【毕业设计】第二章 相关技术简介

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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第二章 相关技术简介

2.1 区块链技术

  区块链是一种去中心化的分布式账本数据库，链上的节点无需相互信任，每个节点都会同步复制整个账本，信息透明，具有不可篡改、匿名性、开放性等特性，组成模式包括P2P网络、共识算法、加密签名技术和账户储存类型，解决了拜占庭将军和电子货币双花问题^[11]，目标是提高系统效率，减少信任成本。下面分别简介区块链的框架、结构和特性。

2.1.1 区块链框架

  区块链系统从下至上分别由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成^[12]，其中数据层规定了区块的数据结构；网络层包含分布式网络用于节点的通信；共识层实现了分布式中的共识算法；激励层用于规定激励机制主要作用之一是提高篡改者作弊成本；合约层是区块链底层功能的整合脚本，规定节点需要遵守的规则；应用层则是各类实际应用的场景。

2.1.2 区块链结构

  区块链结构中主要包括交易、区块和链，其中交易是导致分布式账本数据库状态发生改变的行为，如果区块链上发生了一次交易并被节点有效打包，就会在数据库中增加一条记录。区块是一种数据结构，记录在一段时间内发生的交易状态，每个区块都有自己的编号和唯一标识区块的哈希值和，0号区块代表创世块，除了创世块外，每一个区块都有前一个区块的哈希值。链是多个区块的组成，区块之间是按照产生的时间进行排序，链上记录了系统所有状态变化的记录。

2.1.3 区块链特性

  区块链具有工作量证明、防篡改、交易加密等技术特性^[13]。工作量证明（即挖矿）是区块链的核心机制，节点通过计算一个满足条件的随机数而获得本地记账的权利，并全网广播记录的数据信息，有效激励诚实节点的工作和增加恶意节点的攻击难度；防篡改是通过两个维度保证的，一个是技术维度，区块链利用几乎不能破解的加密算法和巧妙的数据结构确保区块链中每个区块的修改都会被节点检测到，另一个是经济维度，利用工作量证明如PoW使得每次修改都需要付出时间和巨大的经济成本；交易加密是指区块链的交易地址都非对称加密技术进行的，交易是公开于区块链上，但是无法追踪交易双发的地址；

2.2 非对称加密技术

  非对称加密技术是指用非对称公私钥对数据储存和传输过程进行加密和解密^[14]，公钥和私钥是不同的，公钥是公开的，可以在网络上传输，私钥是保密的，不能泄露，需要进行数据双向传输的双方都有属于自己的一对公私钥，如果数据传输是单向的，那么只需要为接受方产生一对公私钥即可，因此非对称加密体系也称为公私钥密码体系。

  非对称加解密框图，数据传输是单向，主要过程为以下几步：
  （1）接受者B得到由可信任密码源提供的一对公私钥，随后B把公钥PKB通过网络发送给A，此时A和窃听者都能得到公钥PKB
  （2）发送者A需要发送信息msg（明文）给B，发送者先用B的公钥PKB对msg进行加密，随后得到密文Pmsg，然后把Pmsg发送给B。
  （3）接收者B收到Pmsg后，用自己的私钥SKB进行解密，就能得到明文msg
  窃听者也能得到Pmsg，但是由于只有B的私钥SKB才能解开由公钥PKB加密的密文，同时私钥SKB只有B知道，所有窃听者无法解开密文。

2.3 数字指纹技术

  数字指纹是一种专门针对不同数据的标志性识别序列，对一段数据产生数字指纹后，指纹可以唯一标志这段数据，如果数据发送了任何改变，那么再次生成的数字指纹将会和原来的指纹千差万别，经常用于数据完整性验证。实现原理是使用哈希函数，因为哈希函数通常具有计算简单、抗碰撞、原像不可逆等特性，它能把任意长度的数据通过计算后，输出一个固定长度的序列，目的是把指定的数据压缩成摘要（指纹），使得数据格式固定。常见的用于数字指纹技术的哈希函数有MD5^[15]、SHA256^[16]等。

2.4 本章小结

  本章节主要针对系统中涉及的技术原理进行简介。首先对区块链进行整体框架的介绍，然后介绍区块链的逻辑结构和特性，分析出区块链不可篡改的原理。随后介绍非对称加密和数字指纹技术，有助于后续系统的功能设计和实现。