第38卷第1期计算机仿真2021年1月文章编号:1006 - 9348(2021)01 -0277 - 05
吴斌，严建峰
(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州215006)
摘要：针对网络接入终端自身安全性较差，易被攻击等问题，提出基于区块链技术的分布式可信网络接入认证方法。根据区 块链技术，采用数据层、网络层、共识层以及合约层架构分布式网络框架，整合全部树结构特征的树形数据结构、P2P拓扑结 构、有向无环图共识结构以及设定自动执行脚本的智能合约，构建物联网分布式网络框架；将网络运营商设定分布式网络节 点，采用哈希函数将终端编号与密钥信息存储于本地文件中，利用树形结构遍历搜索，判别终端可信度，采用创建的匿名接 入算法，双向验证可信网络状态。仿真结果表明，所提方法可有效提升接人终端的安全性能，且接入时延较短。
关键词：区块链技术；物联网；有向无环图；智能合约；分布式网络
中图分类号:TP309 文献标识码：B
Distributed Trusted Network Access Authentication
Based on Blockchain Technology
WU Bin,YAN Jian-fen g
(S c h o o l o f Computer S c i e n c e and T e ch no lo gy,Soochow U n i v e r s i t y,J i a n g s u Suzhou215006, China)
A B S T R A C T：Due t o l o w s e c u r i t y o f n e t w o r k a c c e s s t e r m i n a l s,t h i s p a p e r p r e s e n t e d a d i s t r i b u t e d t r u s t w o r t h y n e t w o r k
a c c e s s a u t h e n t i c a t i o n method
b a s e d o n b l o
c k c h a i n t e c h n o l o g y.A c c o r
d i n g t o t h
e b l o c k c h a i n t e c h n o l o g y,t h e d i s t r i b u
t e d n e t w o r k f r a m e w o r k was c o n s t r u c t e d b y d a t a l a y e r,n e t w o r k l a y e r,c o n
s e n s u s l a y e r and c o n t r a c t l a y e r.F i r s t l y,t h e t r e e- s h a p e d d a t a s t r u c t u r e,P2P t o p o l o g y,c o n s e n s u s s t r u c t u r e o f d i r e c t e d a c y c l i c g r a p h i n a l l t r e e s t r u c t u r e f e a t u r e s w e r e i n t e g r a t e d w i t h t h e s m a r t c o n t r a c t s w i t h a u t o m a t i c s c r i p t t o b u i l d t h e I o T d i s t r i b u t e d n e t w o r k framework.Secondl y,t h e n e t w o r k o p e r a t o r s w e r e s e t a s t h e d i s t r i b u t e d n e t w o r k nodes,and Hash f u n c t i o n s w e r e a d o p t e d t o s t o r e t h e t e rm i n a l number and ke y i n f o r m a t i o n i n t h e l o c a l f i l e.Moreover,t h e t r a v e r s a l s e a r c h o f t r e e s t r u c t u r e was u s e d t o j u d g e t h e c r e d i b i l i t y o f t h e t e r m i n a l.F i n a l l y,t h e anonymous a c c e s s a l g o r i t h m was u s e d t o v e r i f y t h e t r u s t e d n e t w o r k s t a t e i n t w o ways.The s i m u l a t i o n r e s u l t s p r o v e t h a t t h e p r o p o s e d method c a n e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s e c u r i t y o f a c c e s s t e r m in a l s,an d t h e a c c e s s d e l a y i s s h o r t.
K E Y W O R D S：B l o c k c h a i n t e c h n o l o g y；I n t e r n e t o f t h i n g s (IoT)；D i r e c t e d a c y c l i c graph；S m a r t c o n t r a c t s；D i s t r i b ut e d n e t w o r k
i引言
计算机网络初期设计阶段缺乏隐私安全意识，导致现今 网络安全问题日益显著。因此，对可信网络的
十分重要。可 信网络通过网络接入控制措施，将终端~可信扩展至网络，最终使网络可信。可信网络的接入认证是通过控制网络内 不安全因素源头终端接入，令网络可信可控。区块链与物联 网均存在去中心化与分布式属性。其中，物联网僵尸网络的
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61572339)
收稿日期:2020- 06 - 01修回日期:2020-06-06形成是由于网络安全模型没有可靠的认证与共识机制，单点 不信任扩展成多点不信任，而区块链则可以完整地进行分布 式存储[2]。为此，相关研究人员对领域进行了大量的研究。
文献[3]针对电力物联网集中式接人认证方法的复杂计 算过程与通信压力，根据电力系统特点，采用区块链去中心 化特征，提出分布式认证方法，依据S H A M I R门限秘密共享 机制建立共识机制，利用接人终端认证组，使分布式认证新的终端，并对其行为进行记录。该方法可有效提高电力物联 网终端并发接人效率，但该方法操作过程中易受到外部干扰 因素影响，导致接人安全性不佳。文献[4]通过结合天地一 体化信息网络与分离网络控制面与数据面理念，设计接人认
—277—
证方法，优化网络安全防护性能，依据提取的接入点决策影 响因素特征，构建各因素求取公式，利用
逼近理想解排序法 与层次分析法，得到接人点决策算法。该方法对网络接人性 能的优化具有一定改善效果，但效果不明显。
基于上述问题的存在，提出一种分布式可信网络接入认 证方法。通过分布式网络框架中架构的树形数据结构，快速 归纳与校验大规模数据的完整性，利用有向无环图结构，提升业务吞吐量，在区块链上自动执行智能合约，实现全网节 点的同步运行，完成了分布式可信网络接入认证方法。与传 统方法相比，所提方法的接人认证安全性能较高，且网络吞 吐量较大，具有一定可行性。
2区块链技术下分布式网络的构建
根据区块链技术的界定原理[5]，采用数据层、网络层、共 识层以及合约层架构分布式网络框架。区块链结构如图1所示。
前一区块
哈希
时间戮瓊度目标前一区块
哈希
时间截《度目标
«(-区块
哈希
前一区块
哈希
时间截 瓊度目标图1区块链结构示意图
2.1数据层
为快速归纳与校验大规模数据的完整性，架构具有全部 树结构特征的树形数据结构，架构步骤为：
步骤1：利用哈希值加密算法SHA256[6]双重计算网络 数据，即
Nodeo i= SHA256(SHA256(Data o i)) (1)式中，i= l，2,3,4。
步骤2：获取双重SHA256运算串联的相邻哈希块；
步骤3：递归第二步骤，待顶部仅剩一个结点时终止操作；
步骤t返回树形结构根哈希。
当存储的叶子节点数据发生变化时，由父节点改变根节 点的哈希值。分布式网络用户信息需不断更新，故以该树形 结构为组织形式，将用户置于创世区块中。树形结构如图2所示。
2.2网络层
作为分布式网络框架的基础部分，将网络层架构为P2P 的拓扑结构，利用Gossip协议[7]实现节点之间的互相通信，若消息始发节点需更新到其它节点，利用任意选取的几个临 近节点发送消息，接收消息的节点重复始发节点操作，直到 消息覆盖所有节点。节点更新过程如图3所示。
2.3共识层
共识层为区块链核心部分，其依据预先协商的规则，明
图2树形结构示意图
@■--0……-
«T»((r»
图3节点更新过程
确区块链每个节点之间的分布式记录流程，当各节点数据结 果达成共识后，确保分布式形式的一致性与可靠性。共识层 利用有向无环图结构，将接入认证作为粒度，满足各用户与 区块链—对应，提升业务吞吐量。其运行原理如图4 所示：
2.4合约层
该层由计算机程序语言编写智能合约[8]，其能够在区块 链上自动执行的合同条款。区块链网络中所有节点上均分 布存储合约代码，且可实现全网节点同步运行。因合约具有 去中心化、不可篡改以及透明可信等优势，任何节点问题、机 构或个人均无法干扰合约程序的正常运行。其运行机制如 图5所示。
3分布式可信网络接入认证
3.1区块链可信认证匿名接入算法设计
物联网分布式网络在接人认证时，用户多采用匿名认证
—278
—
图4共识层运行原理
图5智能合约运行机制示意图
形式。因此，创建一种匿名接入算法。将网络运营商设定分 布式网络节点，采用哈希函数将终端编号与密钥信息存储于 本地文件中。当终端申请区块向终端编号发出信号时，运营 商节点通过树形结构进行遍历搜索，判别终端可信度。若哈 希函数不匹配，则网络属于非法状态，禁止接入；反之，若网 络为可信状态，应将R S A非对称加解密体系作为认证方法的构建条件，采用匿名接入算法，进行双向验证。匿名认证 算法流程如图6所示。
用户终端 运营商节点
编号哈希值
+密钥材料
应答信号+
证书
<—验证结果—►本地酿本数据库
匿名接入算
法认证阶段
图6匿名认证算法流程示意图
证书发放机构C A选取R SA[9]模型，即
n = pq(2)式中，保密素数分别是/>W。
假定m是证明者/?要证明的消息，与r i互素，且满足1
矣_ 1，则证明者/?的公钥计算公式为
六小龄童体
v =m2(mod n)(3)
证明者/U壬选一个数值r，满足1- 1，则发送给验
证者P的证据x表达式为净利润怎么算
x ^r2(mod n)(4)
若证明者接收到一个取值为0或者1的随机比特e，该比特由验证者P发出，通过本地执行计算公式，可分别求
解出不同比特值，证明者或验证者/^的公钥运算结果，即
y2 =(mod n)(5)
当e=0时,y= r；当 e= l 时，y E r m(mod n)。
证明者f i将计算结果发送到验证者P，经验证者P比较
判定，如果双方数值相同，则证明者K的证明消息通过验证。
验证者P至少要执行三次本地计算，确保验证结果，实现网
络接人。在证明者合法的前提下，获取匹配一致的最终运算 结果，将实际网络编码引人终端计算参数。
设定m是应保密的网络实际编号，鉴权阶段与网络编号 哈希函数的区块密钥材料分别为y和/>，y，其分别表示验证
公钥，p表示运算参数。
假设z与y匹配的私钥，则生产商利用私钥*与任意数 g构成的公钥为
■y-g'm o A{p)(6)式中，g,* </>。
生产商将编号m分成a、6两部分，下式分别为m的拆 分关系式与〇部分表达式，即
m = (xa + kb)mod(p - 1)(7)
a = g^modip)(8)
其中，1名A：矣p- 2，且满足gcd(f c,p- 1) = 1。
终端发送a、6两部分，向运营商申请节点验证，运营商
节点与终端通过计算/ak mod(p)与gmmod(p)值，判定两数 值是否匹配。
代入各关系，得到下列等式验证表达式
y°ai mod(p)=
=gM+t i mod(p)= gmmod(p)(9)将公钥与加密消息划分为并列模式，防止重复时延，降 低通信与运算资源开销，提升接人认证性能。
3.2可信网络接入认证实现
物联网实体的主要功能是实现数据的转发与存储,MME (M o b i l i t y Management E n t i t y，移动管理实体）与 U E(User E-quipment，用户终端）之间的运行过程是用户终端与网络的鉴 权[1°]阶段，网络中存储用户身份数据的实体为H S S(Home S u b s c r i b e r S e r v e r，归属签约用户服务器），可以与M M E直接 通信。
认证策略大致由两部分构成：从H S S到M M E发送EPS
—279
—杨幂疑似怀双胞胎
物联网接人认证方法
-体化网络接人认证方法
迭代次数/次
4
6
8
迭代次数/次
图7不同方法网络吞吐置对比
分析图7可以看出，在相同实验条件下，采用三种方法
接人网络吞吐量存在一定差异。其中，所提方法的网络吞吐 量总体高于其它两种方法，其网络吞吐量最高可达约99
Mpa ；其它两种方法的网络吞吐量最髙分别约为69 Mpa 和
49 Mpa ，相比之下所提方法的网络吞吐能力更强，具有一定 可靠性。
4.4.2不同方法接人验证的准确度分析
为了验证所提方法接人的安全性能，实验分析了物联网
接人认证方法以及一体化网络接人认证方法接入的准确度, 实验结果如图8所不。
请。在运营商节点进行一次合法验证时，将日志同步到另一 个运营商节点上。设定待认证终端节点中有12个合法节
点，另
外2个属于干扰节点。以网络吞吐量、接人验证的准
确度以及接入验证的时延为仿真指标，对比所提方法以及传 统方法的接人认证方法性能。
4.4仿真结果分析
4.4.1不同方法网络吞吐量分析
为了验证所提方法的可靠性，实验分析了所提方法、物
联网接入认证方法以及一体化网络接人认证方法的网络吞
吐量
，其中，网络吞吐量越大代表该方法性能越好。仿真结
果如图7所示。
认证矢量；M M E
与
U E
之间的协商密钥。实现流程描述
张瑞希的老公如下：
1)
U E
发送附着请求给M M E ，请求信息含有网络身份编 号 IMSI ( I n t e r n a t i o n a l M o b i l e S u b s c r i b e r I d e n t i f i c a t i o n Number , 国际移动用户识别码）与注册H S S 编号ID h ss;
2) M M E 验证编号ID hss ，发送IMSI 给相应的HSS ;3) 接收消息后，H S S 验证
IMSI 是否合法，如果通过验 证，架构含有随机数R A N D 、认证令牌A U T N 的认证矢量集
合
A V
，将其作为应答数据，由H S S 发回至M M E ;
4) 接收H S S 的鉴权矢量集合后,M M E 进行本地存储，从 中任选一组随机矢量4以；），获得随机数R 4A ®(;)、认证令
牌
M
77V (i )以及心m
⑴等信息，将密钥标识⑴分
配给心S w (i )，发送认证请求至现；
5) 根据⑴内的M 4C 数据，推算出Z M 4C 。通 过判定M 4C 与X A M C 数值是否一致、序列号S C W 是否在允 许范围中，验证待接人网络。如果认证合格，求
解与
，发送 ⑴至
6)
经过对比接收M S
( i )与#( i )中的X /?£S ( 〇 ，若数值
相等，则认证通过，允许网络接人。
4仿真分析
4.1仿真环境
为了验证所提方法的科学有效性，进行仿真分析。实验 在
M A T L A B 平台上进行，操作系统为W I N D O W S X P
系统，其
运行内存为8G B ,C P U 为3. 6 GHz 。
4.2仿真参数
仿真参数如表1所示。
表1
仿真参数
参数取值网络实际编号m
5素数p 10随机数值g
2系数k 8私钥X 7公钥y 2网络a 部分5网络b 部分
2
4.3仿真方案
构建16个节点的物联网区块链分布式拓扑结构，设置
待认证终端节点有14个，运营商节点2个。仿真限定节点 数量为两个。依据链码设定
IP
访问序列，待认证终端节点
按序向两个运营商节点提出申请，如果运营商节点繁忙，忽 略所提申请，拒绝应答消息发回申请节点，则该申请节点缓 存所提申请，对下一运营商节点提出请求；如果两个运营商 节点均繁忙，待认证节点将在一定时间内再次按序发出申
60
,
40,
%/M 番
把 Y m
100
80604020
县、
—
280 —
图8
节约粮食手抄报图片
不同方法接入验证准确度对比
分析图8可以看出，采用三种方法接人验证的准确度不相同。其中，采用所提方法的接人验证的准确度最高可达约90 %，而其它两种方法的接入验证准确度远低于所提方法。这是由于所提方法将网络运营商设定分布式网络节点，采用哈希函数将终端编号与密钥信息存储于本地文件中。当终端申请区块向终端编号发出信号时，运营商节点通过树形结构进行遍历搜索，判别终端可信度。由此提高了所提方法接人验证的准确度。
4.4.3不同方法接人的时延分析
为了进一步验证所提方法的可行性，实验分析了三种方法接入时的时延，其中，时延越短代表接人响应越快。实验结果如表2所示。
表2不同方法接入时延分析（s)
迭代次数
/次所提
方法
物联网接入
认证方法
一体化网络
接入认证方法
22.1 4.2 4.9
4 2.2 5.2 5.4
62.1 4.8 5.6
82.1 6.27.6
10 2.37.5 6.9
122.1 6.97.9分析表2中数据可知，随着迭代次数的增加，三种方法的接入时延随之改变。其中，所提方法的接入时延最短为2.1s，物联网接入认证方法的接入时延最短为 4.2s,—体化网络接人认证方法接人时延最短为4.9s，相比之下所提方法的时延分别缩短了 2. 1 S和 2. 8s。验证了所提方法的科学
有效性。
5结束语
以防范为主的网络接入机制比较被动，抵御变种病毒与木马攻击时并发性较差，且多数攻击事件均因接入终端安全性较差等导致，为此从接入终端的安全问题出发，以区块链技术为背景，提出分布式可信网络接人认证方法。通过与传统接入方法对比得到以下结论：
1)所提方法接入后网络吞吐量最高可达99Mpa，验证了所提方法的综合有效性。
2) 所提方法接人验证的准确度最高可达约90 % ，高于
传统方法的接入验证准确度，验证了所提方法的安全性能
较好。
3) 所提方法的接人时延最短为2.1 s，与传统方法相比
接人较快，具有一定可行性。
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f[作者简介]吴斌（1993 -)，男（汉族），江苏江阴人，硕士研
究生，研究方向：区块链。
严建峰（1978 -)，男（汉族），江苏昆山人，博士，副
教授，研究方向：区块链、大数据。
—281—
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