基于区块链技术的物联网设备影子服务

一．    背景
物联网设备影子是指真实的物联网设备在物联网平台中对应的虚拟设备，设备影子服务存储了对应物理设备的当前数据。用户使用物联网设备的实时数据都是从物联网设备影子服务获取，如果设备影子服务的数据被修改，就容易导致用户获取到的数据与真实数据不一致的情况。比如安防设备的实时报警数据、设备的故障数据等，一旦被篡改就会导致严重的后果。
当前比较大的物联网平台厂商，比如百度、阿里、腾讯等的物联网平台都没有引入区块链的技术特征来保护设备影子服务。
二．    研究的意义
基于区块链的去中心化、不可篡改的技术特征来实现物联网平台的设备影子服务。可以让物联网设备影子服务实现去中心化，单个服务节点的故障不会造成整个服务异常，尤其可以保护用户的物联网设备数据在平台上不能被篡改。
以一个工厂来举例，工厂里面有大量的传感器，如PLC、DCS系统、生产车间等设备，每天会生产上亿的物联网数据。如果其中的数据被人篡改会带来严重后果，结合区块链的不可篡改特征恰好能解决这种安全隐患。工厂里面对数据的获取要求实时性很高，所以把区块链与物联网设备影子结合就会非常适用。
三．    创新点
1.    物联网与区块链的结合应用；
2.    物联网设备影子服务实现了去中心化，且数据不能被篡改；
3.    采用paxos算法来实现区块链的数据共识，用于提升效率；
四．    关键技术点
1.    物联网设备数据的分布
在集群化部署时，设备数据的分布十分重要，会影响到整个集群的负载情况，如果使用手动平均分配的方式是不利于集群管理，尤其是数据规模很大时，是非常不现实的。
通过基于伪随机分布算法的策略来解决设备数据分配的难题，此策略表面上是随机的但还是基于一定规律的，此处依据的规律是设备自增长ID取余，此方式可以根据集群规模大小动态调整集群里面每个节点所分到的设备数量。
2.    数据通信方式
整个集群是带有区块链特征的，是无中心的。根据设备影子服务部署环境都是在同一个网络，所以采用组播技术用于区块链节点之间的通信。
3.    基于paxos的共识技术
Pow和Pos的共识技术都有性能缺陷，不符合设备影子服务实时性的要求。所以考虑使用paxos算来实现一种全新的区块链共识算法。
Paxos算法解决的问题正是分布式一致性问题，即一个分布式系统中的各个进程如何就某个值（决议）达成一致。
Paxos算法运行在允许宕机故障的异步系统中，不要求可靠的消息传递，可容忍消息丢失、延迟、乱序以及重复。它利用大多数 (Majority) 机制保证了2F+1的容错能力，即2F+1个节点的系统最多允许F个节点同时出现故障。
一个或多个提议进程 (Proposer) 可以发起提案 (Proposal)，Paxos算法使所有提案中的某一个提案，在所有进程中达成一致。系统中的多数派同时认可该提案，即达成了一致。最多只针对一个确定的提案达成一致。
4.    区块数据的存储
每个设备影子节点服务不会存储所有设备的数据，而只会存储设备标识信息，这样可以减少存储空间占用，提高存储效率。存储采用实时数据库，不依赖于第三方存储系统，在设备影子服务里面自己实现基于levelDB的实时存储。
leveldb 是一个持久化的键值存储数据库引擎。LevelDB 存储介质有内存和硬盘。内存中有 memtable 和 immutable memtable。 硬盘中有 log 文件，manifest 文件，current 文件和 sstable 文件。memtable 是可读可写的，我们写一个东西，是先到这里，它存的东西达到一定数量就会将部分数据存到 immutable memtable，它是不可写的。内存的数据会持久化到硬盘，先是到 log 文件。然后 manifest 会记录这个文件存储什么键值对，然后 current 会帮助 manifest 记录那些键值对。