网面临的威胁

随着 IPv6 和第五代通信网络的发展，预计到 2020 年左右，各种事物都将融入物联网系统。届时，安全和隐私将成为首要关注的因素。尽管学术界和企业界从多个维度看待物联网，但它尚未成熟，容易受到各种威胁和攻击。由于物联网的特性，普通网络中使用的干扰或恢复系统无法在物联网中应用。而且，消费者的需求不断变化，他们会不断推动技术进步以满足自身需求，这也导致威胁不断增加，从而需要采取更多的安全措施。

3. 物联网系统各阶段的攻击

物联网系统的五个阶段都可能受到不同类型的攻击，以下是数据感知阶段的主要攻击类型：
| 攻击类型 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 数据泄露或违规 | 数据被非法获取或泄露 |
| 数据主权问题 | 数据的所有权和控制权受到挑战 |
| 数据丢失 | 数据在传输或存储过程中丢失 |
| 数据认证问题 | 数据的真实性和合法性无法得到有效验证 |
| 可用性攻击 | 系统或设备无法正常提供服务 |

4. 根据架构的攻击类型

物联网还面临着多种基于架构的攻击，具体如下：
- 外部攻击
- 虫洞攻击
- 选择性转发攻击
- 黑洞攻击
- 污水池攻击
- HELLO 洪泛攻击
- 物联网地址攻击
- 分布式拒绝服务（DDoS）攻击

随着智能城市和智能设备时代的到来，物联网面临的挑战愈发严峻。其中，数据量的指数级增长以及安全和隐私问题是最为突出的挑战。为了应对这些挑战，我们需要在设备之间建立一个安全可靠的通信渠道。同时，蜂窝物联网（C-IoT）、机器对机器（M2M）通信和设备到设备（D2D）通信的发展也会产生大量的数据，这就要求网络和核心设备具备足够的容量和可靠性。

5. 区块链评估及关键概念

区块链的概念源于 2009 年比特币进入公众视野。随后，人们的关注点逐渐转移到比特币的一个重要方面——区块链。区块链本质上是一种只能追加数据的数据结构，它记录所有交易活动，并在点对点网络中的所有参与者达成共识后，创建一个不可变的分布式账本。在区块链网络中，节点之间不需要相互信任，因为它能够容忍拜占庭故障。

每个区块链块包含多个交易，其中包括时间戳或随机数、发送者和接收者的密钥、ID、通信消息、设备注册日期、资源以及用于身份验证的信息，并通过加密指针与前一个块相连，形成区块链。区块链从创世块开始扩展，创世块通常是硬编码的，没有对前一个块的引用。交易开始后，会在一定时间内（比特币区块链为十分钟）由称为矿工的特殊节点将其收集到块中。矿工需要遵循不同的共识技术，如比特币的工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、权威证明（PoA）等，来挖掘有效的块。达成共识后，块会被广播到网络中的其他节点进行验证，如果所有节点都认为该块有效，则将其添加到区块链中。其工作原理可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[交易开始] --> B[矿工收集交易到块]
    B --> C{达成共识?}
    C -- 是 --> D[广播块到其他节点验证]
    D -- 通过 --> E[添加到区块链]
    C -- 否 --> B

6. 区块链的关键概念

为了更好地理解区块链，我们需要了解其以下几个关键概念：
- 去中心化 ：区块链的主要特点是提供分布式账本，通过消除第三方，使所有成员都能访问该账本。任何更改都会同时反映在所有成员的账本上。
- 不可变性 ：一旦数据被添加到区块链中，就无法修改，其完整性也不会受到损害。如果入侵者想要更改内容，就需要挖掘当前块以及后续的所有块，这需要大量的处理能力。
- 矿工 ：矿工是区块链网络中的强大成员，他们收集所有未确认的交易，并进行挖掘以获得有效的哈希值，然后将其转发给其他节点。如果所有节点都同意，该块将被添加到区块链中，矿工也会因成功挖掘而获得一定的奖励。
- 共识算法 ：为了创建有效的块，矿工需要在分布式区块链系统中验证节点后达成共识。常见的共识算法包括工作量证明、权威证明、拜占庭容错证明等。
- 加密链接和验证 ：区块链使用 SHA - 256 算法来生成摘要，每个块通过加密指针与前一个块相连，确保数据的完整性和安全性。

7. 流行的区块链平台

在将物联网与区块链集成时，我们需要一些平台来同步大量的物联网设备和后端服务器。以下是一些流行的区块链平台：
- 以太坊 ：比特币的概念催生了以太坊，它允许开发者和企业家构建分布式应用程序。以太坊的“智能合约”可以为物联网设备的操作制定规则，对保障物联网设备的安全非常有用。此外，还有许多类似以太坊的区块链平台，如 IOTA、New、NEM 等，以太坊的扩展还包括多链、HydraChain 和 Openchain。
- 超级账本（Hyperledger） ：超级账本为其所有成员提供分布式交易账本，并使用 PBFT 技术批准交易。旗下有多个项目，如超级账本 Fabric、超级账本 Sawtooth 和超级账本 IROHA，它为用户提供私有区块链。
- 其他平台 ：还有一些其他的区块链平台，如 BigchainDB、Chain core 和 Corda 等。

8. 物联网数据认证和通信相关问题

8.1 认证

认证是指确认一个人或实体是否如其声称的那样。在物联网中，认证过程通过评估用户的凭证是否与合法用户存储库或数据认证服务器中的凭证相匹配，来决定是否授予系统访问权限。例如，在登录社交网络时，用户需要提供登录 ID 和密码，系统会将其与服务器中的信息进行匹配。

在物联网中，认证尤为重要。随着智能手机的普及，商业机会不断增加，但同时也为恶意人员提供了获取重要信息的机会，给企业和消费者带来损失。在物联网环境中，用户或设备的认证变得更加普遍。例如，使用手机打开关联车辆时，我们需要确保只有车主能够进行操作。生物识别和社交生物识别技术（如手势、滑动和示例预测）的应用，为用户身份识别提供了更高的准确性。

8.2 设备认证

在开发低成本的物联网服务时，大量设备相互连接会面临一些挑战，主要分为技术挑战和安全挑战：
- 技术挑战 ：与底层无线技术、能源、通用性、物联网的分布式和动态特性以及通用通信有关。
- 安全挑战 ：涉及认证、保护、可靠性和保密性等安全服务，还包括异构通信和端到端检查点。

同时，设备认证过程中还面临多种攻击威胁：
- 中间人攻击 ：在设备授权过程中，重要的密钥、安全和空间参数可能会被窃取，从而危及设备之间的通信安全。由于设备通常彼此缺乏预先了解，密钥建立协议容易受到中间人攻击，导致设备身份被冒充。
- 拒绝服务攻击（DoS） ：恶意人员通过干扰设备的正常运行，使系统或设备无法为合法用户提供服务。DoS 攻击通常通过向目标机器发送大量请求，耗尽其资源，导致正常流量无法正常运行。
- 重放攻击 ：在物联网中传输认证数据或其他凭证时，这些数据可能会被修改、调整或重放，从而引发重放攻击。重放攻击是一种动态的中间人攻击，攻击者无需高级技术知识，只需拦截并重新发送消息即可达到目的。
- 女巫攻击 ：攻击者通过创建多个账户、节点或计算机来控制网络。在区块链网络中，攻击者可能会创建足够多的虚假身份（女巫身份）来控制网络，甚至进行 51% 攻击，导致交易顺序被更改、交易无法确认或出现双重花费等问题。

8.3 数据认证

不同的物联网设备可能需要不同的安全认证程序。一些设备遵循基于邻近性的规范，如 RFID、Wi-Fi、蓝牙，而另一些设备如 GPS、4G 则不需要。在物联网的发展过程中，从传统设备向智能设备的转变是不可避免的，这需要一定的时间来推广。类似于电子商务中使用 SSL 或 https 来保障网站安全，物联网设备可以使用公钥基础设施（PKI）和数字证书来证明其合法性。

对于健康相关的物联网应用，用户需要能够控制自己的信息如何被收集、共享和分析。一种有效的方法是要求用户积极参与认证过程，并为不同阶段的参与者颁发有效期仅限于特定会话的安全证书，以确保信息不被未经授权的方滥用。

8.4 数据授权

许多第三方应用程序需要有限访问用户账户，因此确保用户数据不被泄露或操纵至关重要。所有有限时间的访问请求都应该由用户本人授权。访问控制主要包括认证和授权两个方面：
- 认证允许用户使用简单的登录 ID 和密码访问服务。
- 授权允许用户或第三方应用程序获得有限的访问权限或创建会话，之后可能需要再次请求授权。

不同组织的授权政策可能不同，并且需要根据时间和用户需求进行调整。由于授权在决定访问权限方面起着关键作用，因此需要制定严格的政策。

8.5 安全通信

随着通信设备的发展，确保通信安全一直是一个挑战。在当今技术先进的时代，窃听者的技术也越来越高超。物联网有可能改善我们的日常生活，但同时也意味着大量的个人和公共信息将被生成、处理、传输和存储。因此，确保传输信息的完整性、保密性以及第三方应用程序的认证至关重要。

信息系统，特别是无线设备，容易受到各种攻击，如窃听、复制、拒绝服务等。传统的互联网框架通过连接层、网络层、传输层或应用层的加密和验证来缓解这些攻击。然而，由于物联网设备的处理和通信能力有限，这些解决方案在物联网中的应用受到一定限制。

为了保障物联网设备的安全，我们应该及时更新设备的政策和硬件。同时，公钥基础设施（PKI）和数字证书可以为物联网设备提供安全保障，确保数据在传输、收集和处理过程中的安全性。此外，了解物联网设备的特点，建立信任机制，对于设备连接到网络或服务也非常重要。

利用区块链对物联网设备进行身份验证

9. 区块链在物联网设备认证中的应用

区块链技术为物联网设备的认证和安全通信提供了有效的解决方案。以下是区块链在物联网设备认证中的具体应用方式：
- 设备身份认证 ：区块链可以为每个物联网设备分配唯一的数字身份，这个身份信息存储在区块链上，不可篡改。当设备进行通信或访问服务时，通过验证其在区块链上的身份信息，确保其合法性。例如，在智能家居系统中，每个智能设备都有一个基于区块链的身份，只有合法的设备才能与其他设备进行交互。
- 数据完整性验证 ：由于区块链的不可变性，存储在区块链上的物联网数据可以保证其完整性。当数据发生变化时，区块链会记录所有的交易历史，任何试图篡改数据的行为都会被发现。这对于需要确保数据准确性的应用场景，如工业监控、医疗数据记录等非常重要。
- 安全通信 ：区块链可以为物联网设备之间的通信提供安全的通道。通过使用加密技术和智能合约，设备之间的通信可以实现端到端的加密，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。例如，在车联网中，车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间的通信可以通过区块链进行加密，确保交通安全。

10. 区块链与物联网结合的优势

将区块链与物联网结合具有以下显著优势：
| 优势 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 增强安全性 | 区块链的不可变性和加密技术可以有效防止物联网设备受到各种攻击，如数据泄露、中间人攻击等，保障设备和数据的安全。 |
| 提高信任度 | 分布式账本使得所有参与者都能访问和验证数据，消除了对第三方的依赖，提高了系统的信任度。在物联网中，不同的设备和用户可以相互信任，更好地进行协作。 |
| 降低成本 | 通过消除中间环节和第三方机构，区块链可以降低物联网系统的运营成本。例如，在供应链管理中，使用区块链可以减少物流和支付环节的成本。 |
| 实现自动化 | 智能合约可以自动执行预设的规则和条件，使得物联网系统能够实现自动化操作。例如，在能源管理系统中，智能合约可以根据能源消耗情况自动调整设备的运行状态。 |

11. 区块链与物联网结合面临的挑战

尽管区块链与物联网结合具有诸多优势，但也面临一些挑战：
- 可扩展性问题 ：随着物联网设备数量的不断增加，区块链网络可能会面临可扩展性问题。大量的交易和数据会导致区块链的处理速度变慢，影响系统的性能。
- 能源消耗问题 ：一些区块链共识算法，如工作量证明（PoW），需要消耗大量的能源。在物联网中，设备通常具有有限的能源供应，这可能会限制区块链的应用。
- 标准和规范问题 ：目前，区块链和物联网领域都缺乏统一的标准和规范。不同的区块链平台和物联网设备可能存在兼容性问题，影响系统的集成和互操作性。

12. 应对挑战的策略

为了应对区块链与物联网结合面临的挑战，可以采取以下策略：
- 优化区块链技术 ：研究和开发新的区块链共识算法和架构，提高区块链的可扩展性和性能。例如，采用权益证明（PoS）、委托权益证明（DPoS）等共识算法，可以减少能源消耗和提高处理速度。
- 能源管理 ：采用节能技术和能源管理策略，降低区块链在物联网中的能源消耗。例如，优化设备的硬件设计，采用低功耗的芯片和传感器。
- 制定标准和规范 ：推动行业内的标准化工作，制定统一的区块链和物联网标准和规范。这有助于提高不同平台和设备之间的兼容性和互操作性。

13. 未来展望

区块链与物联网的结合具有巨大的潜力，未来可能会在以下领域得到广泛应用：
- 智能城市 ：在智能城市建设中，区块链可以用于管理城市的基础设施、交通、能源等系统，提高城市的运行效率和安全性。例如，通过区块链实现智能停车管理、智能电网调度等。
- 医疗保健 ：在医疗保健领域，区块链可以用于保护患者的医疗数据安全、实现医疗设备的认证和管理、促进医疗信息的共享和互操作性。例如，患者的电子病历可以存储在区块链上，只有授权的医生才能访问。
- 供应链管理 ：区块链可以为供应链管理提供透明、可追溯的解决方案。通过记录供应链中的每一个环节，确保产品的质量和来源可查。例如，在食品供应链中，消费者可以通过扫描产品上的二维码，了解产品的生产、运输和销售过程。

以下是区块链与物联网结合的未来发展流程图：

graph LR
    A[当前现状] --> B[解决挑战]
    B --> C[技术优化]
    B --> D[标准制定]
    C --> E[可扩展性提升]
    C --> F[能源消耗降低]
    D --> G[兼容性增强]
    E --> H[智能城市应用]
    F --> I[医疗保健应用]
    G --> J[供应链管理应用]
    H --> K[未来发展]
    I --> K
    J --> K

14. 总结

物联网的发展为我们的生活和工作带来了巨大的便利，但也面临着诸多安全挑战。区块链技术的出现为解决这些问题提供了新的思路和方法。通过利用区块链的去中心化、不可变性、加密技术和智能合约等特性，可以实现物联网设备的可靠认证、数据的安全存储和传输以及设备之间的安全通信。

然而，区块链与物联网的结合还面临一些挑战，如可扩展性、能源消耗和标准规范等问题。为了推动这一领域的发展，我们需要不断优化区块链技术，制定统一的标准和规范，以实现区块链与物联网的完美融合。未来，区块链与物联网的结合有望在智能城市、医疗保健、供应链管理等多个领域发挥重要作用，为我们创造更加安全、高效、智能的生活环境。