[發(fā)明專利]基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)多移動設(shè)備身份驗(yàn)證方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110017868.2
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112788527B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳友淦;李詩宇;熊長靜;張檬;張家揚(yáng);陶毅;許肖梅
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/06;H04W12/00;H04W12/06;H04W24/02;H04W40/32;H04B13/02;H04B11/00
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

1.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)多移動設(shè)備身份驗(yàn)證方法，其特征在于包括以下步驟：

1)考慮由N個水下物聯(lián)網(wǎng)IoUT設(shè)備組成的以水聲網(wǎng)絡(luò)為基本構(gòu)架的海洋物聯(lián)網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)中各IoUT設(shè)備(以下稱為“固定節(jié)點(diǎn)”)進(jìn)行注冊，授予每個設(shè)備一個獨(dú)一無二的密鑰，此密鑰作為設(shè)備唯一的標(biāo)識符，相當(dāng)于其“身份證號”；

將網(wǎng)絡(luò)分為C個集群，每個集群擁有n＝N/C個固定節(jié)點(diǎn)，在每個集群中心設(shè)置一個主簇頭，分別為M_i(i＝1,2,3，…,C)，假定主簇頭的能量較普通IoUT設(shè)備的能量大，且可通過集群外圍的AUV移動設(shè)備進(jìn)行充電；每個主簇頭M_i負(fù)責(zé)以自己為圓心，以r為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)外圍移動設(shè)備入網(wǎng)的身份驗(yàn)證；

在整個網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)有k個已經(jīng)身份認(rèn)證的AUV移動設(shè)備，分別為R_i(i＝1,2,3,…,k)，并定義為I類AUV，其電力和能量充足，負(fù)責(zé)在各集群之間移動，給集群內(nèi)的所有固定節(jié)點(diǎn)充電；在主簇頭M_i需要時，I類AUV可充當(dāng)副簇頭，以協(xié)助主簇頭M_i對其它外圍移動設(shè)備進(jìn)行入網(wǎng)身份驗(yàn)證；此外，設(shè)有u個未經(jīng)身份認(rèn)證的外圍移動設(shè)備，分別為U_i(i＝1,2,3,…,u)，負(fù)責(zé)在各集群之間移動，搜集各集群內(nèi)部固定節(jié)點(diǎn)的聲學(xué)數(shù)據(jù)；

2)各主簇頭對自己集群內(nèi)的I類AUV位置信息進(jìn)行判定：

I類AUV的位置都是隨機(jī)的，隨機(jī)分布在C個集群中，各主簇頭計(jì)算自己與所有I類AUV的距離，將所有距離中的最小值D_min與自己負(fù)責(zé)的圓形區(qū)域的半徑r比較，若D_minr，則說明主簇頭M_i的區(qū)域內(nèi)不存在I類AUV；否則，說明主簇頭M_i的區(qū)域內(nèi)存在I類AUV，且最近的I類AUV與自己的距離為D_min；

3)I類AUV位置信息的發(fā)送與接收：

每個集群內(nèi)部的主簇頭M_i對自己區(qū)域內(nèi)是否存在I類AUV進(jìn)行判定后，若發(fā)現(xiàn)自己集群內(nèi)不存在I類AUV，則將自己周圍沒有I類AUV可協(xié)作的信息向自己負(fù)責(zé)的圓形區(qū)域外圍發(fā)送，告訴請求入網(wǎng)的移動設(shè)備集群內(nèi)無副簇頭可供協(xié)作；否則，則將距離自己最近的I類AUV的位置信息向自己負(fù)責(zé)的圓形區(qū)域外圍發(fā)送，告訴請求入網(wǎng)的移動設(shè)備集群內(nèi)存在副簇頭R_i可供協(xié)作；這樣，在集群外圍請求入網(wǎng)的移動設(shè)備在進(jìn)入集群之前就已得知該集群內(nèi)部是否存在副簇頭可供協(xié)作，若存在，則還可得知副簇頭R_i的具體位置；

位置信息數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收時延為：

t₁＝Packet₁/Rate

其中，Packet₁為數(shù)據(jù)包大小，單位為bit；Rate為數(shù)據(jù)包傳輸速率，單位為bit/s；

位置信息數(shù)據(jù)包的傳播時延為：

t₀＝d/c

其中，d為外圍移動設(shè)備到集群內(nèi)主簇頭M_i的傳播距離，單位為m；c為聲波在海水中的傳播速度，單位為m/s；

I類AUV位置信息的發(fā)送與接收總時間為：

T₁＝2t₁+t₀

4)對于集群i而言，集群外圍的移動設(shè)備請求入網(wǎng)：

位于集群外圍的移動設(shè)備，將自己的密鑰發(fā)送給集群內(nèi)的主簇頭M_i或副簇頭R_i，請求進(jìn)行入網(wǎng)身份驗(yàn)證；若該集群不存在副簇頭R_i，則待入群的所有外圍移動設(shè)備只能向主簇頭M_i發(fā)送驗(yàn)證請求，由主簇頭M_i逐一進(jìn)行身份驗(yàn)證；若該集群存在副簇頭R_i，則請求入網(wǎng)的多個移動設(shè)備，可以協(xié)商后分別向主簇頭M_i或副簇頭R_i同時發(fā)送各自的入網(wǎng)身份驗(yàn)證請求，在主簇頭M_i執(zhí)行某一移動設(shè)備身份驗(yàn)證的同時，副簇頭R_i也可對另一移動設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證，然后再將身份驗(yàn)證結(jié)果發(fā)送給主簇頭M_i；

身份驗(yàn)證請求數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收時延為：

t₂＝Packet₂/Rate

其中，Packet₂為身份驗(yàn)證請求數(shù)據(jù)包的大小，單位為bit；Rate為數(shù)據(jù)包傳輸速率，單位為bit/s；

身份驗(yàn)證請求數(shù)據(jù)包的傳播時延為：

t₀＝d/c

其中，d為外圍移動設(shè)備到集群內(nèi)主簇頭M_i的傳播距離，單位為m；c為聲波在海水中的傳播速度，單位為m/s；

整個身份驗(yàn)證請求的發(fā)送與接收時間為：

T₂＝2t₂+t₀

5)集群i對請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證：

5.1)集群內(nèi)沒有副簇頭、只有主簇頭存在的情況：

集群內(nèi)的主簇頭M_i接收到身份驗(yàn)證請求后，首先在自己的本地區(qū)塊鏈賬本上查賬，以確定請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備是否已被其它集群的主簇頭M_j(j≠i)驗(yàn)證過，將此查賬時間記為T_查賬；

若主簇頭M_i在本地區(qū)塊鏈賬本上沒有查到該請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備信息，則該外圍移動設(shè)備被認(rèn)定為初次入網(wǎng)身份驗(yàn)證，需要主簇頭M_i花費(fèi)較長的時間對其進(jìn)行身份驗(yàn)證，此初次驗(yàn)證時間記為T_初驗(yàn)；然后主簇頭M_i向其余集群的主簇頭M_j(j≠i)發(fā)起共識，共識成功后由主簇頭M_i將入網(wǎng)密鑰發(fā)送給該請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備收到密鑰后即可入網(wǎng)；同時，主簇頭M_i將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，進(jìn)行區(qū)塊鏈的記賬，全網(wǎng)其余集群的主簇頭、副簇頭收到完整區(qū)塊后進(jìn)行本地區(qū)塊鏈的更新；

若主簇頭M_i在本地區(qū)塊鏈賬本上查到此請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備信息，則此外圍移動設(shè)備被認(rèn)定為再次入網(wǎng)身份驗(yàn)證，無需再對其進(jìn)行身份驗(yàn)證，可直接將入網(wǎng)密鑰發(fā)送給該請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備收到密鑰后即可入網(wǎng)；同時，主簇頭M_i將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，進(jìn)行區(qū)塊鏈的記賬，全網(wǎng)其余集群的主簇頭、副簇頭收到完整區(qū)塊后進(jìn)行本地區(qū)塊鏈的更新；

5.2)集群內(nèi)同時存在副簇頭、主簇頭的情況：

集群內(nèi)的主簇頭M_i與副簇頭R_i接收到驗(yàn)證請求后，主簇頭M_i仍按照5.1)步驟對請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證，而副簇頭R_i對請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證的過程與上述5.1)步驟主簇頭M_i的處理過程有所區(qū)別；

由于規(guī)定只有主簇頭M_i可以向其余集群的主簇頭M_j發(fā)送共識，且可將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，只有主簇頭M_i具有區(qū)塊的記賬權(quán)，而副簇頭R_i既不能發(fā)送共識，也不可將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，也沒有區(qū)塊的記賬權(quán)，只具有區(qū)塊的查賬權(quán)，只能接收主簇頭M_i發(fā)送全網(wǎng)的完整區(qū)塊后在本地進(jìn)行區(qū)塊鏈賬本的更新；因此，副簇頭R_i收到身份驗(yàn)證請求后，先花費(fèi)T_查賬的時間在本地區(qū)塊鏈賬本上查賬；

若副簇頭R_i在賬本上沒有查到此請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備信息，則該外圍移動設(shè)備被認(rèn)定為初次入網(wǎng)身份驗(yàn)證，需要副簇頭R_i需花費(fèi)T_初驗(yàn)的時間對其進(jìn)行身份驗(yàn)證，再將身份驗(yàn)證結(jié)果傳輸給集群內(nèi)的主簇頭M_i；然后由主簇頭M_i向其余集群的主簇頭M_j(j≠i)發(fā)起共識，共識成功后由主簇頭M_i將入網(wǎng)密鑰發(fā)送給該請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備收到密鑰后即可入網(wǎng)；同時，主簇頭M_i將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，進(jìn)行區(qū)塊鏈的記賬，全網(wǎng)其余集群的主簇頭、副簇頭收到完整區(qū)塊后進(jìn)行本地區(qū)塊鏈的更新；

若副簇頭R_i在本地區(qū)塊鏈賬本上查到此請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備信息，則此外圍移動設(shè)備被認(rèn)定為再次入網(wǎng)身份驗(yàn)證，需要副簇頭R_i將查賬結(jié)果傳輸給集群內(nèi)的主簇頭M_i；然后由主簇頭M_i將入網(wǎng)密鑰發(fā)送給該請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備收到密鑰后即可入網(wǎng)；同時，主簇頭M_i將完整的區(qū)塊發(fā)送全網(wǎng)，進(jìn)行區(qū)塊鏈的記賬，全網(wǎng)其余集群的主簇頭、副簇頭收到完整區(qū)塊后進(jìn)行本地區(qū)塊鏈的更新；

6)i＝i+1，重復(fù)步驟4)和5)，直到所有的集群均完成外圍移動設(shè)備的請求入網(wǎng)身份驗(yàn)證，可進(jìn)行集群內(nèi)部的數(shù)據(jù)搜集與傳輸任務(wù)。

2.如權(quán)利要求1所述基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水聲協(xié)作網(wǎng)絡(luò)多移動設(shè)備身份驗(yàn)證方法，其特征在于在步驟5)中，所述主簇頭M_i向其余集群的主簇頭M_j(j≠i)發(fā)起共識，具體如下：

針對水聲網(wǎng)絡(luò)中水聲傳播時延大、節(jié)點(diǎn)算力低的特點(diǎn)，初次入網(wǎng)身份驗(yàn)證時，主簇頭M_i需要在各集群的主簇頭M_j(j≠i)間執(zhí)行適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的低復(fù)雜度POW共識，其具體步驟包括：

1)集群i的主簇頭M_i(i＝1,2,…,C)對一個外圍移動設(shè)備身份驗(yàn)證后，在把驗(yàn)證數(shù)據(jù)存儲到一個區(qū)塊后，將POW共識計(jì)算難度降至最低，求得滿足區(qū)塊生成算法條件的隨機(jī)數(shù)解；

2)主簇頭M_i將打包好的的區(qū)塊頭(包括時間戳、隨機(jī)數(shù)信息)廣播發(fā)送給一定數(shù)量的其它集群的主簇頭M_j(j≠i)，由它們對該區(qū)塊頭的語法規(guī)范性、隨機(jī)數(shù)解和數(shù)字簽名進(jìn)行校驗(yàn)核對，查看是否準(zhǔn)確；此核對時間為一個定值，記為T_核對；核對無誤后，主簇頭M_j發(fā)送一個肯定的驗(yàn)證消息反饋給主簇頭M_i；

3)主簇頭M_i接收到肯定的驗(yàn)證消息后，將入網(wǎng)密鑰發(fā)送給請求入網(wǎng)的外圍移動設(shè)備，外圍移動設(shè)備得到入網(wǎng)密鑰后即可成功入網(wǎng)，與該集群i中的固定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)搜集和傳輸；同時，主簇頭M_i將打包好的完整區(qū)塊(包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體)接入本地的區(qū)塊鏈主鏈、記入?yún)^(qū)塊鏈公共賬本中，并將此完整區(qū)塊向全網(wǎng)廣播發(fā)送，以便于其它集群的主簇頭和副簇頭也將這一完整區(qū)塊接入各自的區(qū)塊鏈主鏈上；

上述低復(fù)雜度POW共識過程中，區(qū)塊頭的發(fā)送與接收時延為：

t₃＝Blockhead/Rate

其中，Blockhead為區(qū)塊頭的大小，單位為bit；Rate為數(shù)據(jù)包傳輸速率，單位為bit/s；

區(qū)塊頭的傳播時延為：

t₄＝d₂/c

其中，d₂為主簇頭M_i到其它集群主簇頭M_j的傳播距離，由于區(qū)塊頭廣播時，并不要求全網(wǎng)各集群的主簇頭均對其進(jìn)行驗(yàn)證核對，所以距離d₂可根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，其單位為m；c為聲波在海水中的傳播速度，單位為m/s；

上述主簇頭M_j核對無誤后發(fā)送的驗(yàn)證消息數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收時延為：

t₅＝Packet₃/Rate

其中，Packet₃為驗(yàn)證消息數(shù)據(jù)包的大小，單位為bit；Rate為數(shù)據(jù)包傳輸速率，單位為bit/s；

驗(yàn)證消息數(shù)據(jù)包的傳輸時延為：

t₄＝d₂/c

其中，d₂為主簇頭M_i到其它集群主簇頭M_j的傳播距離，單位為m；c為聲波在海水中的傳播速度，單位為m/s；

低復(fù)雜度POW共識過程整體的總時延為：

T_共識＝2t₃+t₄+T_核對+2t₅+t₄。