利用区块链技术在WiFi网络中应用

朱志辉 李海南 留巍

摘要：最近，区块链技术一直是跨越几个应用领域的大型研究工作的焦点。在无线网络中也已经提出使用区块链。在本文中，笔者将介绍有关区块链在无线接入网络中应用的现有文献。然后，重点将放在区块链的两个不同用途上：（1）应用区块链为无线接入网络提供匿名访问控制;（2）利用工作防护（阻断链的一个关键组件）作为避免拥塞的机制，在网络流量负载较高时替换指数回退。将严格研究区块链机制在上述两种情况中的应用。文中的分析表明，即使有几个技术问题尚待解决，区块链机制在无线接入网络中的应用前景十分广阔。

关键词：区块链;无线接入网络;身份验证;工作证明

中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0023-02

0 引言

比特币在金融市场上令人难以置信的表现决定了计算机科学家对其创始技术的兴趣：区块链。因此，在最近的过去，已经出现了大量的研究工作，提出在从物联网（IoT）到命名数据网络的广泛应用领域中使用区块链。在非常高的层次上，区块链可以被视为分散的分类账，因此可以用于存储和维护不可信方之间的交易，这些交易一旦在块中编码，就不能被修改[1]。

本文还提出了区块链机制在无线网络中的应用，这是本文的重点。实际上，本文的贡献如下：（1）我们对有关在无线网络中使用区块链的现有文献进行了重要概述。（2）我们描述和分析如何使用区块链在无线接入网络中实现匿名访问控制。

1 区块链技术的背景

区块链已成为今天流行的研究课题。它一直在由Nakamoto引用的作为加密货币机制。事实上，区块链允许改善经济交易的不变性，并通过分布式共识而不是依赖第三方权威来避免双重支出现象。随着时间的推移，这个概念已经扩展到更大的背景，因此交易现在不一定与加密货币的交换有关，而且与数据或需要验证和暂时订购的任何其他价值有关。

根据对等范例，区块链的核心操作由分布式实体（称为区块链网络的节点）执行。每个节点可以创建一个或多个包含多个事务的块。每个块包含一组具有相关时间戳的事务，先前验证的块的哈希指纹和标识符。块与其链中的前任之间的链接保证了区块链的不变性。在附加到链之前，必须通过称为矿工的特定节点执行的称为挖掘的操作在区块链网络本身内验证块[2，3]。

在我们的工作中利用区块链的特征如下：区块链中的交易是公开的和可验证的，同时它们是匿名。所有事务都包含在由所有参与节点存储的块中。这些街区密切相关。通过链接机制相互之间，因此，可以通过检查链与链中所有其他块的一致性来轻松验证块的有效性（以及它包含的事务）。然而，这种交易是匿名的，因为它们不是被称为涉及用户的真实身份，而是与区块链地址（它们是私人-公共密钥对的公共对应物并且代表用户的假名）相关。

2 区块链用于无线网络中的访问控制

在本节中，将描述无线网络中的访问控制问题的新方法。通过利用区块链，这种方法使用户免于泄露其身份的需要，保证给定用户确实存在且可靠，从而实现对网络资源的分散式匿名访问控制[4]。

2.1 动机和问题陈述

最流行的大型WiFi网络访问控制解决方案基于IEEE802.1x，它使用支持RADIUS和EAP协议的第三方认證服务器，如图1所示。即使不同的实现在交互图中可能存在细微差别在所有情况下，第一阶段创建用户和充当称为NAS（网络访问服务）的认证代理的接入点之间的关联。

身份验证从基于EAP-802.1x的初步阶段开始，在此阶段，客户端和接入点就要应用的安全和身份验证策略达成一致（图1）。在两个端点之间交换的消息的类型和数量取决于所选择的方法（例如，EAP-MD5，EAP-TLS，EAP-TTLS等）。为简单起见，我们将参考EAP-TLS方法。在此阶段期间，接入点充当客户端与RADIUS之间的中介，封装/隧道化数据包，然后将其转发到RADIUS。交换的消息包含与用户身份相关的信息，包括名称和密码，如图2所示。这些消息通过加密的TLS包发送，也就是说，上述信息对网络是隐藏的，但仍然可见。验证服务器[5]。因此，RADIUS服务器知道用户的身份以及他们的位置。此外，RADIUS服务器定期从接入点接收用户活动的摘要，并包括诸如标识信息，网络上的总时间以及进出用户的总流量等数据。

2.2 提出解决方案

我们建议使用Blockchain进行WiFi网络中的访问控制。在提议的方法中，我们考虑三个主要角色：网络提供商，用户和矿工。观察到所提出的方案的实现仅需要WiFi接入点和用户IEEE802.11无线接口的驱动器中的小软件更新以及用户在区块链中注册其钱包。

在我们的提案中，Miners执行他们在大多数区块链解决方案中执行的相同功能，因此，我们不会提供有关其操作的任何进一步信息。

3 结语

在本文中，我们分析了区块链技术在无线网络中的应用。更具体地说，在提供相关文献的概述后，我们将重点放在两个可能的应用上：使用区块链作为无线网络中匿名访问控制的机制，以及用工作量证明作为无线接入网络中用于拥塞避免的指数退避的替代。

我们的研究表明，总体而言，区块链技术在无线接入网络中的应用非常有用。事实上，它可用于以匿名方式管理对无线访问网络资源的访问，而无需部署复杂的身份验证基础结构。

与传统方法相比，糟糕的设计可能会导致更长的延迟和更高的能耗。实际上，一方面验证时间可能非常长，这延迟了节点可以访问无线资源的时刻。另一方面，为工作量证明执行的程序是计算密集型的，其涉及高能耗。然而，对于延迟问题，我们注意到区块链在延迟敏感的环境中的应用，例如通信和网络仍处于起步阶段，因此，我们预计技术将发展为显着减少块验证所需的时间。在这种情况下，文献[6]和[7]中描述了一些关于零确认交易概念的有趣活动，这些活动也可以应用于我们的场景中。

參考文献

[1] 赵亮，黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与设计，2005（09）：2552-2554.

[2] 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2004（06）：89-91.

[3] 袁荣.基于无线网络的区块链安全问题与解决策略研究[J].中国新通信，2018，20（08）：138.

[4] 刘永丹.基于区块链的网络空间安全技术[J].电子技术与软件工程，2017（20）：215-217.

[5] 周致成，李立新，李作辉.基于区块链技术的高效跨域认证方案[J].计算机应用，2018，38（02）：316-320+326.

[6] Rainer Sommer. Non-perturbative Heavy Quark Effective Theory： Introduction and Status[J]. Nuclear and Particle Physics Proceedings，2015：261-262.

[7] Courtois N T， Emirdag P， Nagy D A. Could Bitcoin Transactions Be 100x Faster？[C]// International Conference on Security & Cryptography.2016.

Abstract：Recently， blockchain technology has been the focus of large-scale research work across several application areas. The use of blockchains has also been proposed in wireless networks. In this article， the author will present an existing literature on the application of blockchains in wireless access networks. Then， the focus will be on two different uses of the blockchain： （1） the application blockchain provides anonymous access control for the wireless access network; and （2） the use of work protection （a key component of the blocking chain） as a avoidance The congestion mechanism replaces the exponential backoff when the network traffic load is high. The application of the blockchain mechanism in the above two cases will be strictly studied. The analysis in the paper shows that even if there are several technical problems to be solved， the application of blockchain mechanism in wireless access networks is very promising.

Key words：Blockchain; wireless access network; authentication; proof of work