巴比特专栏 | 浅析区块链和星际文件系统在无线专网中的应用

目前区块链技术在通信行业的应用研究主要集中于基于运营商现有通信网络架构下,如何通过引入区块链技术寻找新的解决方案,以此来解决未来万物互联时代通信网络所面临的大数据量业务的接入、传输和数据安全的问题。基于这个大背景,“区块链+通信”领域催生出很多应用场景,包括:网络带宽和传输速率提升、传输信道安全、个人隐私保护、网络抗干扰、网络参与方(互联网服务提供商、运营商和用户)多方互信机制以及平等参与网络的建立等

上述的研究都是基于公共通信网络展开的,在这里介绍区块链和星际文件系统(IPFS)在无线专网里的应用。

首先,无线专网是为公共安全、应急和军事等特定行业或群体提供的一种无线的、安全可靠的专业通信网络,该网络一般与我们所熟知的公共移动通信网络是不一样,它们彼此独立又互为补充,无线专网可以理解为一个私有网络。其中,以无线自组网技术为基础构建的无线自组织网络作为无线专网类型之一,目前最为流行。

无线自组织网络,又称MESH网络,它依靠无线自组网协议(包括数据传输算法、无线自组网MAC层协议和无线自组网路由协议等)实现自动、自适应、动态可扩展的实时多跳组网通信,无需人工干预,任意拓扑组网,具有部署简单、传输速率高、时延低等特点,可以实现基于网络IP的音视频和数据业务的透传,同时也自带终端功能,支持音视频外设的直接接入。

无线自组织网络里的每个节点即可以作为接收端用于数据的接收,也可以作为是发送端用于数据转发,任何一个节点都可以作为无线网络中的固定接入点和路由器。无线自组织网络里没有严格意义上的集中控制节点,节点之间都是平等的,因此无线自组织网络本质是一个去中心化的无线通信网络。

无线自组织网络的组网模式分为:网状网、星型网和线型网,如下图所示:



网状网中每个节点根据协议自由选择接入节点,从而形成一个网状网络,网络里面的每个节点根据网络IP进行互联互通,每个节点都是完全独立平等的。如果一个新节点加入网络或者一个节点退出网络,那么网络在线节点会根据现场实际情况重现选择接入节点,网络重新收敛并形成一个新的网状网,收敛完成后网络里的每个节点又重新互联互通。网状网的组网模式跟比特币、以太坊这样的完全去中心化的公有链网络架构一样

星型网和线型网都存在一个骨干节点,前者是非骨干节点都只接入骨干节点,从而形成一个星型结构;后者是非骨干节点根据现场环境既可以接入骨干节点,也可以非骨干节点,从而形成一个线性网格网状结构。在这两种网络类型结构中,骨干节点并不是所谓的控制节点,仅仅作为网络固定的接入点,以便按照设定好的网络规划进行组网。一旦网络固定后,每个节点仍是平等的,节点之间仍按照网络IP地址来交换数据。由于骨干节点决定了非骨干节点的接入,那么在网络管理权限方面自然要高于非骨干节点,那么星型网和线型网的组网模式跟区块链中的私有链网络架构一样

无线自组织网络的协议约束了在星型网或线型网模式下只能有一个骨干节点,但是我们可以把单个无线自组织网络看成一个独立的子网,子网与子网之间借助无线桥接网关结合起来,从而形成一个更大的无线自组织网络,如下图所示:



同样各个子网可以通过接入IP骨干网(专用IP网,互联网,公众移动通信网络)实现互联互通。

在这个更大的无线自组织网络里可以存在若干个骨干节点,不同骨干节点之间通过无线桥接网关实现数据互通,而每个骨干节点下面的非骨干节点之间,以及不同骨干节点下面的非骨干节点之间都可以通过网关以及自身所属的骨干节点实现互联互通,那么这种组网模式跟区块链中联盟链网络架构其实是一致的。

从前面的介绍我们可以看出,无线自组织网络可以部署成完全去中心化的无线网络,也可以部署成弱中心化的无线网络,还可以部署成完全私有化的无线网络。

无线自组织网络提供了数据传输通道,那么如何保证数据传输的安全以及数据的有效存储呢?这就可以借助区块链和星际文件系统(IPFS)。我们知道区块链是一种去中心化的分布式基础架构与计算方式,它可以保证链上数据的安全,但缺点是不擅长大数据量资源的存储,因为数据量太大了会影响共识效率以及区块链访问效率,而IPFS协议是一种基于内容寻址的、分布式去中心化的、新型超媒体传输协议,简单说就是一种去中心化的数据存储协议,其特点就是下载速度快、数据存储成本低、分布式特性和加密算法使得数据存储更加安全,因此由IPFS协议搭建的IPFS网络更擅长大数据量资源的安全存储。

那么无线自组织网络是否可以跟区块链网络和IPFS网络组成一个融合网络呢?答案是确定的。

无线自组织网络组网成功后,网络里的每个节点都是基于网络IP地址透明的传输数据,抛开底层复杂的无线自组织网络协议,其实每个节点都可以看成是接入互联网的电脑,那么我们可以在无线自组织网络的节点上部署区块链协议,将这些节点组成区块链网络;同样也可以在节点上部署IPFS协议,将这些节点组成IPFS网络。那么同样一个节点,既可以作为无线自组织网络中节点,也可以作为区块链网络中的节点,还可以作为IPFS网络中的节点,无线自组织网络协议、区块链网络协议和IPFS协议互不干扰,从而实现在相同的硬件条件下,同时虚拟出三张不同的网络,如下图所示:



区块链网络和IPFS网络是基于无线自组织网络基础之上的,因为数据的收发都是通过无线自组织网络的二层透传实现的。

传统的无线自组织网络都是传输视频、音频和文本等多媒体数据,数据类型多、数据量大,而且数据都是回传到后端的存储服务器进行存储,这种存储模式实质就是一种中心化的存储方式,它会造成存储数据的丢失或被篡改,特别是无线专网传输的数据都是比较敏感的数据,中心化的存储方式对敏感数据的存储缺乏安全性,而存储的敏感数据本身也无法确保真实性。即使采用多备份存储方法,只要存在唯一的一个中心来管理数据存储,那么都无法确保备份数据的真实性,同时多备份存储方法需要投入大量的存储成本。

鉴于上述无线专网存在的问题,我们可以设计一个多协议融合网络,借助区块链网络的去中心化和数据防篡改特点,以及IPFS网络的分布式加密存储的特点来确保无线专网内数据的安全存储。

首先要建成功建立无线自组织网络,这个网络是整个多协议融合网络的基础;

接着在此基础上分别搭建区块链网络和IPFS网络;

在无线自组织网络、区块链网络和IPFS网络之间通过一个多协议融合网络网关来实现数据的交互;

无线自组织网络采集的原始数据根据需求组装成区块链数据或者IPFS数据,然后根据多协议融合网络网关分别发送给区块链网络或IPFS网络;

在这个多协议融合网络中,每个节点既在本地保存区块链数据,也在本地保存IPFS的分片加密数据。

那么这个多协议融合网络是怎么存储无线自组织网络采集的数据呢?常用的方法是:将数据存入IPFS网络,IPFS网络会返回数据的存储地址,然后将这个存储地址存入区块链。如果为了确保数据不会在IPFS网络里被篡改,可以使用哈希算法对数据进行加密,得到数据摘要,然后将原始数据和摘要一起送入IPFS网络。那么怎么从这个多协议融合网络中读取存储的数据呢?只需要采用上述方法的反向操作,即先从区块链网络里读取数据存储地址,然后根据这个地址从IPFS网络中读取数据,如果数据是经过加密后存入IPFS网络,那么可以将读出的数据再次进行哈希计算得到新的摘要,跟存储的旧摘要进行比对,比对一致则说明存储的数据没有被篡改,是可信的。

无线自组织网络的特点除了组成一个无线多跳的网络之外,最大的特点就是移动中的灵活组网,意思就是节点并不一定要固定在某个位置,而是可以部署在车辆上作为车载节点,也可以由人员携带作为便携节点,那么无线自组织网络里的每个节点都有可能随着车辆或人的移动而随时移动,那么这个网络的拓扑结构其实也是随时可能变化的,不管拓扑怎么变化,只要节点仍在线,那么数据仍然可以在区块链网络和IPFS网络里正常存储。如果因为环境原因造成节点脱网,只要节点再次接入无线自组织网络,那么就会自动触发接入区块链网络和IPFS网络,同时不同网络的数据也会自动同步到节点本地。

可以说,无线自组织网络完全可以作为区块链网络和IPFS网络的延申,为区块链的发展提供新的思路。

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