A Survey of IoT Applications in Blockchain Systems: Architecture, Consensus, and Traffic Modeling

ACM Computing Surveys, 2020

LAPHOU LAO, ZECHENG LI, SONGLIN HOU, and BIN XIAO, The Hong Kong Polytechnic University, China

SONGTAO GUO, Chongqing University, China

YUANYUAN YANG, Stony Brook University, America

Summary

本文介紹了使用區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的調(diào)查。本文還對物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的流量分析進(jìn)行了調(diào)查，這是以前沒有做過的。通過對許多物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的詳細(xì)調(diào)查，在一個(gè)新的角度提出了幾個(gè)關(guān)鍵的觀察結(jié)果，并提出了新的架構(gòu)和流量模型。具體來說，深入研究了物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的三個(gè)關(guān)鍵方面，即架構(gòu)、共識(shí)和流量建模。

Contribution

1. 調(diào)查了物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，并分析了它們的架構(gòu)。提出了一個(gè)通用的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈架構(gòu)。
2. 對當(dāng)前的共識(shí)算法和通信協(xié)議進(jìn)行了比較，并展示了它們在物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈中應(yīng)用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。
3. 分析了目前P2P和區(qū)塊鏈系統(tǒng)的流量模型，提供了幾個(gè)指標(biāo)。提出了一個(gè)適合物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的流量模型來說明網(wǎng)絡(luò)流量分布。

Background

區(qū)塊鏈技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各種服務(wù)，包括在線小額支付、供應(yīng)鏈跟蹤、數(shù)字取證、醫(yī)療記錄共享和保險(xiǎn)支付。將該技術(shù)擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，可以獲得可驗(yàn)證和可跟蹤的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的新興研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)來記錄交易數(shù)據(jù)、優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)性能或構(gòu)建下一代系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以提供額外的安全性、自動(dòng)交易管理、去中心化平臺(tái)、離線到在線數(shù)據(jù)驗(yàn)證等。

區(qū)塊鏈解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序局限性

1. 區(qū)塊鏈可以在沒有第三方的情況下保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的帶寬和計(jì)算能力。
2. 此外，區(qū)塊鏈可以為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)安全、可擴(kuò)展的框架，以便在沒有中央服務(wù)器的情況下傳遞敏感信息。
3. 區(qū)塊鏈配備了識(shí)別和認(rèn)證功能，可以跟蹤傳感器數(shù)據(jù)測量，并在物聯(lián)網(wǎng)對等點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，無需中央服務(wù)器。
4. 區(qū)塊鏈可以降低物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本。通過允許智能設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化微交易，雙方可以以更低的成本更快地達(dá)成協(xié)議。

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的挑戰(zhàn)

1. 物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的架構(gòu)需要支持大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
2. 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，需要為物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈專門設(shè)計(jì)共識(shí)，這是一種確保區(qū)塊鏈中對等體之間數(shù)據(jù)完整性的機(jī)制。
3. 為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的高性能，需要對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量建模。

• Christidis和Devetsikiotis[2016]研究了物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的智能合約(綜述)。
• Marco[2016]等人對區(qū)塊鏈的18個(gè)用例進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述，并調(diào)查了系統(tǒng)的完整性、匿名性和適應(yīng)性。
• 一項(xiàng)對智能家居的研究[2017]展示了區(qū)塊鏈與家庭設(shè)備集成的效率。

區(qū)塊鏈主要可以分為公共區(qū)塊鏈和私有區(qū)塊鏈。更詳細(xì)劃分：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈、混合鏈

• 混合區(qū)塊鏈[2018]結(jié)合了公共區(qū)塊鏈和私有區(qū)塊鏈的好處，通過私有區(qū)塊鏈管理器保護(hù)用戶數(shù)據(jù)，并使用公共節(jié)點(diǎn)的共識(shí)來驗(yàn)證交易?；旌蠀^(qū)塊鏈通常用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)保護(hù)和訪問控制。

基于區(qū)塊鏈的項(xiàng)目

• 以太坊[2014]、超級(jí)賬本[2018]、IOTA[2019]
• 中心化醫(yī)療索賠系統(tǒng)[2016]
• 去中心化投票系統(tǒng)[2016]

區(qū)塊鏈應(yīng)用程序的共識(shí)機(jī)制、每秒事務(wù)性能和發(fā)布日期：

Architecture

IoT Network Architecture

物聯(lián)網(wǎng)三層/五層架構(gòu)：

物理層

由各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成，包括傳感器、射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽、近場通信(NFC)設(shè)備和移動(dòng)電話。這一層負(fù)責(zé)連接不同的設(shè)備，交換消息，并向上層收集信息。

RFID是一種無線無線電通信技術(shù)；NFC是一種允許設(shè)備在短距離內(nèi)通信的通信協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層傳輸物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集或處理的信息。數(shù)據(jù)通過4G、5G、RFID、WiFi和藍(lán)牙等不同技術(shù)傳輸。具體來說，網(wǎng)絡(luò)層連接邊緣節(jié)點(diǎn)、管理程序和用戶應(yīng)用程序。

應(yīng)用層

應(yīng)用層可以看作是提供給用戶的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的抽象。用戶可以通過api請求不同的服務(wù)。在接收到用戶請求后，應(yīng)用層要么在本地處理信息，要么調(diào)用底層api來處理請求。

在提出的五層架構(gòu)中，物理層被重新命名為傳感層，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛部署的傳感器。此外，將網(wǎng)絡(luò)層與中間件層一起擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)層。新的網(wǎng)絡(luò)層仍然承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，中間件層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)管理。

中間層

由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)底層存在大量異構(gòu)設(shè)備。它們可能具有不同的操作系統(tǒng)、查詢格式和數(shù)據(jù)格式。軟件開發(fā)人員很難開發(fā)出與所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備兼容的集成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。中間件層位于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序之間，用于處理兼容性問題。它處理用戶的請求并給出有效的響應(yīng)。中間件層由主要消息傳遞、API管理、數(shù)據(jù)和服務(wù)集成以及數(shù)據(jù)格式化組成。

業(yè)務(wù)層

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)支持的應(yīng)用急劇增加，形成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。單個(gè)應(yīng)用程序?qū)訜o法準(zhǔn)確地描述它。因此，業(yè)務(wù)層被提出來代表物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的更高級(jí)別抽象，負(fù)責(zé)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理。業(yè)務(wù)層構(gòu)建業(yè)務(wù)模型、圖表并執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。

Blockchain Architecture

區(qū)塊鏈五層架構(gòu)：

物理層由各種區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)組成。它們相互連接，形成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

通常，區(qū)塊鏈中有兩種類型的節(jié)點(diǎn)：全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)。

全節(jié)點(diǎn)

全節(jié)點(diǎn)在其存儲(chǔ)中保留滿區(qū)塊鏈的副本。他們參與創(chuàng)建、驗(yàn)證和向區(qū)塊鏈添加新區(qū)塊。因此，全節(jié)點(diǎn)維護(hù)區(qū)塊鏈的安全性、一致性和數(shù)據(jù)正確性。

輕節(jié)點(diǎn)

輕節(jié)點(diǎn)對硬件規(guī)格要求不高。它們不保留完整的區(qū)塊鏈的副本，但只知道最后一個(gè)塊的狀態(tài)。輕節(jié)點(diǎn)從全節(jié)點(diǎn)獲取區(qū)塊鏈信息。

網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。它允許區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)相互通信。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)一般是基于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

共識(shí)層負(fù)責(zé)確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性，并激勵(lì)參與者尋找新的區(qū)塊。共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈中保證數(shù)據(jù)正確性和完整性的重要組成部分。

傳播層由通信協(xié)議組成，這些協(xié)議定義了消息和塊如何在網(wǎng)絡(luò)中傳播的規(guī)則。

比特幣和超級(jí)賬本結(jié)構(gòu)采用Gossip作為其通信協(xié)議，而以太坊采用Kademlia算法作為其通信協(xié)議的基礎(chǔ)。

Gossip協(xié)議：代表了一種類似于流行病的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式。在基于Gossip的系統(tǒng)中，更新像傳染病一樣傳播，最終幾乎感染所有節(jié)點(diǎn)。有兩種不同的傳播模式：反熵傳播和謠言傳播。

Kademlia：一種為分散的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的算法。它在以太坊中用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路由并幫助定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在Kademlia中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其惟一的節(jié)點(diǎn)ID。Kademlia算法使用節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行快速對等查找，定位文件或資源。

General IoT-Blockchain Architecture

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的五層通用架構(gòu)：

在這個(gè)架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)生成。區(qū)塊鏈可以作為一個(gè)安全的分布式數(shù)據(jù)庫，安全地保存記錄，避免惡意修改。一旦一個(gè)區(qū)塊被確認(rèn)并添加為區(qū)塊鏈的一部分，區(qū)塊中包含的交易以及所有之前區(qū)塊中的交易都是防篡改的。此外，所有歷史記錄都可以輕松檢索而不會(huì)丟失信息。授權(quán)用戶可以瀏覽所有交易并驗(yàn)證每筆交易的真實(shí)性。對于大多數(shù)應(yīng)用程序，區(qū)塊鏈被用作附加存儲(chǔ)技術(shù)。此外，區(qū)塊鏈可以支持加密貨幣，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)字交易。

Current IoT-Blockchain Applications and Their Architectures

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用：

分為兩種類型：

1.具體應(yīng)用

指將物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈作為其商業(yè)運(yùn)營的基本組成部分的獨(dú)立軟件或系統(tǒng)。這個(gè)類別的核心層是應(yīng)用層和物理層。

• Dorri等人介紹了LSB區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)智能家居中的安全性和隱私性[2017]。物理層包括各種類型的智能設(shè)備。高資源智能設(shè)備負(fù)責(zé)管理一個(gè)公共的區(qū)塊鏈，保證用戶的隱私和安全。低智能資源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)端到端通信和處理輸入和輸出請求。智能設(shè)備注冊在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上。中間件層提供了區(qū)塊鏈的重疊管理，減少了區(qū)塊鏈的管理開銷。
• LO3 Energy [2018]引入了太陽能P2P市場。LO3的物理層包括電網(wǎng)和太陽能電池板。他們詳細(xì)列出額外的能量產(chǎn)量，并通過低延遲網(wǎng)絡(luò)上傳到區(qū)塊鏈。采用Exergy令牌系統(tǒng)作為中間件，提高系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)參與者授權(quán)效率?？蛻艨梢酝ㄟ^商業(yè)能源購物應(yīng)用程序購買能源。
• Slock[2016]是市場上現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用。它使用電子鎖，可以通過適當(dāng)?shù)牧钆平怄i。希望出售房產(chǎn)的客戶可以為電子鎖定價(jià)。客戶可以瀏覽商品，并用加密貨幣支付所要求的金額來開鎖。它具有簡單的架構(gòu)，由分布式應(yīng)用程序、以太坊區(qū)塊鏈、商業(yè)網(wǎng)絡(luò)和電子鎖組成。

2.應(yīng)用程序平臺(tái)即服務(wù)

指連接物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中所有內(nèi)容的支持軟件。它集成了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和區(qū)塊鏈技術(shù)，為開發(fā)人員提供了一個(gè)直觀的管理平臺(tái)。便于通信、數(shù)據(jù)流和設(shè)備管理。這個(gè)類別的核心層是中間件層。中間件的性質(zhì)定義了平臺(tái)服務(wù)的功能。在此類別中，不指定應(yīng)用層和物理層的元素。區(qū)塊鏈層和網(wǎng)絡(luò)層需要支持中間件的功能。例如，在智能合約中允許數(shù)據(jù)完整性檢查。

• Sagirlar等人提出了一種新的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈平臺(tái)Hybrid-IoT[2018]。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基于PoW和BFT算法的共識(shí)。作者將子區(qū)塊鏈和區(qū)塊鏈間定義為物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的區(qū)域結(jié)構(gòu)。在該架構(gòu)中，兩個(gè)PoW子區(qū)塊鏈通過BFT內(nèi)部連接器框架連接。
• Bahga等人介紹了一個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(BPIIoT)平臺(tái)[2016]。該平臺(tái)允許用戶開發(fā)具有區(qū)塊鏈特性的應(yīng)用程序(DApps)。在平臺(tái)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上注冊。用戶可以在單板計(jì)算機(jī)(SBC)上開發(fā)應(yīng)用程序，以控制和管理區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
• “京東”電子商務(wù)公司發(fā)布區(qū)塊鏈平臺(tái)“京東區(qū)塊鏈開放平臺(tái)”[2018]，專注于提供區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。區(qū)塊鏈平臺(tái)提供區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)服務(wù)、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)和區(qū)塊鏈共識(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。該平臺(tái)采用類似bft的共識(shí)算法。此外，還使用身份驗(yàn)證協(xié)議來控制訪問區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)。系統(tǒng)有三種對等點(diǎn)：共識(shí)對等點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)對等點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)對等體在中間件層中發(fā)揮作用，集成來自較低層的輸入和協(xié)議。
• Liu et al.[2017]提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)完整性和安全性的框架。作者描述了提議的分散數(shù)據(jù)完整性服務(wù)框架的關(guān)鍵組件。該框架通過數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)了完全的去中心化。它為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的用戶提供可靠的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證，無需第三方審計(jì)人員。在該框架中，IoT設(shè)備負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入以太坊。用戶可以通過數(shù)據(jù)用戶應(yīng)用程序檢查數(shù)據(jù)完整性服務(wù)提供的數(shù)據(jù)完整性。
• Alphand等人[2018]提出了一種架構(gòu)“物聯(lián)網(wǎng)鏈”，它結(jié)合了OSCAR架構(gòu)[2015]和ACE授權(quán)框架[2017]。在物聯(lián)網(wǎng)中，每個(gè)注冊用戶都有一個(gè)授權(quán)令牌。它標(biāo)識(shí)一組資源的特定特權(quán)。當(dāng)用戶希望訪問一個(gè)對象時(shí)，用戶需要將包含所需數(shù)據(jù)的交易發(fā)送到智能合約地址。然后智能合約將為數(shù)據(jù)用戶生成一個(gè)授權(quán)令牌。該架構(gòu)使用區(qū)塊鏈代替集中式ACE授權(quán)服務(wù)器。在此架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)生成。數(shù)據(jù)所有者負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈。OSCAR架構(gòu)和ACE授權(quán)框架負(fù)責(zé)確保用戶數(shù)據(jù)的安全。

以上提及的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用信息總結(jié)：

Consensus

**共識(shí)機(jī)制幫助網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)參與者達(dá)成必要的協(xié)議。**共識(shí)機(jī)制在提供可靠服務(wù)時(shí)應(yīng)該是容錯(cuò)的。在區(qū)塊鏈的去中心化環(huán)境中，共識(shí)機(jī)制是一組規(guī)則，依賴于多個(gè)參與者的貢獻(xiàn)，共同維護(hù)同步狀態(tài)。共識(shí)機(jī)制應(yīng)具有有效性和一致性，才能正常發(fā)揮作用，同時(shí)保持效率和成本效益，以確保高效。

Common Consensus Mechanisms

文本根據(jù)共識(shí)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)將它們分為四類：

1.Byzantine Fault Tolerance Series

• 拜占庭容錯(cuò)(BFT)[2003]是解決系統(tǒng)中處理器可能以任意方式故障時(shí)達(dá)成協(xié)議的解決方案。BFT是一種基于副本的方法，它利用副本之間的通信，在沒有限制或假設(shè)的情況下，根據(jù)請求達(dá)成協(xié)議。
• 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)[1999]是基于BFT機(jī)制。它通過將經(jīng)典拜占庭一般問題的復(fù)雜性降低到多項(xiàng)式級(jí)別，并使其能夠在異步系統(tǒng)中正確運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)性能。PBFT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)至少由3f + 1個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，以容忍f個(gè)缺陷節(jié)點(diǎn)。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，需要2f + 1個(gè)節(jié)點(diǎn)才能獲得交易塊的共識(shí)。
• HQ復(fù)制[2006]是一種優(yōu)化PBFT的協(xié)議。它減少了傳播的信息量，使PBFT更加高效。
• 魯棒拜占庭容錯(cuò)協(xié)議(RBFT) [Corp 2019]實(shí)際上是一系列加強(qiáng)傳統(tǒng)PBFT魯棒性的協(xié)議。RBFT通過對PBFT算法的改進(jìn)，保證了系統(tǒng)在最佳和最差情況下性能基本一致，從而提供了一個(gè)真正實(shí)用的BFT。

BFT系列共識(shí)協(xié)議仍然存在一些問題。例如，人們不能動(dòng)態(tài)地加入或退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

2.Proof-of-Somethings (PoX) Series

與BFT協(xié)議及其變體相比，PoX算法采用特定的概率機(jī)制，不需要關(guān)于系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)操作的完整信息。它基于網(wǎng)絡(luò)中良性節(jié)點(diǎn)總是比惡意節(jié)點(diǎn)多的假設(shè)。由于PoX算法不需要來自參與節(jié)點(diǎn)的所有信息，因此使用PoX的系統(tǒng)不限制節(jié)點(diǎn)的加入或退出。

• 工作量證明(PoW)[2008]要求節(jié)點(diǎn)解決計(jì)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題。
• Dwork和Naor引入了PoW的改進(jìn)版本，它提出了拜占庭一般問題的概率解決方案。它還確保了區(qū)塊鏈系統(tǒng)在具有大量不可信節(jié)點(diǎn)的環(huán)境中的穩(wěn)定性。
• 權(quán)益證明(PoS) [2017]依賴于一個(gè)假設(shè)，即持有更多貨幣的用戶更有動(dòng)機(jī)確保系統(tǒng)的可靠性，并且不太可能扮演惡意節(jié)點(diǎn)。
• 在DPoS [2014]中，人們會(huì)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的貨幣數(shù)量來選出幾個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)。新聞塊將由選定的超級(jí)節(jié)點(diǎn)生成。這種方法降低了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的去中心化，需要新的節(jié)點(diǎn)信任這些超級(jí)節(jié)點(diǎn)。
• 容量證明(PoC) [2015]，也稱為空間證明(PoSpace)，利用本地計(jì)算機(jī)磁盤中的空閑空間進(jìn)行挖掘。PoC共識(shí)協(xié)議的一個(gè)著名應(yīng)用是星際文件系統(tǒng)(IPFS) [IPFS 2019]，這是一個(gè)基于分布式哈希表的點(diǎn)對點(diǎn)文件系統(tǒng)。
• 權(quán)威證明(PoA) [2016]共識(shí)協(xié)議，旨在減輕對計(jì)算能力或硬幣數(shù)量的要求。POA引入了一個(gè)稱為權(quán)威的新概念。只有擁有權(quán)限的節(jié)點(diǎn)才可以生成新的區(qū)塊，從而保證了整個(gè)鏈的安全性。
• 重要性證明(PoI) [2018]是一種共識(shí)機(jī)制，用于確定哪些網(wǎng)絡(luò)參與者有資格向區(qū)塊鏈添加區(qū)塊。
• PoB (proof -of- burn) [2018]是一種共識(shí)協(xié)議，礦工應(yīng)該證明他們已經(jīng)燒毀了一些硬幣，這些硬幣被發(fā)送到一些不可花費(fèi)的地址。這些被銷毀的硬幣的數(shù)量決定了礦工發(fā)行新區(qū)塊的概率。

3.DAG Series

有向無環(huán)圖(DAG) [2018]被提出[2015]來改善傳統(tǒng)單鏈區(qū)塊鏈系統(tǒng)的并行性。DAG采用有向圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)連接塊，其相關(guān)的共識(shí)機(jī)制與其他機(jī)制不同。每筆交易都將與前兩筆交易記錄相關(guān)聯(lián)。在這種情況下，可以通過引用以前的交易來證明當(dāng)前交易的合法性。

與其他PoX共識(shí)協(xié)議相比，DAG只關(guān)心可數(shù)的關(guān)聯(lián)事務(wù)。DAG塊不是在鏈表中鏈接，而是在樹中鏈接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只檢查與其關(guān)聯(lián)的交易的合法性。這種機(jī)制以犧牲分區(qū)容差為代價(jià)，提高了效率和可用性。

• Byteball [2016]引入了一種采用DAG作為共識(shí)機(jī)制的去中心化系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)人都可以通過支付與數(shù)據(jù)大小成比例的費(fèi)用向數(shù)據(jù)庫中添加新數(shù)據(jù)。

4.Ripple Series

Ripple網(wǎng)絡(luò)[2016]中有兩種節(jié)點(diǎn)：服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和客戶端節(jié)點(diǎn)。Ripple服務(wù)器為共識(shí)過程維護(hù)一個(gè)唯一節(jié)點(diǎn)列表(UNL)，然后對交易的真實(shí)性進(jìn)行投票。如果協(xié)商一致的協(xié)議超過80%，那么所有公認(rèn)合法的交易都被包括在區(qū)塊鏈中。然后將該分類賬作為新的最后結(jié)算分類賬關(guān)閉。與那些需要查詢網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的PBFS節(jié)點(diǎn)相比，Ripple中的服務(wù)器只查詢其UNL的至少80%的百分比。

Comparison between Consensus Mechanisms

Consensus Characteristic in IoT Blockchain

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用都使用PoW作為共識(shí)機(jī)制。但由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力、能量和存儲(chǔ)容量有限，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制應(yīng)該在能耗、系統(tǒng)性能和安全性之間取得平衡。文本將物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的特點(diǎn)總結(jié)為高能效和輕量級(jí)共識(shí)機(jī)制。

1.高能效

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈需要有效地執(zhí)行共識(shí)過程。考慮到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存儲(chǔ)和計(jì)算能力的限制，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈采用輕客戶端或無礦工。

• IOTA采用DAG共識(shí)：網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)想要生成交易的節(jié)點(diǎn)必須通過批準(zhǔn)兩個(gè)先前的交易來積極參與共識(shí)過程。此外，IOTA中沒有礦工，這更節(jié)能。
• Ambrosus [2019]使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集客戶端供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，然后通過權(quán)威證明(PoA)共識(shí)協(xié)議進(jìn)行身份驗(yàn)證。該協(xié)議將身份驗(yàn)證能力授予最受信任和高完整性的主節(jié)點(diǎn)。
• Helium [2018]采用了蜜獾BFT，它在妥協(xié)和結(jié)果之間提供了完美的平衡。

2.輕量級(jí)共識(shí)機(jī)制

• Atonomi[2019]部分采用以太坊網(wǎng)絡(luò)，盡管其交易處理可能變得昂貴或速度限制。采用以太坊作為其網(wǎng)絡(luò)意味著Atonomi可以立即使用以太坊部署良好的功能。
• 物聯(lián)網(wǎng)鏈(ITC)[2018]結(jié)合了幾種技術(shù)，如可驗(yàn)證虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)(VRF)、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)、有向無環(huán)圖(DAG)和簡化支付驗(yàn)證(SPV)，構(gòu)建了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的輕型操作系統(tǒng)。
• WaltonChain[2018]旨在為物聯(lián)網(wǎng)提供基于區(qū)塊鏈的完整數(shù)據(jù)交換和絕對的信息透明。采用父子鏈架構(gòu)。它的共識(shí)機(jī)制被稱為WPoC(沃爾頓鏈貢獻(xiàn)證明)。
• Blockcloud [2018]提出了以服務(wù)為中心的區(qū)塊鏈架構(gòu)來增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)。設(shè)計(jì)了一種新的共識(shí)協(xié)議——服務(wù)證明協(xié)議，提供去中心化的信任和安全服務(wù)。

Traffic Model of IoT Blockchain

總結(jié)了現(xiàn)有分布式系統(tǒng)的流量模型，并提供了對物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的分析和流量模型。

Current Traffic Models

在現(xiàn)有的區(qū)塊鏈流量模型工作中，由于區(qū)塊鏈的消息交換、消息驗(yàn)證、交易過程都像P2P網(wǎng)絡(luò)一樣由對等節(jié)點(diǎn)處理，所以大部分都是基于點(diǎn)對點(diǎn)流量模型。本文首先總結(jié)現(xiàn)有的P2P流量建模工作，然后說明區(qū)塊鏈流量建模的相關(guān)工作。

1.P2P網(wǎng)絡(luò)建模

點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)由相互連接的設(shè)備組成，這些設(shè)備在彼此之間共享資源，而不需要集中管理。

• BitTorrent是一種基于P2P網(wǎng)絡(luò)的流行應(yīng)用程序。Qiu和Srikant[2004]引入了一個(gè)流體模型來分析BitTorrent系統(tǒng)的性能。建模結(jié)果可以深入了解不同參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

• Kazaa是另一個(gè)著名的P2P應(yīng)用程序。Gummadi等人[2003]分析了Kazaa P2P文件共享流量，以調(diào)查文件共享工作負(fù)載的性質(zhì)。

• Hefeeda和Saleh[2008]進(jìn)行了為期8個(gè)月的流量測量，以研究緩存相關(guān)的P2P流量特征。結(jié)果表明：P2P網(wǎng)絡(luò)的流量分布服從Mandelbrot-Zipf分布。

• Li等[2011]建立了基于多維支持向量機(jī)(MSVM)的P2P網(wǎng)絡(luò)流量識(shí)別模型。該模型使用MSVM作為分類器，對P2P流量和非P2P流量進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行特征提取、數(shù)據(jù)處理和MSVM訓(xùn)練。

2.區(qū)塊鏈相關(guān)流量建模

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域的巨大發(fā)展，出現(xiàn)了不同的通信模式。它們有不同的流量模型，在算法、處理能力、時(shí)間和存儲(chǔ)方法方面也有所不同。文本將其分為三種類型：Gossip協(xié)議、Kademlia算法和有向無環(huán)圖(DAG)。

Proposed Traffic Models

1.區(qū)塊鏈流量模型

區(qū)塊鏈的流量主要分為兩個(gè)部分：塊生成和塊傳播。過程示意圖：

詳情

2.物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈流量模型

分為兩類，結(jié)構(gòu)如圖：

1. 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：在此結(jié)構(gòu)中，IoT設(shè)備充當(dāng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的正常節(jié)點(diǎn)。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)被視為輕節(jié)點(diǎn)。他們不需要存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈副本并進(jìn)行挖掘工作。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最大程度的去中心化。有預(yù)先配置的高性能節(jié)點(diǎn)作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的骨干。
2. 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：在此結(jié)構(gòu)中，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)被視為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。中央基站被放置以直接與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)交互。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)出的請求將由基站處理后發(fā)送到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)交易時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將收到通知。這種結(jié)構(gòu)的好處在于它的方便配置和維護(hù)，可以使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈的功能，而無需區(qū)塊鏈的維護(hù)成本和配置開銷。

Conclusion

本文全面概述了物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈，包括典型架構(gòu)、通信協(xié)議、應(yīng)用程序和流量模型。

未來的研究方向：

1. 設(shè)計(jì)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備性能的新的共識(shí)機(jī)制。
2. 解決區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可擴(kuò)展性、處理能力或存儲(chǔ)問題。
3. 物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈流量模型分析。
4. IoT與區(qū)塊鏈集成時(shí)如何確保安全性。
5. 在保證系統(tǒng)安全的同時(shí)，允許眾多物聯(lián)網(wǎng)組件加入專用網(wǎng)絡(luò)的訪問控制很難實(shí)現(xiàn)。

此外，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用的監(jiān)管和發(fā)展政策仍然缺失。沒有指示或規(guī)則可以遵循。需要全面的監(jiān)管來明確規(guī)則，并指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)的整合。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-411045.html

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