0 引言

    智能制造CPS系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集計(jì)算、通信和控制于一體的智能系統(tǒng)。CPS與物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等有著集成、融合的關(guān)系^[1]。智能制造CPS系統(tǒng)中存在著大量的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這些設(shè)備之間需要進(jìn)行相互通信來(lái)完成資源的配置、協(xié)調(diào)企業(yè)內(nèi)部資源^[2]，如此大量的節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及節(jié)點(diǎn)間的通信需求使得系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量極為龐大。

    數(shù)據(jù)安全是智能制造系統(tǒng)可靠性、可用性的核心問題^[3-4]，也是智能制造CPS系統(tǒng)能夠應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的首要前提。系統(tǒng)中龐大的數(shù)據(jù)量給傳統(tǒng)第三方數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)造成了巨大的壓力。

    區(qū)塊鏈是比特幣底層的核心技術(shù)，本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的分布式賬本，節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)；任意節(jié)點(diǎn)失效或退出，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不受影響，解決了傳統(tǒng)中心化模式容易遭受攻擊、篡改的問題。共識(shí)算法是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，現(xiàn)有共識(shí)算法應(yīng)用于智能制造CPS系統(tǒng)，還存在節(jié)點(diǎn)資源受限以及如何在滿足系統(tǒng)可擴(kuò)展性的同時(shí)保證安全性等問題。本文針對(duì)上述問題，提出改進(jìn)的共識(shí)算法。

1 相關(guān)研究

    目前，學(xué)術(shù)界對(duì)共識(shí)機(jī)制做了較為廣泛的研究，其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)^[5]如表1所示。

    關(guān)于區(qū)塊鏈在智能制造CPS系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少，但是物聯(lián)網(wǎng)在許多方面與智能制造CPS系統(tǒng)是相似的。許多專家學(xué)者對(duì)于區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究做出了相關(guān)的探索。

    針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備眾多且設(shè)備資源受限的特點(diǎn)，提出了兩種應(yīng)對(duì)方法，一是構(gòu)建多層物聯(lián)網(wǎng)安全模型^[6]，將較低層中的所有節(jié)點(diǎn)視為較高層中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊鏈部署在邊緣層（edge layer）以外的各個(gè)層級(jí)，在各節(jié)點(diǎn)間執(zhí)行共識(shí)；二是采用消除消耗較大的工作量證明（POW）機(jī)制的方法^[7]，由礦工為每個(gè)事務(wù)使用唯一的鍵，所有交易都要由礦工進(jìn)行檢查，并對(duì)采礦者進(jìn)行授權(quán)，該文重點(diǎn)關(guān)注了通信過程中相關(guān)事務(wù)的公鑰加密。

    另外，物聯(lián)網(wǎng)中眾多的智能設(shè)備帶來(lái)龐大的數(shù)據(jù)量^[8]，使得集中式數(shù)據(jù)中心(如云存儲(chǔ))無(wú)法負(fù)擔(dān)相應(yīng)的管理任務(wù)。為此，提出基于區(qū)塊鏈的分布式云架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)的邊緣使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，針對(duì)此架構(gòu)提出了Proof-of-Service機(jī)制，在該機(jī)制中，對(duì)服務(wù)提供商使用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行管理，服務(wù)請(qǐng)求者根據(jù)得到的服務(wù)對(duì)服務(wù)提供商進(jìn)行支付和獎(jiǎng)勵(lì)，從而維持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的共識(shí)，但是沒有對(duì)該算法的性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

    對(duì)于區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中用戶數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方面^[9]，區(qū)塊鏈技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)較為安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，防止惡意節(jié)點(diǎn)篡改數(shù)據(jù)或偽造區(qū)塊而獲取利益^[10]，但是保證數(shù)據(jù)安全的共識(shí)機(jī)制對(duì)資源消耗較大，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中資源受限的設(shè)備并不能滿足其要求。文獻(xiàn)[11]針對(duì)區(qū)塊鏈中的工作量證明機(jī)制的可靠性、安全性及其自身存在的潛在的威脅做了詳細(xì)的分析。

    使用區(qū)塊鏈對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行分散管理的平臺(tái)設(shè)計(jì)^[12]中，采用了改進(jìn)的共識(shí)算法——信譽(yù)評(píng)分證明算法。該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)所簽署的合約數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)可信評(píng)價(jià)。與POW算法不同，該算法不再關(guān)注節(jié)點(diǎn)所做的工作量，而是關(guān)注節(jié)點(diǎn)的可信評(píng)分。但該算法需要考慮節(jié)點(diǎn)所簽署合約的真實(shí)性和有效性。

    以上研究主要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)資源受限的特點(diǎn)，從體系架構(gòu)和共識(shí)算法兩個(gè)方面，通過減少節(jié)點(diǎn)資源消耗或直接將資源受限節(jié)點(diǎn)排除在共識(shí)流程之外來(lái)解決相關(guān)問題。區(qū)塊鏈系統(tǒng)本質(zhì)上通過節(jié)點(diǎn)共同管理來(lái)維持系統(tǒng)的安全性。但已有方法在考慮節(jié)點(diǎn)資源受限時(shí)犧牲了一部分安全性、削弱了系統(tǒng)的去中心化特性。本文提出一種基于節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)有效度的共識(shí)機(jī)制，兼顧系統(tǒng)的去中心化特性與減少資源消耗。

2 算法改進(jìn)

2.1 現(xiàn)有共識(shí)算法分析

    工作量證明機(jī)制POW通過節(jié)點(diǎn)計(jì)算難題來(lái)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限，這種機(jī)制會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)大量的計(jì)算資源，造成資源浪費(fèi)。

    權(quán)益證明機(jī)制POS根據(jù)各節(jié)點(diǎn)擁有的幣齡進(jìn)行計(jì)算難題的難度分配：幣齡越大，節(jié)點(diǎn)所需要解決難題的難度越低。這使得幣齡越大的節(jié)點(diǎn)越容易得到數(shù)據(jù)記錄權(quán)限，繼而得到越多的獎(jiǎng)勵(lì)。該算法導(dǎo)致系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間的貧富差距越來(lái)越大，最終，系統(tǒng)中可以得到數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的節(jié)點(diǎn)只集中在小部分擁有大量幣齡的節(jié)點(diǎn)中。該算法使系統(tǒng)的去中心化特性遭到了破壞，與存儲(chǔ)在第三方數(shù)據(jù)庫(kù)中一樣，一旦遭到惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊，系統(tǒng)的安全性將大大降低。

2.2 本文所提出的共識(shí)算法

    針對(duì)現(xiàn)有共識(shí)算法存在的問題，提出基于節(jié)點(diǎn)有效度的共識(shí)算法。首先對(duì)算法中的說(shuō)法做如下約定：

    約定1 將獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的分布情況稱為節(jié)點(diǎn)的分散性，分散性越好，越能維護(hù)系統(tǒng)的去中心化特性。

    約定2 節(jié)點(diǎn)通信的有效性：一個(gè)節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行給定目標(biāo)任務(wù)時(shí)，其行為如同預(yù)期，則稱該節(jié)點(diǎn)的本次通信是有效的。

Input： data_for_deal、expect_value

Output：True or False

    得到輸出結(jié)果的偽代碼如下：

def func_comm_valid(data_for_deal,expect_value):

    result = data_deal_function(data_for_deal)

    IF result == expect_value:

        return True

    ELSE:

        return False

其中，data_for_deal表示該設(shè)備接收到的待處理數(shù)據(jù)，expect_value表示與待處理數(shù)據(jù)一同傳入的預(yù)期結(jié)果。當(dāng)該設(shè)備通過data_deal_function函數(shù)對(duì)data_for_deal處理后得到結(jié)果result，判斷處理結(jié)果與預(yù)期結(jié)果是否相同，如果相同，則本次通信是有效的，返回True，否則返回False。

    約定3 節(jié)點(diǎn)有效度：指系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)可以有效通信的性能。描述為：一段時(shí)間內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)有效通信次數(shù)與該節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)總共的通信次數(shù)之比。有效度越高，節(jié)點(diǎn)越可信。

def func_valid_percent (times_total, times_valid):

    valid_percent = times_valid / times_total

其中，valid_percent表示節(jié)點(diǎn)的有效度，times_valid表示有效通信的次數(shù)，times_total表示該節(jié)點(diǎn)總的通信次數(shù)。

    在單位時(shí)間（約定的一段時(shí)間）內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息通信，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)的行為計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的有效度并廣播至整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)在近幾個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的有效度評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的可信性：有效度合格，則節(jié)點(diǎn)可信，記為Trusted；有效度不合格，則節(jié)點(diǎn)定為可疑節(jié)點(diǎn)；對(duì)于可疑節(jié)點(diǎn)，調(diào)用func_wait()函數(shù)根據(jù)接下來(lái)的行為對(duì)其進(jìn)行可信評(píng)估；對(duì)于可信節(jié)點(diǎn)，可信度越高的節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的機(jī)會(huì)越大。這樣，選取具有數(shù)據(jù)記錄權(quán)限節(jié)點(diǎn)的這一過程就是動(dòng)態(tài)變化的，降低了因節(jié)點(diǎn)的某些固有特性而獨(dú)占數(shù)據(jù)記錄權(quán)限所帶來(lái)的安全問題。算法偽代碼如下：

WHILE

    IF valid_percent >= valid_qualified:

        node = Trusted

    ELSE

        IF func_wait(node) >= valid_qualified_value

            node = Trusted

        ELSE

            node = Trobled

其中，valid_qualified表示有效度的合格值。

    在該算法中，各節(jié)點(diǎn)的有效度成為影響節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的重要因素。因此，需要將系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的有效度排序列表進(jìn)行記錄，節(jié)點(diǎn)有效度排序成為節(jié)點(diǎn)是否能夠被選為具有數(shù)據(jù)記錄權(quán)限節(jié)點(diǎn)的有效憑證；同時(shí)，為保證節(jié)點(diǎn)有效度排序列表不被篡改，提出將節(jié)點(diǎn)有效度排序列表的哈希值記錄在區(qū)塊頭的方法。改進(jìn)后的區(qū)塊頭字段如表2所示，列表中的最后一個(gè)字段為新增加的字段。

    在區(qū)塊鏈與智能制造CPS系統(tǒng)相結(jié)合的過程中，節(jié)點(diǎn)之間的信息交互以節(jié)點(diǎn)的可信性為基礎(chǔ)。當(dāng)誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)變?yōu)閻阂夤?jié)點(diǎn)后，直接影響該節(jié)點(diǎn)的有效度。為了更直觀地看到節(jié)點(diǎn)有效度的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)惡意節(jié)點(diǎn)，提出將單位時(shí)間內(nèi)的通信有效度作為研究對(duì)象的方法，每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)都重新記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，保證節(jié)點(diǎn)的通信對(duì)象不能夠局限在某個(gè)或某幾個(gè)單一節(jié)點(diǎn)內(nèi)，且不能是在某個(gè)單位時(shí)間內(nèi)高頻次數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)，最大限度防止惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊。

3 實(shí)驗(yàn)

    本文以智能制造CPS系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)有效度排序作為分配數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了擁有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的典型CPS場(chǎng)景，通過統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的次數(shù)對(duì)典型共識(shí)算法進(jìn)行驗(yàn)證，并與本文提出的共識(shí)算法作對(duì)比，以此來(lái)分析本文所提出的共識(shí)算法在數(shù)據(jù)記錄權(quán)限分布的分散性方面的優(yōu)勢(shì)。

    本文通過Python語(yǔ)言編寫程序，模擬系統(tǒng)設(shè)備交互情況；另外，為模擬節(jié)點(diǎn)設(shè)備計(jì)算能力不同的情況，設(shè)置了4個(gè)數(shù)據(jù)處理能力不同的節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4依次減弱。

    實(shí)驗(yàn)條件如下：

    （1）各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行隨機(jī)不間斷的UDP通信；

    （2）進(jìn)行4次時(shí)長(zhǎng)為1小時(shí)模擬實(shí)驗(yàn)，在這1小時(shí)內(nèi)，系統(tǒng)多次執(zhí)行共識(shí)算法來(lái)選擇具有數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的次數(shù)；

    （3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用nodei和Hi分別表示4個(gè)節(jié)點(diǎn)和為期一個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)周期，i為變量。將節(jié)點(diǎn)的有效度valid_percent縮寫為vp，將節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)有效度下獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的次數(shù)記為vt。

3.1 傳統(tǒng)共識(shí)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.1 POW共識(shí)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。圖1是該算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示。

    結(jié)果分析：數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)1獲取數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的次數(shù)最多，系統(tǒng)去中心化特性較差。

3.1.2 POS共識(shí)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    (1)設(shè)各節(jié)點(diǎn)的幣齡初始值為0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。圖2是該算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示。

    結(jié)果分析：各節(jié)點(diǎn)初始幣齡相同時(shí)，數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的分配受節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力影響較大，依然集中在節(jié)點(diǎn)1，去中心化特性較差。

    (2)各節(jié)點(diǎn)幣齡初始值不同：設(shè)節(jié)點(diǎn)4幣齡初始值為10，其他節(jié)點(diǎn)幣齡初始值為0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。圖3是該算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示。

    結(jié)果分析：幣齡初始值不同時(shí)，獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限次數(shù)較多的是數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)1和幣齡初始值較大的節(jié)點(diǎn)4。該算法中擁有幣齡較多的節(jié)點(diǎn)占據(jù)了較大的優(yōu)勢(shì)，去中心化特性差。

3.2 本文所提共識(shí)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    統(tǒng)計(jì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中各節(jié)點(diǎn)通信的有效度均值，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的分配。表6是在節(jié)點(diǎn)有效度變化的情況下得到的各節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)記錄權(quán)限次數(shù)。

    圖4是該算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示，其中，圖4(a)展示了4個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限次數(shù)的變化，圖4(b)展示了4次模擬實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)有效度與節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限次數(shù)的變化趨勢(shì)之間的關(guān)系。

    結(jié)果分析：從圖4(a)中可以看出，獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的節(jié)點(diǎn)具有較好的分散性；從圖4(b)可以看出，節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限次數(shù)與節(jié)點(diǎn)有效度變化趨勢(shì)基本一致，即節(jié)點(diǎn)是否可以獲得數(shù)據(jù)權(quán)限主要與節(jié)點(diǎn)的有效度相關(guān)。

    綜上可得，本文所提出的共識(shí)算法使獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限的節(jié)點(diǎn)隨節(jié)點(diǎn)有效度變化呈動(dòng)態(tài)分布，具有較好的分散性，較好的維護(hù)系統(tǒng)的去中心化特性。

    通過節(jié)點(diǎn)有效度的不同分配節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄權(quán)限，可以使得系統(tǒng)中活躍且可信的節(jié)點(diǎn)獲得更多的數(shù)據(jù)記錄權(quán)限。這樣，數(shù)據(jù)記錄權(quán)限將不再集中分布于系統(tǒng)中小部分節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性。

3.3 算法時(shí)間復(fù)雜度等特性分析

    已有共識(shí)算法與本文提出的共識(shí)算法的復(fù)雜度與可擴(kuò)展性對(duì)比如表7所示。

    各共識(shí)算法的執(zhí)行時(shí)間復(fù)雜度^[13]如表7所示。本文所提出的算法主要時(shí)間消耗用來(lái)處理節(jié)點(diǎn)有效度的排序操作。由表7可以看出，本文的算法在時(shí)間復(fù)雜度方面占有一定的優(yōu)勢(shì)，此外，擴(kuò)展性較好，且維護(hù)了系統(tǒng)的去中心化特性，保障了系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)現(xiàn)有的共識(shí)算法在執(zhí)行過程中消耗較大的計(jì)算資源、破壞了系統(tǒng)的去中心化特性的問題，提出基于節(jié)點(diǎn)有效度的共識(shí)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的共識(shí)算法使得活躍且可信的節(jié)點(diǎn)有更大的概率獲得數(shù)據(jù)記錄權(quán)限，且兼顧系統(tǒng)的去中心化特性與減少資源消耗問題。未來(lái)需進(jìn)一步考慮節(jié)點(diǎn)行為評(píng)價(jià)方法及降低算法復(fù)雜性。

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作者信息:

喬靜煒，肖  紅，李穗生，柳少峰，周玉彬，張  騁

（廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510006）