基于区块链的、自适应关键性判断的物联网固件更新分发框架，用于实现可持续发展的智慧城市

《Journal of Industrial Information Integration》：Blockchain-Enabled Adaptive Criticality-Based IoT Firmware Update Distribution Framework for Sustainable Smart Cities

本研究提出一种区块链支持的智能固件更新框架，采用Merkle树分块技术确保数据完整性，结合自适应关键性分发算法和去中心化P2P存储，解决传统中心化固件更新存在的单点故障、安全漏洞及动态环境适应性问题，并通过实验验证其高效性和安全性。

　　随着物联网（IoT）技术的迅速发展，城市正逐渐演变为高度互联的生态系统，这为“智慧城市”的构建提供了坚实的基础。智慧城市利用物联网技术优化城市管理，涵盖公共安全、医疗健康、交通控制和能源共享等多个领域。这种智能化转型不仅提升了城市的可持续性，还改善了居民的生活质量。然而，随着物联网设备数量的激增，其安全性和可扩展性问题也日益凸显。据预测，到2030年，连接设备的数量将从2021年的约100.7亿增长至超过254.4亿，而到2050年，物联网预计将支持全球70%以上的人口。这一指数级增长强调了建立高效、安全和可扩展的物联网设备管理机制的迫切需求，尤其是在安全固件更新方面。

传统的固件更新机制通常依赖于集中式服务器，这导致了一系列安全隐患，如单点故障、未经授权的访问、固件篡改和恶意软件传播。集中式模型假设存在一个可信的中央权威，但一旦该权威受到攻击或被操控，整个更新过程的安全性将受到严重威胁。此外，当制造商因某些原因停止运营时，设备将失去更新支持，这种情况被称为“作者消失”，对设备的长期安全性构成了重大风险。现有的固件更新机制往往忽视了物联网设备的异构性和不同优先级，从而导致更新优先级策略的不合理，影响了紧急情况或高负载时段下关键设备的及时更新。

为了解决这些问题，本研究提出了一种基于区块链的固件更新框架，结合了Merkle树分块机制、机器学习驱动的动态优先级分配方法以及去中心化的点对点存储技术。该框架旨在提升固件更新的安全性、效率和可扩展性，确保即使在原始制造商无法提供支持的情况下，设备仍能获得持续的更新。Merkle树分块机制用于实现固件数据的细粒度完整性验证，同时利用区块链技术确保数据存储的安全性和不可篡改性。智能合约的引入使得固件更新的验证和授权过程可以自动完成，从而有效降低恶意攻击的风险。此外，采用点对点存储技术替代传统的集中式服务器，不仅减少了对单一服务器的依赖，还提高了系统的可靠性和灵活性。

机器学习驱动的自适应关键性分布（ACBD）方法则根据设备的关键性动态调整固件更新的优先级。设备的关键性由其应用领域（如医疗、基础设施）、运行影响以及外部环境条件（如紧急事件或高峰需求）来定义。这一方法弥补了现有研究中缺乏动态优先级分配的不足，确保了关键设备在需要时能够优先获得更新。同时，该框架还引入了第三方委托机制，允许固件更新由多个制造商共同完成，从而增强了系统的可扩展性和互操作性。实验结果表明，该框架在安全性、效率和计算成本方面表现优异，特别是在网络条件不佳的情况下，通过分块方式提高带宽利用率，超越了全文件上传的局限性。

本研究的创新点主要体现在以下几个方面。首先，提出了一种基于Merkle树的分块机制，用于实现固件数据的细粒度完整性验证，同时利用区块链技术确保数据存储的安全性和不可篡改性。其次，开发了机器学习驱动的自适应关键性分布（ACBD）方法，能够根据设备的关键性动态调整更新优先级，从而优化资源利用，提高系统的整体效率。第三，引入了第三方委托机制，使得固件更新可以由多个制造商共同完成，增强了系统的可扩展性和互操作性。第四，设计了一种基于安全身份签名（IBS）的认证机制，确保固件更新消息的真实性，防止身份冒充攻击，维护更新过程的完整性。最后，通过大量的实验验证了该框架的性能、效率和效果，评估了包括延迟、吞吐量、资源利用率和优先级分配准确性等关键指标，证明了其在实际应用中的可行性和优势。

本研究的结构如下。第二部分回顾了物联网环境中固件更新机制的发展历程及当前存在的问题。第三部分定义了本研究中要解决的具体问题，并明确了研究的范围。第四部分介绍了该框架的基础概念，包括相关定义和安全模型。第五部分详细描述了所提出的框架的架构和设计原则。第六部分对框架的安全性进行了深入分析，识别了潜在的安全威胁，提出了相应的对策，并评估了系统的整体效果。第七部分提供了实验的详细描述和结果分析，包括实验设置、数据集准备、评估指标和性能评估，重点考察了延迟、吞吐量、资源利用率和优先级分配准确性等关键因素。第八部分总结了本研究的主要成果，并提出了未来的研究方向。

在相关工作中，固件更新机制的发展经历了从手动更新到自动更新的转变。自动更新系统因其可扩展性和成本效益而受到广泛欢迎，通常采用客户端-服务器架构，其中物联网设备的制造商作为服务器，设备本身作为客户端，当需要更新时自动发起请求。然而，现有的自动更新系统仍然存在诸多问题，如对集中式服务器的依赖，容易受到单点故障和恶意攻击的影响。此外，这些系统在处理设备异构性和关键性方面表现不足，导致更新优先级分配不合理，影响了紧急情况下的响应能力。虽然近年来基于区块链的解决方案在一定程度上缓解了这些安全问题，但它们往往缺乏动态优先级分配机制，并且依赖于计算成本较高的过程，这在资源受限的物联网设备上并不适用。

本研究提出的框架通过整合区块链、分布式文件系统和机器学习模型，解决了传统机制中的多个关键问题。首先，Merkle树分块机制确保了固件数据的完整性，使每个更新包都能被验证，防止数据篡改。其次，区块链的去中心化特性使得固件更新过程更加安全，避免了集中式服务器可能被攻击或篡改的风险。智能合约的引入实现了更新的自动验证和授权，确保只有经过认证的更新才能被应用，从而有效防止了恶意攻击和未经授权的访问。点对点存储技术的使用进一步降低了对集中式服务器的依赖，提高了系统的可靠性和可扩展性。自适应关键性分布（ACBD）方法通过机器学习模型，根据设备的关键性动态调整更新优先级，确保关键设备在需要时能够优先获得更新，提高系统的整体效率。

此外，第三方委托机制的引入使得固件更新可以由多个制造商共同完成，从而增强了系统的可扩展性和互操作性。这种机制不仅提高了固件更新的灵活性，还确保了即使在原始制造商无法提供支持的情况下，设备仍能获得必要的更新。安全身份签名（IBS）机制的使用确保了固件更新消息的真实性，防止了身份冒充攻击，维护了更新过程的完整性。实验结果表明，该框架在安全性、效率和计算成本方面均表现出色，特别是在网络条件不佳的情况下，通过分块方式提高了带宽利用率，使得固件更新更加高效。

本研究的贡献在于提供了一种全面、高效的解决方案，专门针对大规模、异构的物联网环境。该框架不仅解决了传统机制中的安全隐患，还提高了系统的可靠性和灵活性。通过整合区块链、分布式文件系统和机器学习模型，该框架实现了固件更新的安全性、效率和可扩展性，为智慧城市的可持续发展提供了坚实的技术支持。此外，该框架在设计上充分考虑了实际应用中的各种挑战，如网络环境的不确定性、设备的异构性以及制造商的可变性，确保了系统的稳定性和适应性。

在实验部分，我们详细描述了实验设置、数据集准备、评估指标和性能评估过程。实验结果表明，该框架在延迟、吞吐量、资源利用率和优先级分配准确性等方面均表现出色。特别是在网络条件不佳的情况下，分块方式显著提高了带宽利用率，使得固件更新更加高效。此外，实验还验证了该框架在应对恶意攻击和未经授权的访问方面的有效性，证明了其在实际应用中的可行性。

本研究的结论表明，基于区块链的自适应固件更新框架为解决现有物联网固件更新机制中的关键问题提供了新的思路。随着物联网设备数量的不断增长，特别是在关键领域中的应用，建立高效、安全和可扩展的固件更新策略变得尤为重要。传统集中式方法在面对单点故障、固件篡改和恶意软件注入等问题时显得力不从心，而基于区块链的框架则能够有效应对这些挑战，确保固件更新的安全性和可靠性。此外，该框架在设计上充分考虑了实际应用中的各种挑战，如网络环境的不确定性、设备的异构性以及制造商的可变性，确保了系统的稳定性和适应性。

本研究的作者贡献声明指出，Collins Sey负责撰写和编辑论文，提出了方法论和概念化设计。She Kun负责监督和项目管理。Obed Barnes负责软件开发、方法论和数据管理。Seth Larweh Kodjiku负责撰写和软件开发，并进行了相关研究。Kwame Omono Asamoah负责验证、研究和形式分析。Chiagoziem Chima Ukwuoma负责撰写和可视化。Isaac Adjei-Mensah负责验证和形式分析。Linda Delali Fiasam负责撰写和编辑论文。所有作者均声明不存在可能影响本研究的财务利益或个人关系。