1.介紹

2.方案設計

3.分析與評估

4.展望

論文題目：A Blockchain-Based Nonrepudiation Network Computing Service Scheme for Industrial IoT

論文地址：A Blockchain-Based Nonrepudiation Network Computing Service Scheme for Industrial IoT | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore

主要貢獻：

提出了一個基于區塊鏈的用于IIoT場景中的真正公平的不可否認服務提供方案；
設計了一種基于同態哈希技術的服務驗證方法，

1.介紹

1.1 在不受信任的分布式IIoT場景中面臨的安全挑戰

不受信任的服務提供商可能提供不合格甚至惡意的服務，而不誠實的客戶可能會出于自身利益甚至是虛假指控的目的，惡意拒絕獲得正確的服務，缺乏有效的不可抵賴性糾紛解決機制意味著對這些互不信任的各方沒有保障，

1.2 主要貢獻

1）提出了一個基于區塊鏈的真正公平的不可否認服務提供方案，用于工業物聯網場景，區塊鏈被用作證據記錄器和服務發布代理，在確認之前的鏈上證據后，將所需要的服務程式切割成不可執行部分，通過鏈上和鏈外渠道分步驟交付，既可減輕區塊鏈的負擔，又可避免程式披露風險，但也強制提交證據，即使是鏈下行為，以確保我們的不可否認方案的真正公平性，

2）設計了一種基于同態哈希技術的服務驗證方法，該方法可以僅僅基于輕量級鏈上證據而不是完整的服務程式代碼來正確驗證服務，支持我們模型的核心功能，

3）建立基于智能合約技術的公正、有效的糾紛解決機制，公平、高效地解決服務提供商和工業物聯網客戶之間的服務糾紛，

4）從理論上分析了我們的方案的安全性，并實作了一個實驗原型，以評估其有效性和效率，

1.3同態、同態哈希函式

同態：是兩個代數結構之間（群、環、向量）保持結構不變的映射，它保持所有相關的結構不變，從數學的角度上說，同態就是“保運算”，

舉一個簡單的例子：

　　考慮帶加法運算的整數，保持加法不變的函式有如下性質：

f(a+b)=f(a)+f(b)

例如f(x)=3x就是這樣的一個同態，因為 f(a+b)=3(a+b)=3a+3b=f(a)+f(b)，且這個同態從整數映射回整數（整數的代數結構為群），

同態哈希函式：是一種具有同態特性的抗碰撞hash函式，同態哈希函式可以將任意大小的資料映射為固定大小的資料而且滿足同態映射，

Krohnet al.提出了最常用的抗碰撞單態哈希函式，如下所示哈希函式如下：

兩個大隨機素數p、q，且滿足q｜（p-1），訊息塊bj是一個1*m個矢量組成， $b_{j}=(b_{1,j}...,b_{t,j}...,b_{m,j})$ ，每一個 $b_{t,j}$ 都是一個 $\mathbb{Z}_{q}$ 的元素，其中 $\mathbb{Z}_{q}$ 是一組非負整數，其成員小于q，

G是一組G=（p，q，<g>）的散列引數，其中是一個由 $g_{t}s$ 組成的1×m行向量，在中的每個 $g_{t}$ 都是 $\mathbb{Z}_{p}$ 的隨機函式，順序為q，最后兩個訊息塊bi和bj的計算如下：

因此，哈希函式的同態由以下函式給出：

同態hash函式的抗碰撞性是由離散對數問題的計算復雜性保證的，如果p和q有足夠的大小，那么就沒有已知的多項式時間演算法來解決離散對數問題，

2.方案設計

2.1總體描述

方案建設在具有PoA共識機制的聯盟區塊鏈網路上（5個節點），并部署了用于爭議解決服務的裁決智能合約，方案存在三種物體，服務提供者（SP,提供服務方案）、IIoT客戶端(C，請求并執行服務程式)和仲裁節點(AN，區塊鏈中維護分布式賬本和執行智能合約的特權節點)，每個物體在區塊鏈網路中都有一個賬戶地址，可以啟動交易和觸發智能合約，當啟動交易和觸發智能合約后，原始區塊鏈事務的資料欄位被擴展，如請求的服務名稱、散列值、確認資訊和服務程式的證據代碼片段，

2.2威脅模式

作者假設服務提供商或客戶出于自身利益，在服務提供程序中通過惡意活動試圖欺騙另一方，即服務提供商可能提供虛假服務，而客戶將試圖拒絕獲得糾正服務，但是，他們中的任何一方都不會以犧牲自身利益為代價做出不合理的正常行為，例如，接受客戶方不正確服務等超出作者考慮范圍的行為，

2.3服務模式

當系統初始化時，裁決性智能合約部署在區塊鏈上，且智能合約帶有服務名稱的嵌入式標準哈希映射和服務程式的相應同態哈希值，并向每個客戶賬戶發放足夠數量的的unique crypto-Collective（即，差異化加密貨幣），并將在未來的服務供應程序中在擴展客戶機之間用作同步令牌以控制步驟順序，此外，在方案上選擇了一組同態散列引數G=（p，q，<g>），為了保證自身利益的公平性，該計劃將把每個完整的服務計劃分為兩個不可執行的部分，這兩個部分將在不同的階段提前交付，即，一個小片段1用于在鏈上公開發布，一個主要部分2用于高效和私有的鏈外交付，需要注意，由于可執行服務程式具有重要的小尺寸不可執行頭結構，沒有該結構，剩余的主要部分無法相互獨立地執行，因此，例如在作者設計的場景中，可以通過切割其頭的一部分，從技術上將服務代碼分為不可執行部分，S1可以是一個ELF file的極小的ELF header的隨機部分，也可以是一個EXE file的極小的PE header的隨機部分，如果沒有它，其余的S2將無法運行，

服務提供程序的詳細作業流如下圖所示：

服務供應程序的詳細作業流程如下：

步驟1：服務請求，客戶端C發送一個請求事務，包括服務名S、同態加密收集Token到區塊鏈賬戶SP，

步驟2：發布Hash(S2)，區塊鏈賬戶SP通過同態哈希函式計算Hash(S2)，然后將其交易封裝在同態加密收集Token中，發送到客戶端C的區塊鏈賬戶的鏈上證據，

ps：方案僅將區塊鏈上大的S2的小散列值記錄為輕量級證據，因為較小大小的S2的散列值同樣可信，

步驟3：通過鏈下渠道交付S2，在區塊鏈上發布Hash(S2)后，服務提供者SP通過鏈下渠道將Hash(S2)的主要部分交給客戶端C，

ps：S2在此階段不可執行，因此，如果C仍希望最侄訓得完整的可執行服務程式，則強制其執行以下步驟（例如，發布相應的確認作為證據），這有助于實作具有真正公平性的不可否認性方案，此外，大型計劃部分的鏈外交付有助于減少區塊鏈上的負擔，并可以避免計劃披露風險，

步驟4：確認Hash(S2)，客戶端C計算收到的Hash(S2)，并將它與區塊鏈上的記錄進行比較，如果hash值匹配，客戶端C向服務提供者SP的區塊鏈賬戶發送與Token相對應得確認交易，

ps：如果C仍希望獲得完整的可執行service program，則必須發布鏈外事件的相應確認，另外，C和SP服務提供程序的提前終止不會使任何一家公司受益，

步驟5：發布S1，當客戶端C的確認交易在區塊鏈上可用時，服務提供者SP給輕量級證據的區塊鏈賬戶C發送一個包括不可執行的微小代碼片段S1和Token的交易，

ps：發布隨機剪切的不可執行的服務程式片段對服務提供商無害，因為最主要的部分是私下傳輸的，然而，著作權控制，即防止來自客戶端的資源泄漏，超出本文的范圍，可以補充作業，

步驟6：確認Hash(S)，C獲得S1并恢復服務，然后決定向SP的區塊鏈賬戶提交最終確認以調動智能合約來進行仲裁，

ps：由于最后一段代碼片段在步驟5中作為證據發布在區塊鏈上，因此智能合約可以根據現有的鏈上證據解決爭議，而無需客戶最終確認，

2.4爭端解決機制

C或者SP為了觸發裁決性智能合約，在步驟4必須中止當前的服務流程，如果當客戶在步驟4中未發布積極確認時，服務程序中一定發生了例外（和不好的情況），例如，客戶不誠實或發現接收的S2的哈希值不等于區塊鏈上的哈希值，為了不被利用和進一步的損失，提出了以下的防御機制，該機制不會因為經濟原因而被濫用，各方也因當前的行為受到同等的指控，

當C和SP在最后一步申請仲裁時，智能合約將被呼叫，它首先使用同態哈希函式來計算次要代碼片段的哈希值 $S_{1}^{*}$ 在區塊鏈上發布的內容，然后通過計算Hash( $S_{1}^{*}$ )×Hash( $S_{2}^{*}$ )mod p獲得Hash( $S_{1}^{*}$ + $S_{2}^{*}$ )，將其與區塊鏈上的預存散列進行比較，最后，如果Hash( $S_{1}^{*}$ + $S_{2}^{*}$ )==預先存盤的散列，則智能合約將判定該C是惡意的，因為它會帶來虛假指控，否則，它會得出結論，SP是惡意的，

總結來說，智能合約可以用輕量級鏈證據(例如:為整個區塊鏈系統帶來了巨大的節約，同時也避免了完整程式代碼暴露所帶來的非法使用風險，

3.分析與評估

通過以太坊Mist錢包提供可視化用戶界面演示實驗結果，設備配置如下：

實驗證明方法：實作原型來評估所提出方法的有效性和性能，

基于ETH 1.8.17建立了聯盟區塊鏈，區塊鏈網路使用PoA共識機制（5個節點），并部署了用于解決服務的裁決智能合約，在相同的環境下構建帶有PoW共識機制的區塊鏈網路（5個節點），為PoW演算法設定了一個相當低的挖掘難度(即難度=0x131072)，以方便和簡化實際的實驗程序，模擬了50個IIoT客戶端，向6個虛擬服務提供商請求27種服務方案，另外，為了可視化，通過以太坊Mist錢包提供的可視化用戶界面展示了一些實驗結果，

系統性能評估：

1）交易延遲

每天隨機啟動100000個事務請求，并使系統運行一周，對于不同的時間段，平均事務延遲保持穩定，PoA機制下的平均事務延遲僅約為21毫秒，而PoW機制下的平均事務延遲約為52毫秒，即使在極低的挖掘難度下，其速度也是ap的兩倍多（約250%），這也反映了采用的POA機制的優越性，

2）事務吞吐量

分別在PoA和PoW機制下通過作者的系統的研究了仲裁，

如圖所示，基于PoA的方案的平均仲裁吞吐量隨著并發爭議的增加而穩定增長，當并發爭議的數量大于4500/s時，它逐漸達到穩定峰值，即大約每秒4500個，對于基于PoW的方案，仲裁吞吐量曲線更平坦，最大值為每秒1500，基于PoA的方案的吞吐量優于基于PoW的方案，并且足以滿足解決爭端的實際需要，

4.展望

作者期望將方法部署在一個支持真實網路計算的IIoT平臺上，以進行進一步的實際評估，希望整合更多功能，如存款和信譽機制，以建立更復雜和有效的解決方案，此外，由于IIoT設備在網路計算場景中必須在遠程服務器中存盤大量生成的資料，因此在未來的解決方案中還將考慮相應的非否認爭議解決機制，

個人總結：本文方案總的來說運用同態加密演算法來解決了多方不可信問題，并結合區塊鏈的智能合約再次驗證，并且通過PoA共識機制（5個節點)驗證方案，并和PoW共識機制的區塊鏈網路（5個節點）進行了比較，

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標籤：區塊鏈

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2.方案設計

3.分析與評估

4.展望