【毕业设计】第一章 绪论

基于区块链的传感器数据保护系统的设计与实现

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摘要

  物联网作为万物相连的框架体系，其位于感知层的传感器是所有应用数据信息的来源，在传感器采样数据属于敏感而非隐私的场合例如公共环境数据检测、医疗卫生信息检测和食物质量数据检测等，此类传感器采样数据存在因为部门机构或个人的业绩考核等原因而被人为篡改的情况，最终将会导致公示数据与实际不符，出现欺诈监督者和使用者的情况。

  基于上述情况，本文利用区块链技术设计并实现一种传感器数据保护系统，使用区块链与传统数据库结合，在传感器数据存入数据库前，提取出数据的数字指纹并记录入区块链中防篡改，可以让传感器正常工作的同时保护数据的真实性，防止数据被恶意干预影响，特别是管理方拥有系统管理权限级别人员的篡改。系统的关键特性是区块链数据高写入特性、传感器数据防篡改的安全性和让每一个监督者均可参与数据验证的开放性，本文通过分析系统需求、实施难度和安全性等，采用降低区块链挖矿难度和去除数字货币的实际含义等策略、非对称加密和数字指纹等技术、交互式应用程序的开发分别支持系统的三个关键特性，然后进行系统的实现并测试验证。
  最后测试结果表明：系统所部署的区块链能够支持数据高写入，对应传感器数据的频繁上传，还能够验证出数据库的数据是否存在被人为篡改的情况，每一位监督者都能够通过使用交互应用程序去验证数据真实性，系统能够有效避免传感器数据的人为恶意干预影响，并且易于部署和实施。
  关键词 ：区块链，传感器数据，防篡改，数据真实性，开放性

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第一章 绪论

1.1 研究背景

  传感器作为物联网感知层基础设备正在大规模进入公众的生活之中，到2020年将有大约300亿的传感器设备接入互联网^[1]，因此在不久的将来，传感器会渗入到生活点滴，时刻享有消费者、公共环境和部门机构等的敏感信息，在这些敏感信息当中存在属于非隐私的数据，比如公共环境数据检测的大气污染信息、医疗卫生数据等以及部门机构的食物质量检测数据、水资源污染信息等，这些敏感而非隐私的数据经常与相关部门机构和员工业绩考核相关，因此会存在人为篡改的情况而导致传感器公开的数据信息与实际不符，将会极大程度影响生活和社会。所以对敏感而非隐私的传感器数据进行防篡改的数据保护问题成为物联网感知层^[2]可持续发展的核心问题之一。
  目前对传感器敏感而非隐私的数据管理多采用传统的中心化服务器，使用如数字签名^[3]和数字水印^[4]等数据保护技术进行传感器数据的安全保障，一方面，在中心化服务器管理结构中拥有系统管理级别的员工仍然可以参与数据篡改，很难真正保障传感器数据的真实性。另一方面，传感器数据量较大，功耗和处理能力非常有限，因此对中心化服务器的数据并发处理、相关算法和成本要求高，并且一旦中心服务器遭受攻击，整个系统将会潜入危险的情况。基于此背景，使用区块链技术的去中心化、防篡改和减少信任成本等特性实现的数据真实性保护系统将会让敏感而非隐私的传感器数据管理工作更加高效和安全。

1.2 国内外调研现状

1.2.1 区块链

  区块链是从比特币^[5]衍生而来、从比特币中抽象而出的概念，具体提出时间可以追朔到2013-2014年，此后由于区块链去中心化和防篡改等优秀特性，区块链的研究和应用趋势呈指数级增长，截止到2016年，根据世界经济论坛的报告，区块链的风险投资超过了14亿美元，产生了2500多个区块链相关专利^[6]。在国内，根据《中国区块链技术和应用发展研究报告（2018）》，区块链在供应链管理、金融服务等应用领域非常活跃，国内主流金融结构、IT企业、初创科技企业等纷纷探索和推动区块链技术的应用发展，并对未来的智慧城市、智慧物联、智慧民生和智慧医疗作出具体应用场景^[7]，正在带动新一轮的区块链创新创业浪潮。在国外，金融领域上区块链财团R3CEV发布了首个分布式账本实验，使用了以太坊和微软Azure的区块链即服务（BaaS）^[8]，在医疗领域上，飞利浦通过区块链技术完成病例资料的认证，在物联网领域上，IBM和三星携手提出基于以太坊区块链的物联网解决方案。
  目前，区块链有非常多的应用项目，国内比较有代表性的项目主要有莱特币、精灵天下、布比等，国外主要有NXT、Ripple、BitShares等，这些项目产品受到各领域的广泛关注，同时区块链也在不断发展和更新，未来的区块链将会应用在更加合适的领域上。

1.2.2 区块链与传感器数据保护

  传感器作为目前物联网的边缘设备，位于国际公认的物联网网络体系中的感知层，它是环境数据的来源，感知外部世界的声音、图像、温湿度、空气质量等，然后上传到网关并转入网络层处理，最后与应用层相连。对于数据安全而言，每一层都需要较为完整的安全保护机制，ChainAnchor提出了一种把传感器放到云系统中的隐私保护方法^[9]，传感器通过区块链进行匿名注册，从而可以用匿名的方式证明设备的制造厂，而不去依赖可信的第三方。在感知层针对防篡改中，仅仅采用传统的数据保护技术是很难保障数据真实性，在卫生防疫部门、医疗机构等属于敏感而非隐私的环境数据进行公开展示的场合，国内提出了一种基于区块链技术的采样机器人数据真实性保护解决方案^[10]，在低成本、高效率的情况下更好地保护数据的真实性，但是此解决方案中使用比特币作为保障数据真实性的区块链，而比特币的交易确定时间一般与交易中提供给矿工的服务费相关，而区块的产生时间约为10分钟，因此可能存在传感器数据高频写入时数据丢失的情况。
  区块链正在与传感器设备结合，取消传统的中心化控制，保护传感器数据安全，消除传感器设备供应商或者服务供应商等中心化机构恶意收集和分析用户数据、系统管理权限级人员伪造、篡改、恶意增删数据等潜在的危险。

1.3 研究意义

  传统的传感器数据中心化管理将会消耗巨大的中心设备维护资源，在一些数据敏感而非隐私的场合如公共环境和医疗机构，传感器数据在中心化控制下容易因为业绩考核等原因而受到工作人员或其他人操作的影响，中心设备不仅要预防恶意攻击，还要预防拥有系统管理权限的工作人员的恶意操作，一旦中心化服务被攻击，整个系统将陷入危险的情况，即使利用数字水印、数字签名等技术也很难保障数据的真实性，另外在数据库信息不透明公开的情况下，存在系统管理级别人员利用其拥有的权限参与传感器数据库篡改的行为。因此本文使用区块链作为去中心化的数据保护平台，它由网络中的所有节点共同拥有、监督和管理，不接受单方面的控制，不需要花费巨大资源去建立信任中心，具有安全性高、实用性强、成本低廉、易于推广的特性，传感器数据的真实性可以由每一个人去验证，具有重要的研究价值和意义。

  底层框架为区块链的比特币是一群密码朋克的杰作，这些密码学家对社会、经济和政治都有自己独特的意见和观点，他们提倡使用密码学作为保护隐私侵犯和推动社会变革的武器，自从区块链问世以来已经存在数千个区块链项目，但是基本原则都是自由、匿名、透明、去中心化、协作和完全用户控制，这是区块链社区的热门话题，同时关注区块链的扩展性是区块链社区的使命，把区块链应用在合适的地方，解决多年来为之付出沉重代价的问题如建立信任中心等，扩展到处理更多事务并支持更复杂的应用程序，这样将会为医疗、金融、物联、城市等领域做出巨大贡献，也为区块链引出潜在的应用场景。让区块链与传感器数据保护结合，是区块链扩展的一小步。

1.4 主要研究内容及创新点

  本文研究的主要内容是设计和实现一个基于区块链的传感器数据保护系统，减少信任成本，保障传感器数据的真实性。本文的工作集中在以下几个方面：
  （1） 学习区块链技术。掌握区块链工作原理、P2P网络、共识算法、加密签名算法和分布式账户储存类型等重要概念和技术，了解不可篡改、匿名性、去中心化和开放性等区块链特性。
  （2） 设计系统架构并部署区块链系统。在系统需求分析下设计出系统架构，使用以太坊平台客户端（Geth）进行底层区块链的开发，部署区块链系统，并在系统上部署多个区块链节点，让节点之间能够在区块链上进行通信并完成基本的交易和挖矿功能，实现系统基本原型。
  （3） 开发Qt桌面应用程序。使用Qt进行桌面用户交互程序的开发，连接区块链、传感器和用户，完成基于区块链的传感器数据保护系统的原型设计，并验证数据的真实性和区块链的安全性。
  本文的主要创新点有：
  （1） 在传感器数据正常工作的同时，采用易于实施和降低成本的方式保证采样数据的真实性，把传统的数据库结合区块链技术构建去中心化架构代替中心化管理监控架构。
  （2） 采用联盟链或公链的形式，实现允许每一位监督者均可参与传感器数据真实性验证的过程，避免了集中式管理带来的中心节点被攻击和管理级别权限人员篡改数据的威胁，如果使用联盟链，那么成员规模可以由部门结构商讨决定进行自由伸缩。