一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法

技术领域

本发明属于区块链技术与物联网技术结合的数据共享领域，具体属于一种物联网多区域数据共享的激励方法。

背景技术

物联网作为国家战略性新兴产业的重要支撑，是智慧城市、智能制造等领域的核心和基础。近年来，物联网迎来了爆炸式发展，联网设备数量呈现指数级增长，产生海量数据。各个行业和领域各自有自己的数据管理中心，物联网系统数据呈现分域管理的特点，导致针对各个垂直行业的海量物联网数据以独立的数据中心的形式存储，呈现出应用垂直化、数据不共享的孤岛现象。随着信息化建设和应用的不断深入，数据的交互共享在跨领域跨行业的应用中越来越重要，数据交互共享才能充分挖掘数据的价值。因此，实现物联网多区域之间的数据共享逐渐成为物联网领域的研究热点之一。

目前，大部分传统物联网数据共享都是集中式的，它们通常依赖于类似银行的可信中心，但可信中心因其管控不透明、易受攻击等特征而存在系统信任缺失和隐私泄露等问题。区块链去中心化的架构带来数据不可篡改、安全可信、可追溯等诸多优点，从技术的角度带来了数据可信的价值，其分布式的网络结构和物联网结合能够颠覆传统物联网数据管理系统中心化架构，消除单点故障的隐患。另外，区块链跨链技术是实现区块链之间互联互通、提升可扩展性的重要技术手段，可以采用区块链跨链技术打破物联网多区域之间的信息孤岛问题。将不同物联网域的数据上链，数据拥有者充当链上节点，并且吸引更多数据需求者成为链上节点，打造物联网多区域数据共享生态。因此，在物联网多区域数据共享中引入区块链技术、区块链跨链技术等，可以作为解决物联网多区域之间数据共享困难、数据共享中心化的有效方案，充分发挥物联网数据的价值，实现物联网多区域之间的数据共享和价值转移。

区块链技术可以提供一个去中心化、防篡改的平台来解决物联网多区域数据共享面临的现实问题。但更值得关注的是数据共享还存在参与者不积极、不诚实等问题。第一，收集数据需要消耗数据拥有者终端设备的电池电量、数据流量等资源，在此过程中，数据拥有者需要付出时间和劳动。没有适当的回报，数据拥有者没有兴趣在数据共享中长期保持积极状态。第二，本发明采用基于中继的跨链机制设计物联网多区域数据共享模型，要实现多区域数据共享，必须依靠代理人的参与。因此，需要设计一个激励与约束并存的激励机制来激励足够多的代理人和数据拥有者参与数据共享任务，保证参与者的数量和数据质量，促使组织者、参与者高效率的协同合作，达到利益最大化，才能推进物联网数据共享的进一步发展。

CN114528597A，一种基于区块链的数据共享和激励方法，它包括区块链服务，用于数据存储、行为记录、积分记录及提供数据查询服务；设备或系统，厂商生产时即植入公钥，用于对获取的数据进行加密并传输至区块链智能合约；个人或企业用户，用户可以购买设备或系统，在区块链网络上激活并进行数据共享，从而获得积分奖励；积分商城，用于用户积分兑换。本发明实现物联网数据的共享。利用区块链技术数据不可篡改的特性保证数据的安全性和可靠性，设备或系统每分享一次数据，都可以获得对应的奖励，从而鼓励设备持有者持续对数据进行上传。

1.CN114528597A专利提出的数据共享和激励方法没有对数据拥有者给予奖励激励。而本专利通过代币激励和声誉激励提高激励效果，一方面，提高数据拥有者参与共享任务的积极性；另一方面，又保证各个角色在共享任务中保持一个诚实的状态。

2.CN114528597A专利没有考虑共享数据的质量。本专利提出基于Softmax的数据质量等级计算算法，判定数据拥有者提供数据的质量等级，确保数据需求者购买到高质有效的数据的同时，又激励数据拥有者提供更加高质量的数据。

3.CN114528597A专利只考虑了在一个物联网域场景下的数据共享。而本专利考虑的是更复杂的物联网多区域数据共享的场景，打破了物联网域之间的信息孤岛，提高了的数据的利用率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法。本发明的技术方案如下：

一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法，其包括以下步骤：

建立基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型；

共享激励模型中的Leader通过基于Softmax的数据质量等级计算算法计算数据的质量等级，并从中选出提交数据质量等级高、报价低的Candidate成为Winner参与数据共享任务；

建立数据需求者声誉评价模型、数据拥有者声誉评价模型、代理人声誉评价模型，得到基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案。

进一步的，所述基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型具体包括：

基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型基于如下应用场景，IOT Achain上的Demander想要获取IOT Bchain上Owners的物联网数据，Demander通过Leader向Owner发布共享任务；

(1)第一阶段

筛选赢标候选人Candidate，IOT Bchain上的符合共享任务条件的Owners参与报价，否则成为其他节点Others，Owners通过评估自身数据价值得出共享数据想要获得报酬的心理预期值。根据心理预期值向Leader报价，Leader将Owners报价从低到高排列，并按报价从低到高选出一部分成为Candidates。其余为Losers；

(2)第二阶段

选择中标人Winner，Candidates向CT chain的Leader提交部分数据，Leader通过基于Softmax的数据质量等级计算算法计算数据的质量等级，并从中选出提交数据质量等级高、报价低的Candidate成为Winner参与数据共享任务。

进一步的，所述基于Softmax的数据质量等级计算算法具体包括：

根据分类标签Y＝{y

其中：Y取k个不同的取值，代表将数据分为k个等级；

将一条数据分为

所述数据的质量等级表示为：

其中：h表示数据的质量等级计算函数，θ则是所述回归模型的参数矩阵，x

工作矩阵X分布在各个等级的概率相加为1；

P(y

最终数据质量等级grade

grade

θ

则

通过交叉熵法来确定回归模型的损失函数，所述损失函数表示为：

其中，m为样本个数，

通过梯度下降法更新回归模型的参数θ：

其中，m为样本个数，

更新回归模型的参数θ表示为：

其中，α代表批量梯度，j＝{1，2，...，k}，j代表数据的等级的值，θ

通过不断地更新参数并将更新的参数重新代入回归模型中开始新一轮的训练，最终求得损失函数的最小值min J(θ

进一步的，所述基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案具体包括：

在基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案中分别针对模型中的Demander、Owner、Agent设计了数据需求者声誉评价模型、数据拥有者声誉评价模型、代理人声誉评价模型，目标是通过一种声誉激励，鼓励参与数据共享任务的成员合作，同时限制不诚实成员参与。

进一步的，所述数据需求者声誉评价模型具体包括：

数据需求者声誉评价模型为

Demander

进一步的，所述数据拥有者声誉评价模型具体为：

其中：Trust

P

F

数据拥有者诚实度评价部分；数据拥有者诚实度评价模型为

其中：x是Owner

V是对Owner初始评价部分，每个Owner在进入共享网络时会获得初始信誉值，V>Reputation

进一步的，所述代理人声誉评价模型具体为：

Credit

其中：Credit

代理人历史行为评价部分；代理人历史行为评价模型为

S

其中：B

代理人诚实行为评价部分；代理人诚实行为评价模型为

其中：Num

代理人不诚实行为评价模型为

其中：Num

一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其所述处理器执行所述程序时实现如任一项所述基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明因加入数据质量等级验证阶段而具有公平性。

数据共享的公平性在于质价匹配，即Owner提供的数据与Demander提供的奖励是否匹配，提供更加优质数据的Owner是否能获得更高的报酬。本发明采用基于Softmax的数据质量等级计算算法对Owner提供的数据质量进行判定，并根据Owner提供数据的质量等级支付报酬。提供优质数据的Owner会获得更加丰厚的报酬，多劳多得的公平交易环境促使数据共享生态向好的方向发展。

2.本发明采用逆向拍卖模型而具有高效性和低成本的优势。

根据本发明构建的应用场景例证，例如：IOT Achain上的Demander想要从IOTBchain上的Owner手中获取200份物联网数据。

首先，Demander通过Leader向Owner发布数据共享任务。

第一阶段，假设有1000个Owner参与拍卖报价，Leader将Owner的报价从低到高排列P{p

第二阶段，Leader验证这400个Candidate上传的数据质量等级。Leader根据Candidate的在第一阶段的报价和第二阶段提供数据的质量等级计算数据价值Value，将数据价值从高到低排列{Value

在第一阶段根据报价剔除出了600个不理性报价的用户，Leader只需要计算400份数据的质量等级，Leader验证数据质量等级的工作量减少，意味着Demander需要支付给Leader的报酬也随之减少，降低了数据共享的成本。同时，减少了计算数据质量等级的系统花销，提升了执行共享任务的效率。

3.本激励方法有声誉评价方案而具有约束机制。

在本激励机制中，声誉值的高低与参与数据共享任务是否诚实有关，诚实作为声誉值越高，反之，越低。Agent、Owner的声誉值高低影响他们是否能获取参与数据共享任务的资格，并且影响他们参与数据共享任务后所得报酬的多少。Agent和Owner会为了获取参与数据共享任务的资格和赚取更多的报酬而诚实作为，这也意味着声誉评价方案对他们的行为起到了约束作用。

4.数据安全

在本文构建的场景下Demander和Owner实现多区域数据共享需要Leader充当中间人角色来传递数据和消息，在这过程中Owner的数据有两次泄露给Leader的风险，但是本模型都采取了相应的措施防止数据泄露。第一次有泄露风险是在数据质量检测阶段，Candidate需要向Leader提交数据等待数据质量等级验证，但在本激励机制中Candidate只需要向Leader提交部分数据进行质量等级验证，声誉激励会约束Candidate的行为，促使其在向Demander提交完整数据阶段提交同样优质的数据。

第二次有泄露风险是在提交完整数据阶段，Winner向Demander提交完整数据需要Leader在中间转发，但本激励机制通过CA给链上用户分发了公私钥，公钥是公开的，私钥只有用户本人知道，Winner用Demander

5.可扩展性

本模型支持多区域数据共享，具有可扩展性。大数据时代数据分散存储在各自的数据管理中心中。本模型不局限于某一个域内或某两个域之间的数据共享，任何域都可以上链并加入本文构建的基于跨链的物联网多区域数据共享生态中，与生态中的任何域进行数据共享，具有可扩展性。

1.本发明在共享模型中引入逆向拍卖模型，可以有效剔除出不理性的报价的用户，并减少Leader在质量等级验证阶段的工作量，增加共享任务的效率；2本发明增加验证质量等级的阶段，并将数据拥有者提供数据的质量等级与获得的奖励挂钩，激励数据拥有者提供更加高质量的数据；3.本发明引入声誉模型，给每个角色都增加声誉评价，诚实作为声誉值增加，反之，降低。并将角色声誉值与获得奖励和是否能参与任务挂钩，从而确保各个角色在共享任务中保持一个诚实的状态。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种基于跨链的物联网多区域数据共享模型；

图2是本发明提供优选实施例的一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法；

图3为本发明申请提供的一种基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法，其包括：基于Softmax的数据质量等级计算算法、基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型、基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案。

进一步的，所述基于Softmax的数据质量等级计算算法具体包括：

根据分类标签Y＝{y

其中：Y取k个不同的取值，代表将数据分为k个等级。

将一条数据分为

所述数据的质量等级表示为：

其中：h表示数据的质量等级计算函数，θ则是所述回归模型的参数矩阵，x

工作矩阵X分布在各个等级的概率相加为1。

P(y

最终数据质量等级grade

grade

θ

则

通过交叉熵法来确定回归模型的损失函数，所述损失函数表示为：

其中，m为样本个数，

通过梯度下降法更新回归模型的参数θ：

其中，m为样本个数，

更新回归模型的参数θ表示为：

其中，α代表批量梯度，j＝{1，2，...，k}，j代表数据的等级的值，θ

通过不断地更新参数并将更新的参数重新代入回归模型中开始新一轮的训练，最终求得损失函数的最小值min J(θ

进一步的，所述基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型具体包括：

基于逆向拍卖的物联网多区域数据共享激励模型基于如下应用场景，IOT Achain上的Demander想要获取IOT Bchain上Owners的物联网数据。Demander通过Leader向Owner发布共享任务。如图3所示。

(1)第一阶段

筛选赢标候选人(Candidate)。IOT Bchain上的符合共享任务条件的Owners参与报价，否则成为其他节点(Others)。Owners通过评估自身数据价值得出共享数据想要获得报酬的心理预期值。根据心理预期值向Leader报价，Leader将Owners报价从低到高排列，并按报价从低到高选出一部分成为Candidates。其余为Losers。

(2)第二阶段

选择中标人(Winner)。Candidates向CT chain的Leader提交部分数据，Leader通过基于Softmax的数据质量等级计算算法计算数据的质量等级，并从中选出提交数据质量等级高、报价低的Candidate成为Winner参与数据共享任务。

进一步的，所述基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案具体包括：

在基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案中分别针对模型中的Demander、Owner、Agent设计了声誉评价方案，目标是通过一种声誉激励，鼓励参与数据共享任务的成员合作，同时限制不诚实成员参与。

(1)数据需求者声誉评价模型

在本模型中，Demander上链需要抵押资产，如果Demander有不诚实行为将面临资产被冻结的风险，抵押资产越多Demander为不诚实行为付出的代价越大。因此，本发明在设计Demander声誉评价模型时将账户抵押资产数作为Demander声誉值的评价标准，并且抵押资产数越多声誉值越高。

数据需求者声誉评价模型。数据需求者声誉评价模型为

Demander

(2)数据拥有者声誉评价模型

数据拥有者声誉评价模型。数据拥有者声誉评价模型为

其中：Trust

P

F

数据拥有者诚实度评价部分。数据拥有者诚实度评价模型为

/>

其中：x是Owner

V是对Owner初始评价部分，每个Owner在进入共享网络时会获得初始信誉值，V>Reputation

(3)代理人声誉评价模型

代理人声誉评价部分。代理人声誉评价模型为

Credit

其中：Credit

代理人历史行为评价部分。代理人历史行为评价模型为

S

其中：B

代理人诚实行为评价部分。代理人诚实行为评价模型为

其中：Num

代理人不诚实行为评价部分。代理人不诚实行为评价模型为

其中：Num

Demander通过物联网多区域数据共享系统获得数据，只有维护一个公平的交易环境，Demander才能长期获得性价比高又优质的数据。因此，Demander在每次共享任务中都会尽可能诚实评价Leader的行为，维护交易市场的公平。

如图2所示，一种基于区块链的物联网多区域数据共享激励方法包括以下步骤：

1.选举Leader

根据代理人声誉评价模型计算Credit

Credit

S

S

B

B

Credit

2.发布共享任务

这一阶段IOT AChain上的Demander发布共享任务CS-Task。首先，Demander用自己的私钥SK

3.广播共享任务

Leader将共享任务公告广播到IOT BChain。

4.拍卖报价

IOT BChain的Owner阅读共享任务公告查看是否符合公告条件，同时，Owner根据共享任务公告自行评估参与共享的任务代价，决定是否参与竞拍。Owner的实际所得利益Profit

Profit

r

5.筛选赢标候选人

在本发明中一次共享任务基于一个买方多个卖方的模型，采用逆向拍卖模型选择参与共享任务的Owner。Owner参与共享任务存在竞争者，所以Owner会尽可能理性报价。Leader将参与共享任务的Owner的报价从低到高排列P{p

6.赢标候选人提交部分数据

为防止Leader盗用数据，选取的前n

7.计算数据质量等级

Leader从共享任务公告中获取数据的分类标签Y

根据分类标签Y＝{y

将一条数据分为

所述数据的质量等级表示为：

P(y

最终数据质量等级grade

grade

θ

则

通过交叉熵法来确定回归模型的损失函数，所述损失函数表示为：

通过梯度下降法更新回归模型的参数θ：

更新回归模型的参数θ表示为

通过不断地更新参数并将更新的参数重新代入回归模型中开始新一轮的训练，最终求得损失函数的最小值min J(θ

8.选择中标人

基于数据的报价系数

其中，p

计算n

在具体实施时，Demander发布的任务公告里会给出报价系数

9.中标人提交完整数据

在计算数据质量等级时Candidate只提交了部分数据，在Leader通过计算数据质量等级选出Winner之后，Winner需要提交完整数据。为了保护数据安全，Winner用Demander的公钥

10.告知需要提供代币数量

Leader选出Winner后会折算出Demander需要支付给Leader和Winner的报酬，并告知Demander。

Leader的报酬与其声誉值和其计算数据质量等级的数量(Candidate的数量)有关

Rewards

其中：Rewards

Leader根据Candidate的报价和提供数据的质量选出Winner，Winner

其中：Payments

11.提交代币

为了防止Demander做出获得数据后不支付代币的行为，此阶段需要Demander先向Leader提交代币。其中，包括支付给Leader的报酬和Winner的报酬。

12.获得数据

Demander提交代币之后，Leader将数据提交给Demander。

13.数据需求者查验数据

假设Demander是专业的、理性的。此阶段Demander会对数据进行查验，Demander根据查验结果对Leader

14.对Leader、不诚实数据拥有者作出评价

首先，Demander

其次，在计算数据质量等级阶段Owner只提交了部分数据，即Leader只验证了数据共享交易中部分数据的质量。Demander要查验收到完整数据的数据质量，与Leader计算数据质量等级做对比，如果差别很大，则说明Winner有很大的嫌疑在数据质量计算阶段提交质量较高的数据，在提交完整数据阶段提交劣质数据滥竽充数。此时Demander会对此类不诚实Winner做出负面评价。由于参与数据共享任务的Winner数据量多，因此，Demander只对不诚实的Winner做出评价。Demander对不诚实Winner评价的可信度与Demander的声誉值有关。

15.发放报酬、转发数据需求者评价

Leader在扣除自己应得的报酬后，将剩下的代币如数转发给Winner。并将Demander对不诚实的Winner的负面评价转发到物联网B链。

16.确认

为了防止Leader不履行将报酬转发给Winner的行为，设置确立环节。Winner收到报酬后需要对Leader做出确认，做出确认之后代表这一轮数据共享任务结束，Leader才能进行下一轮Leader的选举，竞争参与共享任务的资格。否则不能参与。因此，Leader会诚实地将报酬如数转发给Winner。

17.更新声誉值

根据基于声誉的物联网多区域数据共享激励方案，Demander、Owner、Agent的声誉值在实时更新，在一轮数据共享任务结束后各角色的声誉值会统一更新。

需要解释的基本术语是：区块链是一种按照时间顺序来将数据区块顺序相连组合而成的链式数据结构，并且以密码学方式保证数据区块不可篡改和不可伪造。区块链中的每个区块通过包括该区块链中紧接其之前的前一个区块的加密散列而链接到该前一个区块。每个区块还包括时间戳、该区块的加密哈希以及一个或多个交易。对已经被区块链网络的节点验证的交易进行哈希处理并形成Merkle树。在Merkle树中，对叶节点处的数据进行哈希处理，并且针对Merkle树的每个分支，在该分支的根处级联该分支的所有哈希值。针对Merkle树执行上述处理，直到整个Merkle树的根节点。Merkle树的根节点存储代表该Merkle树中的所有数据的哈希值。当一个哈希值声称是Merkle树中存储的交易时，可以通过判断该哈希值是否与Merkle树的结构一致来进行快速验证。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。