嵌入式系統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)介紹

也許以加密貨幣而聞名，區(qū)塊鏈技術(shù)也可以成為嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大工具。暫時(shí)擱置比特幣，考慮一下區(qū)塊鏈提供了什么：跨分布式系統(tǒng)的經(jīng)過驗(yàn)證的、不可變的操作記錄，具有強(qiáng)大的安全功能。如果需要，可以對(duì)區(qū)塊鏈的實(shí)際內(nèi)容進(jìn)行加密 - 提供保密性和完整性。

這些功能可以通過多種方式使用。它們的范圍從收集傳感器數(shù)據(jù)的可靠方法到構(gòu)建更安全的命令和控制系統(tǒng)，即使在存在系統(tǒng)故障、通信降級(jí)以及邊界內(nèi)受損或敵對(duì)節(jié)點(diǎn)的情況下也能正常工作。

雖然區(qū)塊鏈可以使用標(biāo)準(zhǔn)化框架（如Hyperledger或Ethereum）實(shí)現(xiàn)，但它也可以使用自定義系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)以滿足特定需求。嵌入式系統(tǒng)可能會(huì)使用自定義區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)來滿足這些系統(tǒng)的功能、性能和功能要求。

區(qū)塊鏈和鏈

在最基本的層面上，區(qū)塊鏈由兩個(gè)部分組成：塊，它是一組數(shù)據(jù)，鏈?zhǔn)乔耙粋€(gè)區(qū)塊中數(shù)據(jù)的哈希，用于建立塊之間的鏈接。任何修改塊的嘗試都將更改該塊的哈希值，與下一個(gè)塊中記錄的哈希值相比，會(huì)產(chǎn)生驗(yàn)證失敗。您可以通過讀取每個(gè)塊并根據(jù)下一個(gè)塊對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證來跟蹤區(qū)塊鏈的整個(gè)歷史記錄。

雖然一個(gè)塊可以包含單個(gè)數(shù)據(jù)片段，但為了提高效率，通常將幾條數(shù)據(jù)放置在單個(gè)塊中。除了保存數(shù)據(jù)之外，區(qū)塊鏈的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是它可以處理交易——數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化。區(qū)塊鏈為在分布式環(huán)境中處理交易提供了一種優(yōu)雅的方法——即使在不受信任的環(huán)境中和不安全的傳輸中也是如此。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)由幾個(gè)組件組成。它包括旨在創(chuàng)建和提交數(shù)據(jù)或交易的系統(tǒng);按順序處理事務(wù)的序列化服務(wù)器;驗(yàn)證交易并創(chuàng)建要添加到區(qū)塊鏈的官方區(qū)塊的驗(yàn)證服務(wù)器;以及已驗(yàn)證區(qū)塊的分配機(jī)制。

區(qū)塊鏈在行動(dòng)

考慮一個(gè)受污染地點(diǎn)的例子，例如科德角的前軍事基地。在這里，數(shù)十年的燃料泄漏和彈藥測(cè)試污染了正在修復(fù)的土壤和地下水。

在一般情況下，地下水和空氣可能由100個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)，并且可能有一個(gè)過濾系統(tǒng)，其流速可以每分鐘改變一次。土地所有者（造成污染的人）、環(huán)保組織、政府監(jiān)督機(jī)構(gòu)和進(jìn)行補(bǔ)救的公司都在密切關(guān)注。各方都希望訪問數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的永久記錄以及數(shù)據(jù)有效性的證明。由于這些團(tuán)體有相反的觀點(diǎn)，因此對(duì)能夠證明記錄沒有被篡改有濃厚的興趣。假設(shè) 100 個(gè)傳感器全部聯(lián)網(wǎng)，每分鐘報(bào)告一次。有一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)關(guān)，用于收集和連接傳感器數(shù)據(jù)，過濾系統(tǒng)的命令流經(jīng)網(wǎng)關(guān)。

每個(gè)傳感器獲取當(dāng)前值、傳感器標(biāo)識(shí)符和時(shí)間戳，使用傳感器私鑰將它們連接并散列，并使用 MQTT ［消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸］ 等協(xié)議將這四個(gè)數(shù)據(jù)元素發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。每個(gè)傳感器都需要具有唯一的標(biāo)識(shí)和私鑰;這些可以在制造過程中進(jìn)行硬編碼，閃存到固件中，或者在將每個(gè)傳感器配置到系統(tǒng)中時(shí)分配。

網(wǎng)關(guān)將來自多個(gè)傳感器的傳感器數(shù)據(jù)合并到一個(gè)塊中，為塊添加時(shí)間戳，使用其私鑰對(duì)塊進(jìn)行哈希處理，并將此組合塊發(fā)送到后端系統(tǒng)，可能在云中運(yùn)行。強(qiáng)大的通信可以通過更高級(jí)的消息傳遞系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，例如AMQP ［高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議］，它集成到后端系統(tǒng)上運(yùn)行的復(fù)雜應(yīng)用程序中。

此時(shí)，驗(yàn)證服務(wù)器將驗(yàn)證原始區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，可能使用特定應(yīng)用程序的自定義代碼。驗(yàn)證服務(wù)器可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否未被修改，并可以應(yīng)用其他檢查。

可以使用單個(gè)驗(yàn)證服務(wù)器或多個(gè)驗(yàn)證服務(wù)器。您可能希望擁有兩臺(tái)驗(yàn)證服務(wù)器（可能位于修復(fù)公司和政府機(jī)構(gòu)），并要求兩臺(tái)服務(wù)器在發(fā)布?jí)K之前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證服務(wù)器使用加密哈希及其私鑰對(duì)塊進(jìn)行簽名。

一旦數(shù)據(jù)塊經(jīng)過驗(yàn)證，副本就會(huì)發(fā)送給所有相關(guān)方。結(jié)果是每個(gè)實(shí)體都有自己的數(shù)據(jù)副本，他們可以獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)的來源，并且沒有記錄被修改或篡改。

密碼學(xué)關(guān)注

使用密碼學(xué)的一個(gè)問題是計(jì)算要求。所使用的加密可以滿足需求。例如，傳感器可以使用簡(jiǎn)單的哈希算法，如SHA-1。雖然 SHA-1 被認(rèn)為是不安全的，但它可能仍然適用于此用例。網(wǎng)關(guān)將使用更安全的算法，例如 SHA-256。驗(yàn)證服務(wù)器也可能使用 SHA-256，但在專用 HSM（硬件安全模塊）中執(zhí)行簽名操作。

審核編輯：郭婷