面向物联数据共享的认证与激励机制

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随着物联网的快速发展,社会数字化水平不断提升。由于各行各业管理、系统、网络的割裂,物联网系统呈现出烟囱式、条块状的特点,形成了数据孤岛,难以满足未来共享化、智能化的数字社会发展需求。通过物联数据共享打破数据孤岛,实现数据在终端、业务、系统之间的高效可信交换,是数字社会发展的必然。与传统单一系统内部的数据共享不同,多方之间的数据共享缺乏信任基础和参与动机,如何实现多方之间数据可信共享,提高各方参与数据共享的积极性成为实现物联数据共享需要解决的关键问题。认证机制和激励机制作为物联数据共享中安全可信和主动参与的基础,具有重要的研究意义。然而,由于物联数据共享的多方合作、各自分散、隐私敏感等特点,现有的认证与激励机制难以直接适用该场景。针对认证机制研究,由于物联数据共享涉及多方之间的合作,传统的中心化机制难以提供多方可信的认证服务,亟需设计多中心的认证机制,为物联数据共享提供安全可信支持;针对激励机制研究,物联数据共享作为新兴业态,对这一场景的机制设计目前仍缺乏针对性的市场建模和效益分析,亟需展开激励机制研究,促进各方参与到物联数据共享生态中。因此,本文针对物联数据共享中认证和激励机制存在的问题,提出了多方合作场景下物联数据终端跨域认证机制和物联共享数据访问控制机制,实现多中心的数据来源可信准入和数据访问权限控制;提出了物联数据收集激励机制和数据分发激励机制,提升各方参与数据共享的积极性。论文主要的创新性内容如下。(1)针对物联数据共享场景下多方可信的认证服务缺乏问题,提出了基于联盟链的物联数据终端跨域认证机制,为跨域的数据互通提供了可信基石。结合边缘计算技术,构建了云、边缘、终端三层构成的跨域认证模型,通过联盟链实现了多个域之间的身份信息可信互通,利用边缘网关实现身份信息的本地匿名化处理和高效传递,在跨域可信高效认证的同时避免了物联终端的身份泄露。同时,基于椭圆曲线加密算法设计了跨域认证机制,进一步提高了物联网的认证服务效率。理论分析和仿真实验表明所提机制可以实现安全可信的认证,并减少了跨域认证过程的通信和计算开销。(2)针对物联数据共享场景下,传统云端访问控制机制的中心化风险、运算量过大等问题,提出了多中心、可外包的访问控制机制,实现了轻量级的共享数据访问可控,进一步提高了物联数据共享的安全性。首先构建基于区块链的物联数据访问控制模型,同时设计基于属性的多中心加解密机制,实现多中心的访问控制策略支持。在此基础上,通过对访问控制策略的混淆处理,将物联数据收发双方的数据加解密运算外包到云或边缘执行,减轻物联网终端的计算负担。理论分析和仿真实验表明所提机制可满足物联网多方协作访问控制的安全性需求,可显著降低数据共享过程中物联网终端的加解密开销。(3)针对物联数据共享场景下,数据需求日益丰富,传统面向单一需求的激励机制难以适应多需求场景的问题,提出了多需求市场下的物联数据收集激励机制,分布式地实现了物联数据收集的任务调度及定价,提升了数据收集效益。首先构建了由多个数据需求方、多个数据收集方和交易平台共同组成的数据收集市场,分析各方效益并引入社会福利概念,将激励问题建模为社会福利最大化问题。针对物联网本身的分布广泛和隐私敏感特点,避免平台中心化调度,将全局最优化问题对偶分解为需求方、收集方、平台各自的局部最优化问题,并基于梯度下降算法进行分布式求解,为数据收集提供任务调度、数据定价的机制支持。仿真实验表明所提机制能以较少的迭代次数达到市场均衡,实现社会福利最大化、供需及价格稳定的激励目标。(4)针对物联数据共享场景下,数据分发资源不足,难以满足海量即时性数据请求的问题,提出了基于逆向拍卖的物联数据分发激励机制,通过激励机制使网络边缘资源提供闲置带宽及缓存,加速物联数据分发,减轻网络负担。首先对资源租赁过程进行建模,分析数据服务商和网络接入点双方的效用,构建逆向拍卖模型。综合接入点的网络覆盖能力、持有资源、报价等信息估算接入点的性价比,基于贪心算法构建接入点选择机制。在此基础上,设计接入点的激励机制,在保证激励相容、个体理性的前提下最大化数据服务商的利益。仿真实验表明所提机制具有比传统贪心算法更好的资源利用和更高的数据分发收益,提高了数据服务商的效益。
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