面向云边聚合计算环境的区块链研究及应用

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在云边聚合计算场景下,边缘服务器部署的基站、路由器以及网关等设施都是可公开访问的基础设施,其安全性得不到保证,用户的隐私数据容易遭受巨大威胁,需要采取手段保障用户隐私安全。在边缘云中,由于需要为众多的边缘端设备提供支持,大量服务会被部署,从大量的服务中选择最优的服务组合方案是迫在眉睫的任务。而现有的云服务提供商难以承担用户的隐私保护责任,用户都不会实际拥有自己的数据,因此需要设计一种数据访问控制方案,保护用户数据不受非法访问和篡改。针对上述三个问题,本文以区块链技术为核心,在云边聚合计算环境下,对区块链技术和相关应用进行研究,主要工作包含以下几个方面:(1)为了解决云边聚合计算中隐私和安全问题,本文中提出了一种面向云边聚合计算的轻量化区块链LBlockchainE。考虑到边缘服务器资源的限制,提出了一种数据放置策略,将存储资源消耗作为影响参数,选择资源丰富的服务器进行优先存储,又考虑了服务器之间的访问延迟,并选择访问和存储成本最低的节点作为优先存储选择。LBlockchainE采用了权益证明机制的低能耗特性,通过少量竞争计算和节点资源确定记账权归属。实验结果表明,与以太坊相比,LBlockchainE消耗的能量更少,占用的存储空间也更少,数据传输时延减少了1.6%,电量消耗减少了 78%;与随机存储、最佳存储和最优数据存储策略相比,本文所提出的策略保持了相同的消息成本。(2)针对边缘云中服务组合存在的问题,提出了一种面向云边聚合计算的可信服务组合优化方案TSC-ECFA,利用捕食策略将具有相同输入和输出的服务划分为一类,减少组合的数量以寻找可行解。本文还对萤火虫算法的步长因子和吸引力公式进行了改进,以充分发挥算法前期对步长因子的检测能力,平衡局部搜索和全局搜索。紧接着考虑到服务的QoS属性值容易被篡改,应用区块链存储QoS属性值,保证QoS属性值的不可篡改和可靠性。最后,仿真实验比较了三种算法的迭代次数和优化情况。实验结果表明,TSC-ECFA的综合性能优于其他算法。(3)从云边聚合计算支持的场景中选取了医疗场景,针对其存在的问题进行了分析,提出了一种面向云边聚合计算的属性基加密方案CEC-ABE。该方案中在属性基加密阶段前加入了患者与医院的约定过程,通过加密算法保密传输诊疗时间、诊疗医生及其他诊疗信息,通过将上传的加密数据以交易记录的方式存储在区块链中,保证数据的完整性,又通过基于外包的密文策略的属性加密方案控制对电子健康记录的访问。最后,通过将CEC-ABE算法与现有的CP-ABE算法及其他算法进行实验测试,比较算法各个阶段的计算开销和各个角色的计算时延,整体的综合性能优于其他算法。(4)应用上述算法并构建了电子健康记录访问控制系统。从系统的需求分析出发,从整体架构上对电子健康记录访问控制系统进行设计和规划,并在需求分析部分分析了该系统应该具备的功能,在设计部分分别从医生的移动端、患者的移动端以及服务端给出了类图。其次,对系统涉及到的类以及接口进行逐一分析说明。最后,在系统实现部分,通过使用Android端开发技术来对医疗场景信息进行展示。
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