基于区块链的工业物联网环境下大数据时代的发布处理[DMIIoT]_基于区块链的hmi

大数据环境下的数据分析背景

工业4.0中的传感器和执行器等物联网设备的指数级增长需要自动化和实时数据分析。如今，各行各业都在向低成本、高效率和安全的生产流程发展。这带来了工业物联网时代，包括先进的数据分析平台和物联网设备。它的范围从微型传感器到多面工业机器人。

图1a显示了由statista报告的联网物联网设备的全球网络。根据Gartner的数据，到2020年，全球将有超过200亿台物联网设备连接在一起。它适用于广泛的行业，如金融服务，零售，和许多其他产业。然而，工业物联网的广泛适用性带来了许多挑战、安全威胁和网络攻击，这掩盖了上面提到的好处。例如，中央数据存储库可能暴露于单个故障点和各种攻击，如Sybil攻击和分布式拒绝服务(DDoS)。但传感器采集到的数据的可靠性可能得不到保证，可能会导致数据被截获。从不同来源(如传感器和被称为BD的智能设备等)生成的大量异构和多模态数据。根据维基百科的数据，图1b显示BD市场的年增长率为11.4%。在工业物联网环境中传输和共享海量数据是一个具有挑战性的问题，恶意用户可能会捕获或破坏数据。BD的介入增加了工业物联网操作的复杂性。为了处理这种复杂性，第三方控制器的参与肯定会增加交易成本和数据处理成本，并降低QoS。早期，在传统系统中，数据被捕获在第三方存储(云和雾)中以实时处理，可以随时从任何位置访问数据。这些存储很容易受到安全攻击，这些攻击要么改变数据，要么使节点不可用。如果某个节点长时间无人值守，内存资源会被刷出，导致数据丢失。
一种分散的防篡改机制已经出现，即区块链，用于解决上述在工业物联网环境中大规模数据传播的安全问题。它在IIoT环境中提供数据从一个节点到另一个节点的安全可靠的传播。图1c显示了区块链适应性的市场增长，据statista报道，到2023年，区块链适应性的市场增长将超过230亿美元。然而，在数据传播中出现的问题和挑战是低传输可靠性和低传输安全性。传输可靠性低是指由于连通性不稳定，导致数据传播频繁中断，给工业物联网系统带来很大的不确定性。基于区块链的去中心化结构可以处理大结构传输的不确定性。低传输安全性是指现有的加密机制可以保护数据，但不一定能保护数据传输;它是由脆弱的关键材料造成的，很容易被揭穿。这可以通过基于区块链的工业物联网系统来处理，该系统具有不可变性、安全性和信任特性的潜力。它可以处理大量恶意攻击的威胁，如欺骗和暴力破解攻击期间的数据传播。
本文的贡献：
开发一个基于区块链的安全去中心化模型，用于工业物联网环境下的BD传播。使用不同的性能参数，如数据负载平衡、能量管理成本和传输延迟，对集中式和分散式模型进行比较分析。为了演示BD在工业物联网中的传播，我们在SG环境中进行了一个案例研究。

IIoT环境的区块链

IIoT

工业物联网是软件和硬件的结合，有助于协助和支持使用互联网连接设备和设备的行业应用。在安全威胁下，工业物联网带来了诸多优势，包括:
•实时监控
•前瞻性和预测性维护
•远程诊断
•优化资产/资源。
基于工业物联网的设备和传感器可以创建混合数据环境，因为工业物联网以不同的格式从不同的地点传播大量的数据。BD的管理和治理在过去几十年里一直有点挑战性和高要求。与工业物联网有关的几个问题如下:

• 多协议:传感器和设备数量的增加，增加了对不同数据采集协议的需求。这就产生了对新的接口或设备集成的需求，这些设备具有具有用户隐私的安全认证机制。
• 海量数据:海量数据的动态性和海量容量超过了现有系统的能力，这些数据可用于生成可操作的信息，以提供有效的决策支持。
• 数据多样性:数据管理系统必须能够集成不同的数据类型和多余的上下文维，以创建统一的操作，以满足业务目标，并提出数据完整性问题。
• 高级传感器和设备:为了维护准确、一致的数据足迹和处理虚假数据注入攻击，需要更新传感器和新设备。
• 高级数据存储:IIoT解决方案意味着新系统可以处理由各种传感器和设备生成的BD。
• 数据安全:IIoT传感器可以地理分散，没有固有的物理位置，这带来了一些数据安全问题，如窃听、中间人攻击、重放攻击等。

为了处理上面提到的挑战，需要一个分布式系统，即区块链系统。

Blockchain

对特定业务流程的单个交易进行分类的加密账本被称为区块链。每笔交易都被记录在区块中，并存储在多个服务器上，而不是单一的集中式服务器上。这使得整个过程透明、安全且可容忍错误。此外，由于所有单独的交易都是使用哈希技术严格加密的，所以区块篡改是非常困难的。尽管如此，区块链为基于IIoT的系统提供了大量的解决方案，以满足业务需求。
图2b为区块链的结构，描述如下：

• Chained-Structured区块链:在这种类型中，一个新块被附加到长链结构上。目前，实现一般都是在这个结构上，例如，比特币、超级账本和以太坊。
• Tangle区块链:使用有向无环图(DAG)结构。这里，每个事务都是一个单独的节点，事务是在通过工作证明(PoW)或权益证明(PoS)等共识算法验证之前的两个交易之后提交的

此外，区块链被划分为public(每个参与者都是区块链的一部分，具有保证的可靠性)和private区块链(受信任参与者支持的公共网络)。专用区块链网络更适合于特定行业的工业物联网应用。在图2a中，显示了一个样本markel树，其中为每个单独的事务生成hash值，例如Tx W，表示样本事务W。区块链的一些关键概念如下

• Block:一个小的数据文件，记录在区块链网络上发生的每一笔交易。
• Hash:区块链上的信息通过创建哈希值进行高度加密。所有的哈希值都有相同的长度。
• Transaction:帐户之间交换的消息被称为事务，它由事务值、数据有效负载、接收地址组成，并参与挖掘过程。
• Mining:验证区块链网络中的交易的过程，其中参与的节点会收到它的激励。
• Smart Contract:一组用特定编程语言(如Solidity和Python)编写的代码。

还有其他各种机制，如共识机制，包括PoW、PoS算法等，以实现双方之间的协议。

Blockchain in the IIoT Envir.

图3a显示了一个现有的集中式模型，它突出了工业物联网环境中的大量数据传播问题，其中数据来自不同的物联网设备，如移动设备、传感器、执行器。然后，在物联网网关的帮助下，将其转移到云上进行集中存储和处理。它提出了数据验证、单点故障、数据复制、工作量、数据安全(由虚假数据注入攻击、数据复制性攻击等各种攻击造成)、隐私等问题，这些问题都可以通过区块链技术来解决。区块链在工业物联网环境中的集成提供了生产可视性、更快的改进周期、更高的操作员生产率、成本降低、通过持续监控提高质量、提高机器利用率、更好的设施管理和系统的供应链优化。
基于区块链的去中心化数据传播模型直接处理数据并将其传输到基于工业物联网系统的机器上。它消除了第三方的需求，即物联网网关。这里的数据传输是高度安全的，即使网络中的任何节点发生故障，也不会有数据丢失。

图3b展示了提议的基于区块链的DMIIoT模型，该模型在一个IIoT环境中有三个主要组件:物联网设备、云和私有区块链网络。这些组件之间相互通信，物联网设备到节点，节点到云，物联网设备到云，反之亦然。在这里，物联网设备授权现有的IIoT机器与区块链网络和云进行通信。这些物联网设备允许机器通过通信接口向云交换数据进行操作。每个物联网设备所有者在区块链网络上注册，并收到证书，设备通过物联网服务器注册。一旦物联网设备在网络上注册，则为物联网设备发起传感任务，传感数据通过通信接口提交给区块链网络。然后将事件通知发送给设备所有者。物联网设备使用即插即用的方式向网络内的其他设备发送/接收与智能合约相关的交易。区块链使用私钥、公钥和非对称加密技术来确保IIoT设备之间的交易安全。IIoT环境中，每个设备都有一个公钥和私钥(一个随机的数字字符串)，它们是加密相关的。从数学上讲，黑客不可能从任何设备的公钥猜出它们的私钥。

物联网设备包括区块链网络中的节点;它由单板计算机和接口板组成。接口板具有模拟输入能力和数字输入/输出能力。它有一个串行接口到单板计算机。传感器桥架用于采集数据并向物联网设备发送控制信号。每个物联网设备在网络中都有自己的账户，并维护一个钱包。每一个钱包都会在双方交易完成后实时更新。区块链服务驻留在计算机上，方便在网络内发送/接收事务。区块链桥直接与物联网设备通信。设备管理器和控制器服务通过设备管理界面执行各种活动，如机器监控、订单替换和BD可视化。交易(与智能合约相关)被发送到IIoT网络中的对等点。它将在区块链中添加一个新块，用于取消旧订单并使用共识算法(例如PoS和PoW)添加新订单。此外，DMIIoT【Decentralized Model for IIoT 】的体系结构允许用户执行安全事务。然后，过滤后的相关交易数据只存储在云上，以备将来使用。DMIIoT维护一个不断增加的经过加密验证的巨大数据记录列表。它在简化业务流程的同时设置透明度、信任和问责制。
以下列出了其中的一些：

• 降低工业物联网解决方案的费用:对于边缘设备来说，减少处理开销和消除中间商(如物联网网关)是非常重要的。数据传播是在P2P的基础上进行的。因此，它消除了传统协议、通信和使用的硬件所产生的开销。
• 启用和授权信任:区块链为IIoT解决方案赋予信任。它使设备能够参与与可信方的通信和交易。例如，设备X可能不认识另一个设备Y，可能不相信它，但想要执行一个事务t。来自设备Y的事务请求将被发布到区块链网络中，设备Y将被网络中的其他对等体验证。一旦设备Y被认定为网络内的有效设备，那么在设备X和设备Y之间只会执行交易T，之后会更新总账和钱包。来自不同设备的交易和数据的永久记录存储在区块链网络上。这为个人和组织之间的合作创造了不可或缺的信任
• 加快数据交换:在建议的解决方案中删除TTP有助于改善数据交换。它减少了信息交换和处理时间。
• 节省时间和精力:更快的数据交换有助于节省完成特定事务所需的时间和大量精力。当事人之间至关重要的信任成为节省时间和精力的主要标准。
• 工业物联网解决方案的高级安全性:分散技术为需要在连接的设备中处理存储、检索和处理数百万或数十亿信息的系统提供了难以置信的保障。这些即将问世的系统提供高吞吐量、低延迟、数据访问权限、查询和分散控制。

模型分析

在工业物联网环境中处理BD传播是关键任务之一。区块链技术在工业物联网环境中有利于BD传播方面有很大的潜力，但在本文中，我们只关注安全方面。可以通过启用设备数量与区块链网络适配。它为具有广泛潜力的企业提供了便利。

• 安全性:区块链将整个业务分割成小块，并在整个企业网络上分配它们，而不是将其保存在基于云的服务器上。这最终消除了中间商/第三方执行区块交易的需要。事实上，用户可以信任一个去中心化的、不可变的账本，而不是依赖第三方供应商。此外，在区块链中，整个事件以加密的方式发生，提供了提供证据证明信息没有被污染的可能性。由于信息分散在网络中的各个节点上，任何人都可以在任何时候确保所有账簿上的文件签名，并确认数据是否已被更改
• 数据质量:工业物联网系统在运行过程中暴露了许多小工具和大量数据，很容易出现安全漏洞。区块链可能是一个非常有用的解决方案，具有高级的安全性和数据质量(存储在区块链上的数据是防篡改的)特性，可以在许多领域提供BD保护，包括银行、医疗、SG、智能城市等
• 隐私:将区块链与传统可用技术区分开来的一个主要因素是隐私，因为区块链技术不需要传输控制协议/互联网协议的网络层的任何身份。这意味着在下载时不需要填写与用户身份相关的详细信息，如姓名、电子邮件、住宅地址等。有多个服务器(而不仅仅是一个中央服务器)用于在电子医疗应用程序中保存用户信息(如患者数据)，这使得区块链比基于中央服务器的技术更加安全。
• 透明性:它通过每个人的地址的持有和交易，可以被其他人在P2P区块链网络中查看。有了客户的公开地址和探索者，就可以监视他们的持有、交易等。这种透明度在以前的任何金融系统中都不存在，尤其是对大型企业而言，因此，它附加了一定程度的问责制
• 自动化:目前，业务流程正在改变其趋势，不可否认地从缓慢的手工方式转向自动化。任何过程的自动化都带来了很多好处:任务的快速完成、更高的可见性、标准输出、降低不准确性、成本效益，等等。尽管自动化为企业提高生产率提供了巨大的帮助，但未来可能还会有更多的变化。特别是，区块链工作流自动化可以帮助那些严重依赖交易和文档的公司进一步推进数字化转型。

提出的方法有多种潜力;然而，DMIIoT的可扩展性、计算成本和通信成本在不久的将来还需要更多的探索。在接下来的章节中，我们将通过一个基于SGI的案例研究来讨论DMIIoT模型的有效性。
为了验证DMIIoT，使用以太坊平台为SG系统实现了一个仿真原型。该原型通过SG系统中的智能合约组成了一个分散的需求响应(DR，demand response)管理模型。
能源数据是由有限数量的智能电表生成的，这是一个部署在印度联合领土昌迪加尔的基于DMIIoT的系统。为了对所提出的分散模型进行评价，考虑了连接网络区域内100户发电能力为2000 W的家庭和5座输变电站(30000 W)。为了进行实验，反映了500台10gb容量的设备。在这里，考虑1000平方英尺的光伏(PV)太阳能电池板与可再生能源剖面的房屋相关。能源数据定期被推送到与之关联的智能合约中。图4显示了在一个混乱的私有区块链网络中，每个节点连接到另一个节点。每栋房子的屋顶都有一个用于发电的光伏太阳能电池板，并通过一个单板计算机连接到网络。一旦发电，房屋本身就会使用，不用的电可以用来出售。箭头指示数据和事务流。

区块链技术帮助太阳能电池板将多余的电力输送到当地电网或其他同行客户，并直接接收付款，而不是依赖第三方，如银行的付款收据。内部功率分配是在私有的区块链社区中设置的，具有资源配置。采用PoS和PoW等共识算法进行需求-响应验证和支付结算。为了执行DR（需求响应，demand response）事务，在两个对等节点之间创建协议;该协议包括智能合约。
如果需要从SG供电，那么从电网向住宅提供负载产生，并将其记入分布式账簿。此外，SG也连接到区块链网络，并拥有所有电力交易交易的副本，因此会通知电网。它使得SG的数据分析任务更容易，而且可以跟踪每一次电力使用，并可以减少电力损失(技术/非技术)。

图4显示了基于DMIIoT的电力管理系统准备并发布协议，以交换确定数量的能源交易。在电源管理系统钱包中锁定一定数量的加密货币，并注册协议的各个方面。合适的发电机发现并解码来自电源管理中心的报价。是否接受这项协议将取决于电力管理系统提供的津贴数额。进行交易时，相关条件应与具体协议相匹配，并附有调整细则。随后，对事务数据进行加密并加载到区块链中。一旦基于网络的通信和微电网确认发生，它将被记录在区块链的节点中。然后等待共识时间，触发共识处理合同。最后对区块链内部的交易进行了验证和验证。当地电力市场的重点是工业，并旨在为家庭客户、商业和工业生产者、微电网、公用事业和输电运营商提供能源交换。

有各种各样的组织(如EnergyBazaar)正在致力于开发智能代理、基于人工智能的电力供需预测模型、针对印度等发展中国家的基于博弈论的激励模型。表1为区块链在SG系统中的各种电位。

建议的模型是根据以下性能指标来评估的:

• 负载平衡:通过PV输出来解决能源负载需求，或者根据需要从附近的节点进行能源交易。
• 能源管理成本:包括在购买时的能源交易成本，并在加密货币的帮助下进行实时结算。
• 传输延迟:能量负载从源节点转移到目的节点所花费的时间。

对传统SG系统和基于DMIIoT的SG系统进行了评价。我们在一个住宅区用区块链网络连接了10个节点。每个房子都连接到DMIIoT基于SG节点，并有一个用于光伏能源存储的电池，以供进一步使用。

图5a为五个节点之间的能源交易及能源价格的实时结算。节点的能量需求首先由光伏太阳能输出提供;之后，需要的能量从P2P网络的附近节点进行交易。每当能源需求增加时，就利用光伏产量进行管理，从而减少了SG的负担，也减少了能源供应的延迟。因此，即使需求闸门增加，能源流量也会最小化。因此，与独立的SG基础设施相比，提出的方法可以降低能源管理成本。

图5b显示了24小时的能量负载平衡。屋顶光伏太阳能电池板产生能量并供应给特定的住宅。以千瓦时为单位产生的能量是基于它从太阳获得的太阳能。

图5c显示了三个pv输出之间的比较。不同的太阳能电池板产生的能量是不同的，因为太阳能是从太阳接收的。它还取决于其他因素，如地理位置和天气条件，如多云和雨天天气影响太阳能电池板产生能量。

图5d显示了相对于添加到区块链的节点，以毫秒(msec)为单位的能量交易的平均传输延迟。随着能源交易请求数量的增加(来自不同的节点)，更多的节点加入到网络中，交易延迟也会增加，反之亦然。不过，与传统的SG系统相比，这种传输延迟可以忽略不计。由于区块链环境的不可变和安全，能源交易的延迟不会影响客户和能源数据的安全性和隐私性。使用区块链加密机制完全保护数据。因此，在基于DMIIoT的SG网络中，由于能量数据的高安全性，每个节点都提供了可靠的通信。

小节

随着物联网设备在制造业自动化和SG等工业应用中的指数级增长，工业物联网要满足设备生成的海量数据的安全性和私密性。传统的集中式模型需要一个可信的中介体来完成双方之间的事务，并产生单点故障问题。在本文中，我们研究了海量数据在工业物联网环境中的传播问题和挑战，并提出了一种基于区块链的分布式模型DMIIoT。此外，本文以SG系统为例，验证了所提出的分散模型。我们利用负载平衡、能量管理成本和传输延迟等参数，将DMIIoT与最先进的方法进行了比较。我们观察到，区块链避免了第三方的需求，提供了数据安全性，并实现了交易的实时结算。结果表明，与传统系统相比，基于区块链的DMIIoT减少了延迟。简而言之，我们将探讨基于区块链的工业物联网环境中的通信和可伸缩性方面。

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