高焜，刘泽辉，高伟，等．一种基于区块链的MQTT协议优化算法[J]．电力信息与通信技术，2024，22(5)：10-16．
GAO Kun, LIU Zehui, GAO Wei，et al．A blockchain-based MQTT protocol optimization algorithm[J]．Electric Power Information and Communication Technology，2024，22(5)：10-16(in Chinese)．
研究背景
近年来，物联网技术在众多领域得到了广泛应用，尤其是在工业领域，大量传感器、控制器等基础设施通过网络互连互通，将物理世界与信息世界成功联通，使得物联网技术得到深入发展。在物联网技术中应用最为广泛的通信协议是消息队列遥测传输(message queue telemetry transmission，MQTT)协议。然而，MQTT协议本身只提供了一种非常简单的安全模型，协议本身除了用户名密码的身份认证方式之外并未内置其他任何安全方案，在边端接入用户量不断增加的同时，在安全和隐私方面面临严峻的问题。
主要创新点
1）本文将MQTT通信协议与区块链技术相结合，通过MQTT协议的发布-订阅模式实现实时通信，保证设备之间数据的高效传输。在通信过程中，每个发布的数据都会生成一个新的数据区块，并提交到区块链网络中进行存储，同时，为了确保区块链网络中的数据一致性和可信度，本方案还采用了实用拜占庭容错算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)作为共识机制。最后，对接收到的数据进行验证，以保证其完整性和准确性。2）在本方案区块链网络的设计实现过程中，为了实现区块链的功能，需要设计特定的MQTT主题，主题的设计示例如表1所示。当broker向主节点发出区块链写入请求时，消息头中的请求用于接收共识完成后的结果确认，请求中标识来源于主题标识。区块链写入请求示例如图1所示。3）为了验证基于区块链技术的改进MQTT协议数据传输的实时性与准确性，在服务器上搭建了测试环境MQTT Broker，2台测试物联网网关向Broker发送数据，发送的数据按照要求的数据格式。4）实验数据的发布按照MQTT协议消息发布的服务质量QoS=1进行设计。在服务器运行正常后，分别对优化前后的MQTT协议进行测试。首先测试客户端接收到消息的响应时间，并在不同消息量的情况下多次测试，查看性能变化，结果比较如表2所示，在4次测试中，将每次发送报文的数据量逐一增大，由表2的结果可以看出优化后的响应时间比优化前有了明显降低，降幅约为22%。本文针对传统物联网协议中关键数据被伪造或篡改的安全问题，提出了一种基于区块链的MQTT协议优化算法。因为区块链具有不可篡改的特性，本文提出了将物联网中的边端设备和broker网关作为节点建立区块链网络的方案，在数据传输时由网关将数据同步写入区块链中，保障broker中存储数据的真实性和完整性。通过仿真实验证明，该方案的响应时间较低，并且具有较高的数据传输率，在硬件性能较低或网络信号不稳定时，能够保障实时数据的传输，提供可靠的技术支撑。
高焜(2000)，男，硕士研究生，研究方向为物联网、人工智能、大数据等。 刘泽辉(1990)，男，高级工程师，从事电子与通信工程相关研究工作。 高伟(1981)，男，高级工程师，从事电子与通信工程相关研究工作。 张雨柔(2000)，女，硕士研究生，研究方向为人工智能、云计算、大数据。 赵勇彪(1998)，男，硕士研究生，研究方向为智慧巡检、大数据、人工智能。 琚贇(1982)，男，副教授，通信作者，从事云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、信息安全等方面的研究工作，50501482@ncepu. edu.cn。
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