【摘 要】
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作为新一代信息技术的重要组成部分,飞速发展的物联网(Io T)对设备本地时钟的准确性提出了更高的要求。普通的物联网设备拥有的计算资源、内存资源等极其有限,无法完成复杂的同步算法,如各种传感器和微型片上系统等。与此同时复杂的环境也对设备自身时钟的稳定性有着巨大的影响,如温度、湿度、网络攻击等,同时,物联网设备基数庞大并快速增长使得现有的时钟同步体系已经很难满足要求。一旦时钟同步出现问题,在生活方面会
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作为新一代信息技术的重要组成部分,飞速发展的物联网(Io T)对设备本地时钟的准确性提出了更高的要求。普通的物联网设备拥有的计算资源、内存资源等极其有限,无法完成复杂的同步算法,如各种传感器和微型片上系统等。与此同时复杂的环境也对设备自身时钟的稳定性有着巨大的影响,如温度、湿度、网络攻击等,同时,物联网设备基数庞大并快速增长使得现有的时钟同步体系已经很难满足要求。一旦时钟同步出现问题,在生活方面会导致智能家居的行为出现混乱或影响车联网中的车辆安全等,在生产方面会产生工业生产中的工序错误从而造成停产等恶劣事故。因此如何保证物联网中设备的时钟同步安全问题已成为该领域不可忽视的重要问题。而区块链的去中心化和传递信任的特性使得其十分适合解决物联网时钟同步的问题。密码学与现有时钟同步协议的结合将在保证物联网时间同步的安全性、可扩展性和准确性上起到非常重要的作用。本文提出了一种基于区块链的安全时间同步方案来解决物联网中的时钟同步问题。我们使用区块链在物联网中传递信任。第一,为了让各种用途的设备都能够参与到挖掘区块的竞争中,利用时钟同步与时延、网络、算力等的关联综合评价一个节点是否具有担任授时的能力,提出了新的共识算法稳定性证明Proof of Stability。该方案使得通过Proof of Stability算法选出的节点能够在系统全局层面上确保授时的最优。第二,为了确保系统的稳定性,该方案应用有限状态机来保证节点在失去同步后仍然能够重新连接进入系统中。第三,为了划分共识算法的时间边界,该方案引入了视图概念。第四,方案中虚拟链的提出也满足了共识算法和时钟同步过程的需求。第五,通过将密码学中的公钥加密、数字签名等技术应用在方案的运行和消息的传输中,保证了节点和同步过程的安全性。第六,由于现有的网络授时机制NTP能够在不依赖专业授时设备的情况下使用网络实现精准的时钟同步,因此该方案的授时过程采用NTP实现。在理论研究的基础上,本文还介绍了系统实现和性能测试。通过将改进的UDP协议和p2p通信相结合的方法实现了系统,实现区块链在物联网环境下的稳定运行。安全性分析和性能测试表明,与现有的方案相比本方案能够有效地抵抗物联网中的恶意节点的攻击,减少节点之间的时间同步延迟并且同时还能兼具较高的可扩展性。
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