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基于区块链的物联网异构标识对等解析技术研究【硕论】

更新时间:2018-12-04
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基于区块链的物联网异构标识对等解析技术研究

摘要

物联网是由大量物品和物品之间的连接与通信形成的网络体系,实现对物理世界的智能化管理与决策。其中,大量物品形态包括:传感器、摄像头、RFID、一维码、二维码等多种不同类型的载体或感知设备,在传统的物联网应用解决方案中,各应用场景下的物品由于技术实施路线使用了封闭化自治管理,并没有形成开放可共享的局面,形成了信息孤岛。故需要物联网标识解析服务,使物联网中多个不同形态或标识体系之间的物品实现物与物之间的互通,或物品产生的信息互通共享。
标识服务是用于解决物联网信息孤岛的问题,实现物联网的互联互通,标识解析服务是实现物物互通最核心的基础设施。但在物联网蓬勃的发展中,由于标识的重要战略价值,标识服务成了各国家、各行业、各企业竞相争夺的战略制高点,国际上出现了多种主流标识编码体系。在推广物联网应用的过程中,不同应用场景下,物联网标识体系的选择将会形成了新的“信息孤岛”,同类标识体系下的物联网应用可以很容易地实现互联互通,而选用了不同标识体系的物联网应用又出现了新的隔离墙,形成了新信息孤岛。针对大量的异构形态的标识体系,本文提出了一种统一的解析技术,打破存在的各种壁垒,构建真正互联互通的物联网。
针对上述物联网发展出现的问题,学者们开展了MONS、FONS、CNRS等基于DNS架构或DHT架构的对等解析相关的研究,解决了ONS从单根服务到多根服务的管理问题,提高解析服务的可用性。但相关研究是针对EPC标识编码进行,并没有解决物联网标识服务之间的隔阂。通过异构标识解析体系实现互联互通的国家物联网标识管理公共服务平台NIOT在2016年10月正式上线营运,其通过设计新的编码方案,实现了兼容多种标识体系的解析服务,但所实现兼容的解析服务都作为子平台接入,使标识体系之间出现了隶属关系。而当前由于国内外物联网领域激烈竞争发展出的多种异构标识体系,难以使用隶属关系模式实现互联互通。因此要解决异构标识体系之间的隔阂问题,本文从构建公平对等的标识解析服务方向进行研究,可归纳到以下两个研究点:①要实现物联网本质要求的物物互联,若将现有的多种标识体系规约到一个统一的物联网标识体系,多种异构标识体系之间无法形成隶属关系,因此需要使各标识服务共存的前提下,用对等解析模式解决异构标识体系相互解析的问题;②在异构标识体系下,要能正确地识别出标识的类型,再通过标识类型找到其对应的解析服务,解决多标识体系下存在的异构标识问题。
针对构建异构标识体系下的对等网络,本文利用了区块链去中心化和去信任化的优势,提出了基于区块链的对等网络架构,将各标识体系解析服务的根节点连接在一个对等的网络中,并设计根对等网络中基于区块链的映射表数据结构和同步机制,保证各标识体系之间的相互对等的解析。针对多标识体系下的异构的标识编码规则,设计了一种异构标识识别算法,实现根据物联网标识找到其对应的标识标准,然后根据标识标准,查询基于区块链防篡改、可溯源的特性维护的标识之间的映射表,找到其对应的解析服务地址,实现对应的解析。
针对上述的设计架构,我们设计了一种基于BigchainDB区块链环境的对比试验,验证区块链在去中心化的环境能保证对等网络中的根服务器之间的映射表记录同步的正确与安全,并实现通过异构标识识别算法和映射表组合实现异构标体系下的对等解析,实验结果表明基于区块链的对等解析服务能有效解决标识体系之间的归属权和安全问题,能实现真正的物联网异构标识体系下的对等解析服务。
下一步,针对异构标识体系编码取值区间可能重叠的问题,我们将在异构标识识别算法兼容性方面进一步地展开工作;针对对等网络中基于区块链维护的映射表之间数据同步效率,设计使用更合适的区块链共识算法和区块数据结构应用于物联网标识解析服务的应用场景;并研究异构标识体系合作的基于区块链的经济激励制度,提高此方案的认可度和可行性。

关键词:物联网,异构标识,对等解析,区块链,数据一致性

目录

摘要 I
目录 VI
图录 VIII
表录 IX
注释表 X
第1章 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 研究内容与目标 4
1.3 论文组织结构 5
第2章 相关技术研究综述 7
2.1 对等解析相关研究 7
2.2 基于DNS架构的对等解析技术 8
2.3 基于DHT架构的对等解析技术 10
2.4 基于区块链架构的对等解析技术 13
2.5 本章小结 18
第3章 基于区块链的物联网异构标识对等解析服务 19
3.1 基于区块链的物联网异构标识对等解析服务体系架构 19
3.2 基于区块链的物联网对等解析服务的网络结构 21
3.2.1 基于区块链P2P网络的对等解析结构 21
3.2.2 P2P网络模式下基于DNAME技术的转发机制 22
3.2.3 基于区块链的根节点映射表数据结构设计 23
3.2.4 基于区块链的根节点映射表数据同步机制 24
3.3 物联网多标识体系下的异构标识识别算法 25
3.3.1 物联网异构标识识别算法研究 26
3.3.2 物联网异构标识识别算法方案 27
3.3.3 物联网异构标识识别算法实现 29
3.4 基于区块链的物联网异构标识对等解析服务 32
3.4.1 基于区块链异构标识对等解析服务安全机制 34
3.4.2 对等解析服务标识体系加入和退出 34
3.4.3 基于区块链异构标识对等解析服务的物品信息注册 35
3.4.4 基于区块链异构标识对等解析服务的物品信息查询 36
3.5 本章小结 37
第4章 基于区块链的异构标识对等解析服务的实现与验证 38
4.1 基于区块链的异构标识对等解析服务概述 38
4.2 实验环境 39
4.3 基于区块链的对等网络数据同步机制实验 40
4.3.1 设计对照组实验 40
4.3.1 实验结果及分析 41
4.4 异构标识对等解析服务模拟实验 41
4.4.1 实验方案设计 42
4.4.2 实验结果分析 43
4.5 本章小结 44
第5章 总结与展望 46
5.1 结束语 46
5.2 未来展望 47
参考文献 48
致谢 51
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 52