物聯網信息安全區塊鏈技術應用

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摘要：物聯網技術已成為促進世界快速發展的“重要生產力”之一，在其自身高速發展的同時，物聯網信息安全問題也愈來愈被人們重視，成為人們關注的焦點。由于區塊鏈技術具有去中心化和不可篡改等特性，它為解決信息安全問題提供了新思路，越來越多的研究者將其應用于信息安全領域。本文簡單介紹了物聯網技術及區塊鏈技術的相關概念，通過分析物聯網信息安全風險、區塊鏈技術在物聯網信息安全領域的優勢和應用，來讓人們理解區塊鏈技術與物聯網技術融合的優勢，以期能推動其發展。

關鍵詞：物聯網；區塊鏈；信息安全

物聯網是又一次信息產業革命性發展的產物，如今的物聯網已是促進世界快速發展的“重要生產力“之一。與此同時，由于信息技術的高速發展，物聯網在推動社會發展、便利人們生活的同時也帶來一些安全隱患[1]，例如信息竊聽、泄露等。因此，物聯網信息安全問題也被人們更加重視，成為人們廣泛關注的焦點。而區塊鏈技術因其去中心化、不可篡改性、可追溯性等特點，為解決信息安全領域問題提供了新的思路，被大量學者研究如何將其應用于信息安全領域[2]。要將區塊鏈技術運用在物聯網信息安全領域中，就要分析區塊鏈的特點及優勢，科學地將其與物聯網技術進行融合。本文立足于物聯網，介紹了物聯網、區塊鏈技術的相關概念，在分析物聯網信息安全現存風險和區塊鏈技術應用于物聯網信息安全領域優勢的同時，闡述了區塊鏈技術在物聯網信息安全領域的應用。

1物聯網與區塊鏈技術

1.1物聯網

物聯網是現代信息技術的代表技術之一，它依靠射頻識別、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的相關協議把物體與互聯網相連并進行信息交互，以實現對物體識別、定位、管理等功能的網絡[3]，即“萬物互通的互聯網絡”。物聯網具有感知性、智能性、可靠性三大主要特征，其核心和基礎是互聯網，包含感知層、網絡層、應用層三層架構，如圖1所示：

1.2區塊鏈技術

區塊鏈是一個公開的分布式共享數據庫，具有去中心化、不可篡改性、可審計性、匿名性、獨立性等特征。區塊鏈利用共識機制、智能合約、非對稱加密等技術，在信息存儲、共享等過程中可以實現信息的防篡改、防偽造和可追溯，包含數據層、網絡層、共識層、智能合約層和應用層五層架構[4]，如圖2所示：

2物聯網信息安全風險分析

2.1感知層風險分析

感知層位于物聯網的最底層，使用傳感器節點、RFID讀寫器等嵌入式設備來識別物體、采集數據。傳感器節點要求成本低、功耗少、體積小，這些限制使得傳感器節點存儲、計算和通信的能力有限，因此傳感器節點數量多、分布廣，難以集中維護和管理。并且傳感器節點大多分布在無人照看區域，數據信息采集接收時不能完全確認環境和設備的安全性[5]，容易遭受攻擊，造成數據信息泄露、更改。此外，攻擊者可以利用傳感器節點漏洞進行病毒植入，使其處于非法狀態，不能正常工作。

2.2網絡層風險分析

網絡層由移動通信網、互聯網和其他專網組成，是連結感知層和應用層的紐帶，負責傳遞、處理從感知層上傳來的數據信息。由于感知層的傳感器節點數量很多，數據信息量龐大且交互頻繁[6]，此時可能遭受到重放攻擊。攻擊者通過偽裝成合法用戶，向網絡控制節點多次發送截獲的數據包，造成網絡擁堵、崩潰。并且盡管網絡層的無線網絡平臺可以實現基本數據傳輸，但由于其自身處于開放狀態，較容易受到黑客攻擊，造成數據信息泄露或被篡改等問題。

2.3應用層風險分析

應用層是物聯網層級架構中的最頂層，負責分析、處理數據信息和提供特定的應用服務。應用層收集存儲了海量用戶數據，一旦應用層中心服務器遭到惡意攻擊，可能造成用戶隱私泄露，后果嚴重，也可能導致用戶數據遭到篡改，嚴重影響物聯網運行的穩定性和效率。

2.4物聯網中身份認證技術現存風險分析

當前物聯網中應用的身份認證技術仍然是中心化的身份認證技術[7]。海量數據信息的傳輸增大了中心節點的計算壓力，在數據信息交互的高峰期可能導致節點過載，影響物聯網運行的安全性。同時中心節點可能遭到攻擊，導致設備、用戶的身份信息泄露、破壞，后果嚴重。

3區塊鏈技術在物聯網信息安全領域應用的優勢

3.1去中心化

去中心化是區塊鏈技術的核心特征和核心價值。區塊鏈技術系統利用P2P分布式網絡實現去中心化[8]，系統中的每個節點都具有高度自治的特征。將該特點應用到物聯網的建設當中，物聯網設備可以直接獲取所需的數據信息，不再借助中心服務器或其他硬件設施，達到降低成本增加物聯網擴展能力的目的。此外，中心化的中心服務器如果出現問題，容易造成其他節點全線崩潰。但去中心化的技術系統不太可能出現這種情況，因此可以提高物聯網的容錯力和抗攻擊力。

3.2共識機制

共識機制是區塊鏈技術的核心技術之一，通過特殊節點的投票，短時間內就可以完成交易的驗證和確認，滿足一致性、有效性兩個性質。共識機制使得物聯網設備間進行信息傳遞達成一致性，并且彼此互相信任，可以代替原中心服務器實現身份認證的功能，有助于阻止惡意節點的接入和提高認證效率。同時共識機制也是一種防止數據信息被篡改的保護措施，只有在掌握超過半數節點的情況下才可能偽造記錄。隨著節點數量的增加，偽造記錄的可能性隨之降低。現今的共識機制共有四類，分別為工作量證明機制、權益證明機制、股份授權證明機制和Pool驗證池[9]，可以根據具體應用場景選擇相應的共識機制。

3.3不可篡改性

不可篡改性是區塊鏈技術的主要特征之一，依靠哈希算法實現。如果數據信息經過驗證并添加到區塊鏈中，它將永久的存儲在區塊鏈。只有在能同時控制系統中51%以上節點的情況下，對單個節點上數據信息進行的修改才是有效的，否則修改無效。由此可以保證區塊鏈中數據信息的可靠性和安全性，同時助于物聯網運行安全穩定。

3.4可追溯性

可追溯性也是區塊鏈主要特征之一。區塊數據結構存儲了系統中所有的歷史記錄，可以通過區塊鏈的鏈式結構追溯任意一條數據記錄，實現存儲在物聯網中數據信息的追本溯源。同時借助區塊上的時間戳，就可以找到適時可信的數據記錄。

4區塊鏈技術在物聯網信息安全領域的應用

區塊鏈技術在物聯網信息安全領域應用的相關研究剛剛起步，仍在發展階段。因此本文主要從以下幾個角度簡單介紹其應用：

4.1感知層

物聯網感知層的傳感器節點在采集信息時，要先將數據信息傳輸到相應的數據節點中，可以區塊鏈技術應用于這個過程。將采集回來的數據信息生成區塊，并鏈接上一區塊，使得數據信息被存儲記錄在區塊鏈中，不可篡改。

4.2網絡層

在物聯網的網絡層中可以使用區塊鏈技術，依循P2P數據傳輸協議將數據信息傳送到系統中各個節點進行存儲。即使部分節點被攻擊失效，其他正常工作的節點仍然可以互通，不會造成整個系統無法運行的嚴重后果。

4.3應用層

將物聯網應用層的用戶數據存儲在區塊鏈節點上，能夠保證這些數據信息的完整性、保密性和真實性[10]。同時可以根據具體的應用需求，實現相關的技術支持。例如區塊鏈中存儲有所有交易記錄，根據相應需求可以對這些記錄進行追本溯源，方便企業、用戶等主體進行相關的運營和監管。

4.4身份認證

而對于物聯網中的身份認證技術，可以使用區塊鏈技術完成原中心節點的工作，將身份信息存儲在區塊鏈中，利用共識機制對身份進行驗證。這樣不僅可以提高驗證效率和系統安全性，還能降低成本。

5結束語

物聯網技術實現了物物相連，對人們的生產和生活產生了很大的影響。在物聯網技術高速發展的同時，其信息安全問題也不容忽視。將區塊鏈技術與物聯網技術融合后，不僅可以使得物聯網內的數據信息存儲、交互更加安全，物聯網的運行也將更加穩定高效。因此，未來應該針對物聯網現存的信息安全問題，將區塊鏈技術與物聯網技術進行更加廣泛、深層次的結合，使其二者都能展現各自的特性，實現優勢互補。

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作者：李翌昊 單位：華北電力大學