鹿岛鹿角vs庆南fc历史战绩: 物聯網與區塊鏈結合的研究緒論

來源: 庆南fc对蔚山现代 作者:gufeng 發布時間:2019-10-04 論文字數:3968字
論文編號: sb2019100423005828079 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文為一篇物聯網技術碩士論文,本章對物聯網與區塊鏈結合的研究進行了概述。

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題目:物聯網與區塊鏈結合環境下對數據確認時間的研究
第一章 物聯網與區塊鏈結合的研究緒論
第二章 物聯網與區塊鏈結合的國內外研究現狀
第三章 物聯網技術區塊鏈中數據確認時間
第四章 物聯網技術區塊鏈確認時間模型的建立
第五章 物聯網與區塊鏈結合仿真實驗與結果分析
第六章 物聯網與區塊鏈結合總結與展望及致謝、參考文獻

第一章 緒論


1.1 研究背景及意義
傳統意義上,人們使用賬本來系統地維護數據,特別是使用賬本來維護各自的含有余額帳戶類型的財務交易記錄。這些賬本由作為受信任方的銀行或政府授權方集中保管。隨著數字技術浪潮地興起,這些實物賬本正逐漸轉變為數字賬本,但仍由授權方集中維護。從數字貨幣的誕生與發展來看,雖然目前已經做到了讓貨幣以數字化的形式高效流通,但這種數字化的貨幣形式目前仍處于初級階段,不得不依賴大量的第三方中介機構才能保證數字貨幣的流通。而這種形式,不僅引入了中心化的風險,也提升了傳輸的成本。這些集中式系統由于其單點失效的特性,常常成為攻擊者們的目標,傳統的安全?;し絞嬌贍芑嶁孤┮叫畔⒒蚨е匾?。因此,一種新的技術——區塊鏈,逐漸進入研究者的視野以防止這類安全漏洞。區塊鏈最初的平臺——比特幣[1]自 2008 年底創立以來,其價值和交易數量即迅速增長。它的成功主要歸功于開創性地使用對等網絡來實現用戶間貨幣的轉移,并在此基礎上保證了安全性。這是與以往研究致力于創建依賴于集中管理者的系統的區別。
隨著物聯網的普及,物聯網設備與應用類型層出不窮,攻擊者可以利用數以千計的物聯網設備,包括網絡攝像頭、嬰兒監視器、家庭路由器和數字錄像機發起攻擊。被感染后的物聯網設備被惡意軟件控制后,攻擊者可以利用它們發起分布式拒絕服務(Distributed Denial ofService, DDoS)攻擊。這一過程包括對電子郵件進行網絡釣魚從而感染計算機或家庭網絡,接著惡意軟件擴展到其他設備,如錄像機、打印機、路由器甚至商店和企業使用的與互聯網連接的攝像頭[2]。從安全的角度來看,物聯網應用程序和平臺存在的主要缺點是它們對集中式數據中心的依賴。而分布式的、基于區塊鏈的方法可以克服與集中式數據中心方法相關的這些問題[3]。由于區塊鏈具有去中心化、全節點共識以及非對稱的加密特性,因此增加了網絡的可擴展性和容錯性。但是,物聯網設備數量龐大,且往往爆發式地在網絡中傳輸數據,若使用比特幣平臺與物聯網結合,比特幣平臺的高時延會使得物聯網應用的開發受到極大的限制。2014 年以太坊的出現打破了這種限制[4],它選擇 GHOST[5](最重貪婪觀察子樹,Greedy Heaviest ObservedSubtree)協議替代比特幣的最長鏈原則作為主鏈選擇協議,在保證區塊安全的前提下極大提升了區塊鏈的出塊速率。
通過文獻[6][7]對物聯網結合區塊鏈普遍架構的分析可知用戶使用區塊鏈網絡傳接收數據的普遍流程如圖1.1所示:

圖中各部分含義如下:① 用戶A對數據簽名后發送至區塊鏈網絡中的某個節點。② 區塊鏈節點驗證數據簽名后將其轉發至其它區塊鏈節點并將該數據打包至區塊內,當區塊容量達到規定限制后,各節點隨即開始尋找該區塊的工作量證明。③ 包含該數據的區塊被區塊鏈節點挖出并廣播。④ 其余節點驗證該區塊中內容及工作量證明的有效性,若通過檢驗則將其加入本地緩存。⑤ 用戶B等待一定的確認時間使得區塊之后連接若干新的區塊,直到認為區塊安全后才使用區塊中的數據。其中,步驟①至步驟④是由區塊鏈網絡內部運作機制產生的時延,而步驟⑤是用戶方為了防止已確認的數據在一段時間后失效,從而等待確認區塊所產生的時延。因此,整個流程所消耗的時間分為兩部分,即等待新區塊產生的時間和出塊后的數據確認時間。文獻[8]給出了區塊中交易確認的定義:如果使用者確定交易或數據將永久地出現在區塊鏈中,則稱為交易已確認。等待一定的交易確認時間可以增加區塊的安全性。而分叉現象是造成區塊鏈安全問題的根本原因。
同一高度出現多個區塊的現象被稱為區塊鏈分叉現象。分叉現象如圖1.2所示:
假設區塊鏈網絡中存在節點 A 和節點 B,兩節點幾乎同時挖出了新區塊,即找到了自己打包的區塊的工作量證明,分別為區塊 A 和區塊 B。隨后它們都會把自己挖到的區塊鏈接到自己本地的區塊鏈上,這就造成了區塊鏈分叉。同時,這兩個節點會將區塊及該區塊的工作量證明同步至區塊鏈網絡中的其他節點,以便與其他節點同步完最新的數據后在最新的區塊鏈上繼續挖礦。此時,離節點 A 較近的點,可能先同步到區塊 A,并在區塊 A 的基礎上繼續挖礦,鏈條會持續增長。離節點 B 較近的點,可能先同步到區塊 B,并在區塊 B 的基礎上繼續挖礦,鏈條也會持續增長。由于區塊鏈最終只選擇一條鏈作為主鏈,因此,當主鏈被選定后,另一條鏈上的數據會被回滾或清除,造成數據丟失和算力浪費。若用戶不等待一定的確認區塊數,則有可能使用已回滾的無效數據。51 攻擊[9]正是憑借區塊鏈的這種特點發起攻擊,該攻擊是指攻擊者節點從某一高度開始創造一條新的區塊鏈從而替代原先的主鏈造成原先主鏈數據失效的一種攻擊行為。而用戶或應用在區塊被挖出后等待一定的確認區塊可以緩解這種攻擊。正常情況下,當用戶或應用在區塊鏈中提交一個交易,這個交易最終會被區塊鏈中的礦工節點封裝在某個區塊中,此時這筆交易暫時獲得了 0 個確認。當有另外一個區塊鏈接到這筆交易所在區塊之后,也就是其他區塊把這筆交易所在區塊當作父區塊時,代表該筆交易獲得了 1 個確認。以此類推,一筆交易獲得了多少個確認,就相當于這筆交易所在區塊之后又連接了多少個區塊。攻擊者攻擊某區塊時必須使得攻擊鏈在該區塊之后制造的分叉長度大于該區塊已有的確認區塊數量,因此確認區塊的數量越多區塊越安全。以太坊使用GHOST主鏈選擇協議選擇主鏈,GHOST協議選擇子區塊即確認區塊數量最多的區塊作為主鏈。當出塊速率高與比特幣時,使用GHOST協議可以將51攻擊的成功率控制在和比特幣相當的程度,從而在提高出塊速率的同時仍保持和比特幣相同的安全性。
圖1.3為GHOST協議選擇主鏈的示意圖,通過各個高度子區塊數量的對比,可知高度從高到低依次選擇的主鏈區塊為0→1B→2C→3D→4B。物聯網中如實時 IOT[10]、數據交互、智能家居、報警系統等物聯網應用對于數據傳接收的效率要求較高,雖然區塊后鏈接的確認區塊數越多該區塊的安全性越高,但為了滿足應用對時效性的要求,對于上述應用應該得到一個可以保證其安全性要求的最短的確認時間。比特幣設置的六個確認區塊數是其創立者主觀確定的,由于平臺被廣泛使用后難以更改因而沿用至今,因此比特幣的確認時間約為 60 分鐘。而以太坊平臺并沒有為確認區塊的數量及確認時間規定具體的數值。決定至少應該滿足的確認區塊數的可變因素之一是網絡中存在的攻擊節點算力。除攻擊節點算力之外,由于物聯網中涉及的應用覆蓋面廣,不同類型的應用對數據失效的容忍度不同,如報警系統中應用接收到報警消息后并不關心隨后該消息是否存在于區塊鏈上,那么該類應用發布的數據就可以在短時間內被提取并使用。但對于含有日志記錄的訪問控制系統來說,假設某時刻包含一個訪問請求的區塊被區塊鏈網絡挖出,若該消息被應用立即確認即代表其承認了訪問者此次的訪問,從而可能會向訪問者提供密鑰。但若包含訪問請求的區塊被攻擊成功,則區塊中的內容失效,區塊鏈網絡不會承認該請求。訪問者雖然已經訪問成功但其訪問痕跡隨著區塊的失效而被區塊鏈網絡抹去。網絡中除攻擊節點以外的正常運作的區塊鏈節點稱為誠實者,而僅由誠實者創造的鏈條也會產生分叉,將誠實者所產生鏈條的主鏈稱為誠實者主鏈。區塊在被挖出后的某一時刻是否在誠實主鏈上決定著該區塊能否被確認。若某時刻區塊不在誠實者主鏈上,則該時刻區塊一定不能被確認。
若該時刻區塊在誠實鏈條主鏈上,但由于網絡中有攻擊者節點存在,因此區塊仍存在被攻擊成功的概率。而針對該問題需要根據以不同分叉區塊為主鏈區塊的算力來分析不同分叉區塊的確認區塊增長規律。由于以不同分叉區塊為主鏈區塊的算力會隨著區塊在區塊鏈網絡中的擴散而增加,因此,為了得到合理的確認時間,需要建立區塊的傳播模型逐步進行分析。


1.2 本文的工作和貢獻
在本文中,針對物聯網與區塊鏈結合環境下的不同應用對于區塊的確認時間的問題以及以太坊平臺使用 GHOST 選擇主鏈的特點,以某高度上的區塊以及該高度上的分叉區塊為研究對象,建立以太坊中區塊傳播的數學模型以分析包含用戶數據的區塊至少應滿足的確認區塊數。使用至少應滿足的確認區塊數與實際產生的確認區塊數對比的方式,得到包含應用數據的區塊被區塊鏈節點挖出后應等待的最短確認時間。本文的主要思想如下:為了得到最短的確認時間,本文使用某時刻至少應滿足的確認區塊數與區塊實際的確認區塊數相結合的方式。首先對至少應滿足的確認區塊數進行分析;其次建立差分形式的阻滯模型分析區塊的傳播,從而建立起時間與至少應滿足的確認區塊的關系;最終結合區塊實際連接的確認區塊數得到不同的網絡攻擊節點與應用的安全需求下的最短確認時間。


1.3 論文的組織結構
本文組織結構如下:第一章,緒論。本章簡要闡述了區塊鏈的產生背景及其發展現狀,并分析了將區塊鏈技術應用在物聯網領域中的優勢,同時說明了將區塊鏈技術應用在物聯網中仍然存在的時延問題以及以太坊中合理的數據確認時間的問題,然后介紹了本文的工作與貢獻,最后是論文的結構安排。第二章,國內外的研究現狀。本章首先介紹了區塊鏈網絡特點及主流平臺,之后介紹了物聯網與區塊鏈技術相結合的研究現狀、區塊鏈時延的產生因素,同時也討論了本文針對的以太坊中確認時間的問題。第三章,以太坊區塊確認時間。本章主要討論了在以太坊環境下決定確認時間的因素,分析了以太坊中區塊的轉發方式。逐一分析了最少確認區塊的影響因素,且對影響因素之一的區塊在誠實者主鏈上的概率進行深入分析。此外,分析了實際的確認區塊數的增長規律,明確了得到最短確認時間的方法。第四章,區塊鏈確認時間的模型建立。本章講述了使用差分形式的阻滯模型分析以太坊的傳播并通過該模型得到至少應滿足的確認區塊數與時間的關系,并在分析實際的確認區塊數與時間的關系之后綜合兩者得到最短確認時間。第五章,仿真實現與性能分析。該部分介紹了仿真實驗的對比實驗以及仿真場景的參數設置,給出了其實驗結果,最終得到最短確認時間的變化趨勢以及具體的參考數值。第六章,總結和展望。本章主要總結本文的研究內容,闡述本文的不足之處,展望未來工作的方向。


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