基于私有区块链技术的校园消防安全新管理模式的研究和实践

发布时间：2020-09-28 16:21

　　我国各大高校学生数量众多、人员密度大,近几年来,由于消防管理体系的不完善,校园火灾事故频频发生,各高校没有严格按《高等院校消防安全管理规定》实施,其原因主要有以下三点:1)由于消防安全管理责任重大,高校各个部门间处于弱信任,如各二级单位主体责任没到位,与保卫消防部门的监管信任关系不强;2)高校消防数据没有形成二级单位间的互联、互通,导致各部门在消防工作中形成数据孤岛,很难充分发挥作用;3)高校二级单位与保卫消防部门之间没有形成快速有效监督的模式,各个二级单位的消防数据可信度不高,导致校园消防无法快速有效的进行预警。针对以上问题,本文提出全新的基于私有区块链技术的校园消防安全管理模式(Campus Fire Management Model based on Private Blockchain,CFMM-PBC),采用私有区块链架构来生成和存储各种消防数据,为高校消防相关部门提供安全不可篡改的消防数据,且信息可全程追溯。针对消防管理的高效率查询需求,设计了基于MPT(Merkle Patricia Tree)上的消防数据存储结构,提高了CFMM-PBC的查找效率同时保证查询结果的高准确性。以PBFT作为CFMM-PBC的共识机制的基础,改进设计了消防安全管理的区块生成协议、一致性协议以及视图切换请求与策略、垃圾回收机制,提高了CFMM-PBC共识机制中的共识效率,解决了CFMM-PBC中不同部门之间的信任问题。本文搭建了基于私有区块链环境,将以上模型应用于消防安全管理中,实验表明,改进的方法能够实现低通信的开销、满足区块生成的延迟和吞吐量的要求以及支持毫秒查询时间,且CFMM-PBC可以实现部门与部门之间强信任、数据互通互信、相互监督的模式,从而解决了相关的问题。对于上级部门的动态监管,还有待管理模型的进一步改善。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP311.13;G647.4
【部分图文】：

架构图,区块,架构,哈希算法

链技术的相关概念本质上是一个对等网络（peer-to-peer）的分布式账本数串链接的数据区块，其链接指针是运用密码学哈希算法的区块头部哈希值[23]。区块链中的每个区块中都会包含据，该数据是通过哈希算法得到的，这样可以保证该交整的区块链系统包含许多方面的技术，其中存储数据的字签名、时间戳技术、P2P 网络通信协议以及共识机制拜占庭容错机制，有比特币钱包和匿名交易机制[24]。正得区块链可以在无中心的网络中得以运转不息，并为区接以及验证等功能提供了动力[25]。的基础架构主要有三层：网络层、数据层、应用层[26]，

过程图,拜占庭,过程

图 2.2 拜占庭共识过程拜占庭容错协议允许网络检测任意形式的恶意节点的行为，而有问题量少于节点总数的三分之一，则所有工作节点还可以达成共识，保证运行。即 < /3，其中是受损节点的数量，是网络中节点的总数量Castro 和 Liskov[36]在 1999 年第一次提出了实用拜占庭容错系统 PB了拜占庭协议的运行复杂度，从指数级别降低到多项式级别，Hyper链[37]技术也应用了该 PBFT 共识机制，Hyperledger 项目主要是研究关账本管理方向, Hyperledger 包括三大组件：区块链（Blockchain）、aincode）、成员权限管理（Membership）。首先，PBFT 共识机制为分各节点的共识问题提供了很好的解决方案，尤其对于私有区块链，因块链中节点数量较少、节点的出错率比较低且节点的可行性高。其次，机制中，如果发生拜占庭问题，需要通过大量的网络通信开销。 Merkle 哈希树1 Merkle 哈希树

哈希,区块

图 2.3 Merkle 哈希树区块链中的 Merkle 树，是一种二叉树，用于存储交易信息，每个交易两两配对，构成 Merkle 树的叶子节点，进而生成整个 Merkle 树。Merkle 树使得用户可以通过从区块头得到的 Merkle 树根和别的用户所提供的中间哈希值列表去验证某个交易是否包含在区块中。提供中间哈希值的用户并不需要是可信的，因为伪造区块头的代价很高，而中间哈希值如果伪造的话会导致验证失败[39]。如图 2.3，为验证区块中包含数据块 003 所对应的交易，除了 Merkle 树根外，用户只需要节点 A 对应的哈希值 Hash(C,D)以及节点 F 对应的哈希值 Hash(004)除了数据块 003 外，他并不需要其他数据块所对应的交易明细。通过三次哈希计算，用户就可以确认数据块 003 所对应的交易是否包含在区块中。实际上，若区块包含图 2.3 所对应的 Merkle 树，且区块所包含的 4 个交易的容量均达到最大值，下载整个区块可能需要超过 400000 个字节，而下载两个哈希值加上区块头部仅仅需要 120 个字节，就此例子而言，可以减少数据的大量传输。2.3.2 哈希算法

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