物联网中基于区块链的根密钥管理及平台实现

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以超远距离物联网技术(Long Range Wide Area Network,Lo RaWAN)为代表的低功耗广域物联网技术的快速发展,帮助物联网实现了更低成本、更大容量和更远距离的通信场景建立。然而,在更密集的物联网设备的环境下,所存在的安全问题尤其是密钥管理问题也更为突出。第五代移动通信技术-物联网(5th Generation Mobile Communi cation Technology-Internet of Things,5G-IoT)等新兴物联网场景在可靠性、安全性、时延等方面有着更高的要求,传统密钥管理方案无法适应新兴物联网场景,存在着管理能耗大、单点故障、可扩展性差等问题。本文充分考虑LoRaWAN网络的特点、密钥管理方案安全性和能耗的平衡等因素,结合许可区块链的轻量安全特性,提出了一种物联网中基于许可区块链的LoRaWAN根密钥管理方案,并通过Chi rpStack等工具进行了仿真验证。此外,本文还搭建了基于Fabric的密钥管理平台。本文主要工作总结如下:第一,对物联网安全进行了概述,对物联网感知层安全中的传统密钥管理技术、基于机器学习的安全分析技术和基于区块链的安全保障技术进行了总结介绍。第二,在LoRaWAN场景下,考虑对现有LoRaWAN协议的兼容性和现有LoRa技术中密钥管理机制所存在的弱存储、无更新等,提出了一种基于许可区块链的根密钥管理方案。所提方案分为了设备注册阶段、加入请求阶段和密钥更新阶段,并采用智能合约进行自动化处理。在设备注册阶段,设备通过设备注册合约向区块链添加包含有关设备信息的区块;在加入请求阶段,网关通过验证加入请求和区块中记录的信息来决定加入成功与否;在密钥更新阶段,设备与加入服务器之间通过密钥更新合约协商出新的根密钥。从仿真结果可以看出,与传统密钥管理方案相比,该方案拥有更高的安全性和更短的入网时间。第三,基于Fabric搭建了密钥管理平台。该区块链平台实现了密钥管理、数据查询、用户管理和性能测试等功能模块,并为管理者用户和普通用户提供了友好的前端界面。在密钥管理模块中,实现了本文所提密钥管理方案中涉及的智能合约;在数据查询模块中,实现了有关区块、交易等信息的可视化查询;在用户管理模块中,实现了管理者用户和普通用户的登录和权限划分等;在性能测试模块中,实现了对特定区块链结构时延和吞吐量的测试。
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