庆南fc马考: 物聯網技術區塊鏈中數據確認時間

來源: 庆南fc对蔚山现代 作者:gufeng 發布時間:2019-10-04 論文字數:3524字
論文編號: sb2019100423095328081 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,本章對物聯網技術區塊鏈中數據確認時間進行論文研究介紹。

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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

第三章 區塊鏈中數據確認時間


區塊鏈結合物聯網的場景下,物聯網數據作為區塊鏈中的交易存在,若數據已經被應用檢測到在區塊鏈中存在,應用可以根據自身對于安全性以及時效性的要求計算出確認時間,經過這段時間后再使用和處理數據。本章逐一分析了最短確認時間的影響因素以及各影響因素的子因素。若某時刻某區塊在區塊鏈節點中作為主鏈區塊存在,則該區塊中的數據被該節點認為是可使用的。反之,若該區塊不在主鏈上,代表數據沒有保存在公認的區塊鏈上,區塊鏈網絡中的節點不認可該區塊以及區塊內的數據。應用可以通過該數據所在的區塊當前所處的狀態安全與否來判斷該數據可用或不可用。根據以太坊用來選擇主鏈區塊的GHOST協議,某高度下若產生多個分叉區塊,節點選取子區塊數最多的區塊為主鏈區塊。但主鏈區塊并不是始終如一的,若其他分叉區塊的子區塊數大于當前主鏈區塊的子區塊數,節點會重新選取子區塊數更多的區塊為主鏈區塊。而事實上某個區塊的子區塊數代表著該區塊的確認區塊數量。根據上述分析,本章分兩個部分來對以太坊區塊的確認時間進行分析:首先是區塊至少應滿足的確認區塊數量與時間的關系,其次是區塊后實際連接的確認區塊數與時間的關系。當包含著應用數據的區塊被挖出后,至少應滿足的確認區塊個數會隨著時間的推移而發生變化,由區塊鏈節點自主挖礦生成的確認區塊數也會隨著時間的變化而發生變化。因此,對于一個固定的時刻,當新生成的確認區塊數量大于至少應滿足的確認區塊數量時,區塊中的數據在該時刻是安全的。若確認區塊數量小于應滿足的區塊數量則需要再等待一段時間,直至到達某時刻確認區塊數量大于等于該時刻應滿足的確認區塊數。本文將至少應滿足的確認區塊個數稱為最少確認區塊數,在以太坊的環境下,本章在保證區塊中數據安全的條件下對被挖出的區塊的最少確認區塊數進行分析,并對最少確認區塊數量和時間的關系進行了詳細的分析。


3.1 區塊鏈的最少確認區塊數
由于區塊鏈在同一高度只選擇一個區塊作為主鏈區塊,因而分叉區塊間存在著對主鏈的“競爭”關系。但如果區塊鏈在某高度發生分叉現象,當前的主鏈區塊存在著被其他同高度分叉區塊替代的可能性,經過一段時間后主鏈區塊可能會發生變化。原先主鏈區塊中的數據在區塊鏈網絡中變為無效數據,使得應用數據不被區塊鏈網絡所公認從而變為不可用。因此,區塊在被挖出后需要等待區塊后連接一定數量的確認區塊數,直至其他的分叉區塊難以超越該區塊的確認區塊數。根據文獻[29]對GHOST協議的分析,使用GHOST協議的區塊鏈中決定區塊的最少確認區塊數量的主要因素為網絡中攻擊節點的算力、應用對區塊中數據不可用的容忍程度和區塊在誠實者主鏈上的概率。
3.1.1 區塊鏈網絡中攻擊節點的算力
51攻擊是區塊鏈中典型攻擊手段。所有攻擊節點利用其算力在某高度處另立一條新鏈,試圖惡意造成區塊鏈分叉,目的是攻擊者試圖使得分叉高度區塊在確認區塊數量上超過原先的主鏈區塊。當攻擊節點算力占全網算力的50%以上時,攻擊必然成功。因此當網絡中存在攻擊節點時,誠實鏈條區塊的最少確認區塊數應在原來的基礎上增加一定的數量。
3.1.2 應用對數據不可用的容忍程度
從應用角度出發,應用對區塊中數據不可用的容忍程度是一個自變量,不同應用對數據的安全性有不同的容忍程度,某些應用為了提高數據傳接收的效率,可以允許數據存在一定的不可用概率。即一段時間過后,數據不可用的概率小于應用設定的閾值則區塊中的數據能夠被視為是可用的。在包含應用數據的區塊后連接了一定數量的確認區塊后,雖然區塊中數據不可用的概率依然存在,但只要該概率小于應用設定的概率閾值就可以確認區塊中的數據。從區塊鏈的角度出發,應用對區塊中數據不可用的容忍程度可以理解為已經確認的區塊內數據經過一段時間后失效的概率,此時在研究中可作為一個因變量,若區塊鏈網絡發生如攻擊節點增多、確認時間縮短的變化,則相應地可以得到區塊中數據不可用概率的變化。本文以區塊中數據不可用的概率作為衡量安全性的標準,數據不可用概率越低則安全性越高,反之,數據不可用概率越高則安全性越低。
3.1.3 區塊在誠實者主鏈上的概率
當區塊鏈在某高度發生惡意分叉后,雖然某時刻誠實者區塊的確認區塊數大于攻擊者區塊的確認區塊數,攻擊者鏈條對誠實者鏈條暫時不構成威脅,但若該時刻包含應用數據的區塊尚不在誠實者主鏈上,數據對于應用來說仍是不可用的。因此,需研究區塊在誠實主鏈上的概率隨時間的變化規律。首先,根據GHOST協議:當節點在自身的緩存中發現某高度存在某個區塊的確認區塊數大于其他分叉區塊時,該區塊被該節點視為主鏈區塊。但主鏈區塊是可能被替換的,區塊在隨后的時間是否在主鏈上還涉及到其他分叉鏈條增長的情況。因此,需要分析不同時刻分叉的概率。其次,若某高度出現多個分叉,主鏈區塊是由同一高度的區塊在隨后所挖出的確認區塊數量決定的,因此還要分析不同時刻各分叉區塊產生確認區塊的概率。
(1)對某高度的分叉概率的分析設所研究高度為高度h,當高度h上的第一個區塊被挖出后,事實上由于該區塊在被挖出后并不能立即被所有區塊鏈節點接收,因此其成為高度h上的主鏈區塊需等待該區塊廣播至所有區塊鏈節點。而在這段時間內,存在著暫未接收到該高度區塊的節點,本文中,將暫未收到任何h高度區塊的節點稱為“空白節點”。這類節點仍在原來的高度h-1上挖礦。當這類節點挖到新的區塊時,高度h上會增加兩個甚至兩個以上區塊,造成區塊鏈在高度h上分叉。由于該分叉是由空白節點產生的,因此需要分析空白節點產生區塊的概率。而產生區塊的概率是由節點的算力來決定的,網絡的算力增加則產生新區塊的概率也會增加。本文假設區塊鏈網絡中所有節點算力相同,則問題轉化為求解分叉概率與空白節點的數量之間的關系??瞻捉詰愕氖肯嗟庇謐芙詰閌躒ヒ呀郵盞角櫚慕詰闋蓯?,區塊 為高度h上第一個產生的區塊,該區塊于t1時刻被節點A挖出。在 t1時刻,只有節點 A 的緩存中包含區塊 。此時節點 A 在區塊 的基礎上繼續向更高的高度挖礦,而其余節點仍在高度 h-1 上的區塊的基礎上繼續向上挖礦。由于每個接收到區塊的節點存在驗證區塊的時延以及轉發時對等節點暫時離線造成的時延,設直至 t2時刻區塊鏈節點 B 接收到區塊 ,如圖 3.1 所示:

稱節點內部不同的區塊結構為不同的“視角”,在 t2時刻,節點 B 接收到了區塊 。此時節點 B 與節點 A 的塊鏈視角相同。而在 t1與 t2之間,節點 B 由于未接收到任何 h 高度上的區塊,因而繼續在 h-1 高度上挖礦。
與區塊 同高度的分叉區塊可能在t1至t2時間內被節點B挖出,若在t1與t2間的t'時刻成功挖到區塊 ,則高度h產生區塊鏈的分叉現象。同樣的, 在網絡中共同廣播期間,空白節點仍有概率產生新的分叉區塊。綜上所述,分叉區塊是由高度h上的區塊在傳播過程中空白節點產生的。隨著區塊的傳播,空白節點占比減少,產生分叉區塊的概率逐漸減少。因此,需分析以太坊區塊的傳播隨時間變化的關系,從而得出空白節點占比。(2)對各分叉區塊產生確認區塊概率的分析根據區塊鏈內部的機制,區塊鏈節點若收到同一高度的多個區塊,它會根據接收到區塊的先后順序來決定自己以哪一個區塊為主鏈區塊并以該區塊為基礎繼續向上挖礦。因此,根據區塊鏈網絡中的節點對于h高度上不同分叉區塊的選擇可以將節點分為不同的集合。各集合分別以不同的區塊為基礎向上繼續挖礦。和分叉區塊產生的過程類似,在區塊鏈網絡中不同類節點的占比不同因而產生區塊的概率也不相同。但是由于節點可以接收到多個分叉區塊,因此各類以不同分叉區塊為主鏈的節點集合的占比不僅與單個區塊的傳播有關,而且和節點接收高度h上各分叉區塊的順序有關。如圖3.2所示,假設節點A、節點B分別產生高度h上的區塊,雖然兩區塊隨著各自的傳播逐漸被網絡中節點接收,但各類節點集合的占比卻收到了區塊傳播順序的影響。
比特幣使用動態變化的難度值來適應網絡中整體算力變化,使得處塊間隔維持在一個穩定值附近。中本聰在比特幣白皮書中將產生區塊這一事件視為一個泊松過程,并利用泊松過程分析了攻擊節點發起 51 攻擊成功超越當前主鏈的成功率。以太坊平臺也設置了難度更新算法 Ethash[31]來使全網節點的算力和出塊間隔之間產生一種穩定的關系。出塊間隔較小意味著全網的算力總和較強,需要提升挖礦難度來使塊間隔增大。反之,出塊間隔較大意味著全網的算力總和較弱,需要降低挖礦難度來使塊間隔減小。在以太坊中,視全網挖出一個新區塊為一個事件,則該事件滿足:①在規定的初始時刻還沒有區塊被挖出。②由于以太坊的挖礦算法可以使任意網絡算力下的出塊間隔在一個固定值附近波動,只要全網存在算力,挖出新區塊這一事件發生的頻率就幾乎是固定的,則該事件發生的周期也是固定的。因此,在一個時間段內挖出的區塊數量并不會影響到另一個時間段挖出的區塊的數量。③由于在每個時刻事件發生的頻率即單位時間內事件發生的頻數是固定的。則在兩個相同的時間段 T1、T2內,事件發生的概率=固定的頻數×T1=固定的頻數×T2。事件在相同時間內發生的概率也是相同的。根據條件①至條件③可知以太坊新區塊產生這一事件也可視為一個泊松過程。在區塊被挖出后的 t 時刻,區塊實際的確認區塊數為 ,當 大于區塊最少確認區塊數時,由于滿足了 t 時刻對于確認區塊數的最低要求,則 t 時刻區塊中的數據可以被確認并也可以被應用使用。所以還需分析研究區塊的實際的確認區塊數 ,通過各時刻通過 與 的比較可以得到區塊中數據最短的確認時間。


3.2 本章小結
本章首先對以太坊中區塊的確認時間進行了分析,在某時刻實際的后續區塊數到達了當前環境所需的最少的確認區塊,即可以確認區塊中的數據。之后逐一分析了最少確認區塊的影響因素,且對影響因素之一——區塊在誠實者主鏈上的概率進行了深入分析。本章根據GHOST 協議確定區塊在誠實者主鏈上概率的影響因素,即分叉概率以及各分叉區塊的確認區塊數增加的概率。此外,分析了實際的確認區塊數的增長規律,明確了求解最短確認時間的方法。


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