韩国庆南FC队: 物聯網與區塊鏈結合的國內外研究現狀

來源: 庆南fc对蔚山现代 作者:gufeng 發布時間:2019-10-04 論文字數:4338字
論文編號: sb2019100423054328080 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,本章介紹了物聯網與區塊鏈結合的國內外研究現狀。

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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

第二章 國內外研究現狀


2.1 區塊鏈的主流平臺
區塊鏈技術的逐步發展催生了眾多以區塊鏈技術為核心的平臺,其中主流的平臺包括比特幣、超級賬本 Fabric 以及以太坊。
(1)比特幣隨著數字技術的不斷發展,物聯網在各個領域都支持著眾多的應用和服務。智能家居系統是物聯網應用之一,它由多種家電和傳感器組成,實現照明、通風、空調、醫療、監控和安全系統的調度和自動運行。此外,房主可以通過互聯網隨時遠程監控和執行設備功能。比特幣自誕生以來便收到眾多投資者的喜愛。雖然比特幣本身在經濟、哲學和技術上的意義巨大,但賬本才是比特幣的關鍵部分。雖然比特幣獲得了巨大的成功,但它仍具有一些缺陷[11]。首先,比特幣的區塊生成周期為十分鐘左右,若網絡中的交易增多則比特幣高時延的缺陷就會被凸顯出來。其次,比特幣只能用 UTXO(Unspent Transaction Output,未被花費的交易輸出) 來處理轉賬匯款之類的金融問題,不便于解決其他方面的問題,因此在比特幣之后又陸續衍生出一些其他的區塊鏈平臺。
(2)超級賬本 FabricFabric 是一個開源的區塊鏈平臺[12],是 Linux 基金會主持下的超級賬本 Hyperledger 項目[13]之一。目前,Fabric 已有 400 多個原型和生產分配及分類系統,而且可跨不同類型的行業和應用。其中包括但不限于貿易物流、外匯結算、食品安全、合同管理、激勵管理、低流動性證券交易和結算、身份管理和數字貨幣結算等領域[14]。Fabric 引入了一種新的塊鏈體系結構,旨在實現彈性、靈活性、可伸縮性和保密性。是第一個支持以標準編程語言編寫的分布式應用程序執行的??榛涂衫┱雇ㄓ們榱聰低?,它允許在多個節點上一致執行這些應用程序,給人一種在一臺全球分布的區塊鏈計算機上執行的印象。這使得 Fabric 成為第一個使用區塊鏈的分布式操作系統[15]。
(3)以太坊以太坊是一個基于公共區塊鏈的分布式計算平臺。最初被設想為加密貨幣的升級,它通過一種通用的編程語言提供高級應用,如塊鏈托管、訪問控制、金融合同、博彩市場等。以太坊基金會在以太坊黃皮書[16]中對正在開發的 ETH 協議作了具體規定。和比特幣類似,以太坊中的礦工使用 POW(Proof of work, 工作量證明)共識算法??蠊ね誑笏竦玫謀ǔ曄墻灰追⒉頰咧Ц兜耐誑蠓延?。以太坊節點可以參與到兩種公共網絡——主干網(mainnet)或測試網(ropsten)中的一種中去。以太坊的核心架構如圖 2.1 所示,其最上層是 DApp(Decentralized Application,分布式應用)。Web3.js 是一個通過 RPC(Remote Procedure Call,遠程過程調用)調用來和本地以太坊節點進行通信的 javascribe 庫,DApp 通過 Web3.js 和智能合約層進行交換。所有的智能合約都運行在 EVM(Ethereum virtual machine,以太坊虛擬機)上,并會受到 RPC 的調用。EVM 和RPC 之下是以太坊的四大核心內容,包括:區塊鏈結構, 共識算法,挖礦以及網絡層。除了DApp 外,其他的所有部分都在以太坊的客戶端中,目前最流行的以太坊客戶端是使用 Go 編程語言的 Geth 客戶端。

與其他平臺不同的是以太坊可以作為一臺虛擬機工作,盡管其性能將比大多數當前PC電腦慢,但是由于它有自己的語言,如Solity或Serpent[18],因此允許開發人員編寫和編譯程序。程序編譯后可以運行在以太坊虛擬機上[19],就像任何其他計算環境一樣。編譯后的代碼將被轉換為操作碼,然后再轉換為二進制代碼,這些代碼將在以太坊虛擬機環境上執行。以太坊將計算系統與區塊鏈結合起來使開發人員可以靈活地編寫可以在區塊鏈上運行的代碼。由于很難惡意操縱或篡改代碼,因此幾乎可以保證用戶編寫的代碼可以安全地依照他們的預期行事。此外,以太坊具有很高的透明度,用戶可以直接查看它的公開邏輯或智能合約代碼,發布在上面的數據不會被操縱或偽造。因此,有許多公司、行業和人員試圖開發符合其行業特點的以太坊應用[20],各類物聯網應用也與區塊鏈技術相結合以保障數據的安全性與準確性。


2.2 區塊鏈結合物聯網的研究現狀
目前,物聯網結合區塊鏈解決現實問題的實例較少,區塊鏈結合物聯網的應用領域還處于起步階段。大部分研究主要是為了驗證區塊鏈在物聯網中的作用,測試程序運行時的局限性,并探討可能出現的故障及方案的可行性。文獻[21][22]為物聯網提出了一種基于區塊鏈的輕量級架構,它在降低區塊鏈開銷的同時維護了安全和隱私。物聯網設備結合類似于區塊鏈的集中管理的私有賬本以優化能源消耗。高資源設備則創建一個覆蓋網絡,以實現可公開訪問的分布式區塊鏈,確保端到端的隱私安全并使用分布式認證來減少塊驗證處理時間,最終將其實現于智能家居應用中。文獻[23]提出了物聯網中的一種新的角色和權限的仲裁結構,是基于區塊鏈技術的物聯網全分布式訪問控制系統,并在真實的物聯網場景中進行了評估。該文章給出的結果表明在特定的可擴展物聯網場景中,區塊鏈技術可以作為訪問控制技術來增強安全性。文獻[24][25]評價了區塊鏈對于加強網絡安全和?;ひ椒矯嫻淖饔?。利用實際應用和現實實例,論證了區塊鏈的分布式特征很可能導致的攻擊敏感性問題。此外還特別討論了基于區塊鏈的身份和訪問控制系統中的問題如何解決以及提出與物聯網安全性相關的一些關鍵挑戰。文獻[26]對三種主流平臺比特幣、以太坊以及超級賬本Fabric的特性進行了比較,如表2.1所示:
雖然比特幣是目前使用最廣泛的區塊鏈平臺,但它在物聯網和分布式應用程序開發中的潛在作用極為有限,不適合于物聯網結合區塊鏈的方案。建立在比特幣上的智能應用會消耗極大的物理資源且相對其它平臺存在較長的交易確認延遲。因此,它的作用受到了很大的限制。不過其他平臺如以太坊和超級賬本依然存在與物聯網結合的可能性。其中,超級賬本Fabric是一個將共識機制、身份驗證等組件??榛目蚣?,而不是一個公有鏈,也沒有內置的代幣。而以太坊則是一個帶有圖靈完備語言的區塊鏈平臺,用這種語言可以創建合約來編寫任意狀態及功能。用戶只要簡單地用幾行代碼來實現邏輯,就能夠創建一個基于區塊鏈的應用程序,并可將其應用于貨幣以外的場景。分布式賬本為數據交互提供了一個可信的環境。在物聯網的應用開發方面,可以將前端和鏈上結合起來。根據預期的用途,可以將兩個應用程序部分組合為一個解決方案。前端應用程序部分是Web、移動和嵌入式應用程序,它們通過區塊鏈客戶端公開的客戶端API(Application Programming Interface,應用程序編程接口)使用區塊鏈。前端應用程序是用戶界面和物聯網設備使用區塊鏈所必需的。鏈上業務邏輯是指智能合約,即在以太坊中使用Solidity語言所編寫的代碼,它是在區塊鏈網絡中部署和執行的程序。智能合約的執行在區塊鏈中得到驗證。因此,區塊鏈為智能合約執行提供了一個分布式的、可信的虛擬機。以太坊的高安全性、強業務邏輯性也使得眾多研究者使用以太坊平臺來實現新的物聯網架構。文獻[27]研究了智能合約部署在物聯網上的自動化腳本,指出了在物聯網環境下部署區塊鏈網絡之前應考慮的某些問題如隱私到網絡以及交易數字化資產。文獻[28]使用區塊鏈來構建控制和配置物聯網設備的物聯網系統。使用RSA公鑰密碼體制來管理密鑰,它將公鑰存儲在以太坊中,私鑰保存在各個設備上。雖然物聯網與區塊鏈的結合有著很好的前景,但區塊鏈的高時延也對這種結合方式產生了一些限制。因此,如何使得物聯網數據在區塊鏈中更有效率地被使用也成為了一個亟待解決的問題。


2.3 區塊鏈數據確認時間的研究現狀
目前,比特幣默認區塊后連接六個確認區塊則該區塊被視為可用,但以太坊對于數據應滿足的確認區塊數卻沒有公認的標準。而在用戶或應用層面,應該根據自身應用的需求和標準合理規定區塊確認時間??梢越徊醬佑沒蕕陌踩嵌瘸齜⒔餼鑾橥誄齪笏璧卻氖奔淶奈侍?,從而使得用戶可以最快的速度提取區塊鏈中安全的數據,并能夠及時地處理數據。因此,區塊被挖出后的等待時間也十分重要,而目前在以太坊的環境下并沒有就區塊鏈本身的運行機制對區塊挖出后應用應該等待的數據確認時間的研究。由于以太坊縮短了出塊間隔并使用GHOST協議使得區塊鏈中頻繁地產生分叉,而GHOST協議中各分叉區塊包含各高度分叉區塊在內的后續區塊都屬于該區塊的確認區塊,因此應在GHOST協議的基礎上分析以太坊的數據確認時間。文獻[29]給出了GHOST協議下挖出區塊后經過的時間與最少確認區塊的關系,即對于某時刻存在一個對應的區塊數,確認區塊至少要達到該數量后再進行確認才能保證區塊中數據的安全。而該文章給出的關系式會隨著區塊鏈平臺的不同而發生變化,作者并沒有結合任一平臺進行深入分析。


2.4 現有的信息傳播模型
區塊的最少確認區塊數需要建立消息的傳播模型來分析,以下模型可以分析信息在網絡中的傳播,但這些模型對于問題的適用性各不相同。
(1)滲流模型滲流模型是指系統中的節點以一定的概率改變自身狀態,狀態相同且相鄰的節點的邊界相互滲透,最終形成一個或多個集群。滲透理論能夠在給定固定的拓撲和節點初值的條件下,得到各節點之間的連通性以及連通概率。但滲透理論所研究的場景為已知的結構化的拓撲,而且只考慮上下左右四個方向的鄰居,且集群中節點的鄰居節點數固定。當節點以一定的概率由一種狀態變為另一種狀態時,可以將模型應用于網絡的信息傳播來分析節點間對于信息共享的連通性。如節點對于其相鄰節點信息的接收概率存在關系,當所有節點依概率決定是否可與相鄰節點連接時,某些節點會形成一個集合,集合間的節點可相互傳遞信息。
(2)傳染病模型傳染病模型[30]起初被用來對一個種群中病毒的傳播進行分析,其針對的問題包括:病毒的傳播過程、受感染個體的變化規律以及預報傳染病的高潮期。在分析信息的傳播時,可將模型中的病毒在空間中的擴散視為信息在空間中的傳播。通常模型中設有感染者(I)、易感者(S)、移出者(R)三類集群。傳染病模型為以下三類:①SI模型該模型僅包含感染者和易感者兩類個體,當易感者感染病毒后成為感染者,該模型又被稱作連續的阻滯增長模型或logistic增長模型,它是一種微分方程模型,即模型中的研究對象的特征隨著時間的變化發生動態的變化。模型的表現形式可以是微分方程或微分方程組。②SIS模型和SI模型不同的是SIS模型中的感染者是可以被治愈的,被治愈后的個體歸為易感者,表示其仍會被再次感染。和SI模型相類似,SIS模型在網絡中可以分析信息或數據在節點集群中的狀態,但該信息或數據可以被節點以某種概率移除。③ SIR模型相較于前兩類模型,SIR模型增加了移出者這一集群。移出者指感染者被治愈后產生免疫功能,之后不會再次感染病毒。該模型適用于分析網絡中節點接收信息之后可能會丟棄該信息且在丟棄信息后不會再次接受該信息的情形。
(3)差分形式的阻滯增長模型現實中有時使用離散化的時間研究比使用連續時間研究更為適合,例如某些生物每年在固定的時間繁殖出下一代,研究對象每隔一段時間產生一次增長,可以用周期作為一個時間段來研究它的增長規律。差分形式的阻滯增長模型是時間離散化的logistic增長模型。


2.5 本章小結
本章首先對區塊鏈現有的主流平臺進行介紹,主要介紹以太坊平臺適應于物聯網的特點。其次介紹了在物聯網環境下使用區塊鏈的現有研究以及使用以太坊平臺結合物聯網的研究現狀,隨后介紹了基于現有的區塊鏈結構下區塊確認時間的概念,最后例舉了現有的可以分析信息傳播的幾類模型。


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