LightChain: یک سیستم Blockchain سبک وزن برای اینترنت صنعتی اشیاء | LightChain: A Lightweight Blockchain System for Industrial Internet of Things جدول مقالات آزادابزار تفکیک و ترجمه متون علمیمقالات اینترنت اشیاء
تماس با ما
 
بدان
 
امروز شنبه ، ۱۴۰۰/۰۷/۰۳
 
کلیه مقالات

LightChain: یک سیستم Blockchain سبک وزن برای اینترنت صنعتی اشیاء

LightChain: A Lightweight Blockchain System for Industrial Internet of Things

زنجیره نور:

یک سیستم بلاکچین سبک وزن برای اینترنت صنعتی اشیاء

چکیده:

در حالی که اخیراً تقاطع blockchain و اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT) مورد توجه تحقیقاتی قابل توجهی قرار گرفته است ، تضاد بین نیازهای بالای منابع blockchain و عملکرد کلی ناکافی دستگاههای IIoT به خوبی برطرف نشده است.

از یک سو ، به دلیل معرفی مفاهیم ریاضی ، از جمله زیرساخت های کلید عمومی ، درخت مرکل هاش و اثبات کار (PoW) ، استقرار blockchain نیاز به قدرت محاسباتی بزرگی دارد.

از طرف دیگر ، گره های کامل باید داده های عظیم بلوک را همزمان کرده و با معاملات بی شماری در شبکه نظیر به همسالان مقابله کنند ، که اشغال ظرفیت ذخیره سازی و پهنای باند آنها را برای دستگاه های IIoT دشوار می کند.

در این مقاله ، ما یک سیستم blockchain سبک به نام LightChain پیشنهاد می کنیم ، که از نظر منابع کارآمد و مناسب برای سناریوهای IIoT با محدودیت برق است.

به طور خاص ، ما یک مکانیزم اجماع سبز به نام Synergistic Multiple اثبات را برای تحریک همکاری دستگاههای IIoT و یک ساختار داده سبک به نام LightBlock برای ساده کردن محتوای پخش ارائه می دهیم.

علاوه بر این ، ما یک رمان فیلتر غیرمستقیم Block Offloading را طراحی می کنیم تا از رشد نامحدود سربرگ بدون تأثیر در قابلیت ردیابی blockchain جلوگیری کنیم.

آزمایشات گسترده نشان می دهد که LightChain می تواند هزینه محاسباتی فردی را به 39.32٪ کاهش دهد و تولید بلوک را تا 74.06٪ سرعت ببخشد.

از نظر ذخیره سازی و استفاده از شبکه ، کاهش ها به ترتیب 43/35 درصد و 90.55 درصد کاهش یافته است.

AS Industrial Internet of Things (IIoT) در سطح جهان به تصویب رسیده است ، بسیاری از تنگناهای توسعه را دنبال می کنند.

اول ، از آنجا که سیستم IIoT به طور کلی حاوی تعداد زیادی دستگاه پراکنده است ، هنگام مواجهه با حملات توزیع انکار سرویس (DDoS) بسیار آسیب پذیر است.

دوم ، ساختار مدیریتی متمرکز نمی تواند خود تأیید شود.

حوادث مرتبط ، مانند نشت حریم شخصی ، هر از گاهی اتفاق می افتد.

سرانجام ، با تکامل مداوم شبکه پهن Wide Area Wide (LPWAN) [3] ، تعداد دستگاه های IIoT در آینده از نظر هندسی رشد می کند و باعث می شود هزینه خدمات متمرکز غیرقابل کنترل شود.

خوشبختانه ، یک تحقیق در حال رشد از تحقیقات اخیر بر استقرار blockchain در IIoT برای مقابله با موضوعات فوق متمرکز شده است.

Blockchain یک دفترچه غیر متمرکز ، فقط append است.

اتخاذ عملیات اجماع با ذخیره سازی توزیع شده ، فن آوری blockchain دارای عدم قضاوت و عدم دستکاری است [4] ، [5].

با پشتیبانی از آن ، اطلاعات صنعتی به صورت مشترک در یک شبکه P2P نگهداری می شوند ، که می تواند ردیابی داده را به طور مؤثر پیاده سازی کند و جریان ارزش را در محیط های غیر قابل اطمینان تسهیل کند.

علاوه بر این ، blockchain قادر به ارائه خدمات نام دامنه غیرمتمرکز توزیع شده است ، و در کاهش نقاط ضعف فعلی DNS از جمله حملات DDoS ، کلاهبرداری DNS و غیره کمک می کند. [7]

به عنوان مثال ، برخی از آثار شناخته شده ، به عنوان مثال ، RuffChain [6] ، Consortium Blockchain [8] ، [9] ، Probe-IoT [10] برای تحقق ترکیب بین blockchain و IoT / IIoT به خطر افتادند.

با این حال ، از آنجا که blockchain اعتماد به مسئولین گواهی را از بین می برد ، برای اطمینان از امنیت داده ها یا جلوگیری از حمله ، مکانیزم های ریاضی و توزیع شده را اعمال می کند.

چنین تنظیماتی منجر به الزامات شدید منابع می شود.

به طور جدی تر ، عملکرد دستگاه های IIoT به طور کلی ناکافی است.

برای بهینه سازی مصرف منابع blockchain ، محققان پیشنهادهای متنوعی ارائه داده اند.

به عنوان مثال ، در وگویسیر [11] ، کارلسون و همکاران.

گرافیک ساختاری مجاز ، کارگردانی (DAG) ساختنی مناسب برای محیط هایی با قدرت محدود با اتصال شبکه محدود پیشنهاد شده است.

در AlkylVM [12] ، الیول و همکارانش یک دستگاه تقسیم مجازی را توصیف کردند که به دستگاه ها اجازه می دهد تا با سیستم های blockchain در تعامل باشند.

علاوه بر این ، لیو و همکاران [13] بارگذاری محاسبات و ذخیره محتوای در شبکه های blockchain بی سیم برای مقابله با معمای PoW و ترافیک همیشگی اینترنت ارائه شده است.

در حالی که همه این سیستمها ممکن است مصرف منابع سیستمهای blockchain را به طور کامل روشن نکنند.

ما مشاهده می کنیم که استقرار blockchain در IIoT با چندین چالش اساسی روبرو است:

1) از آنجا که پیشنهاد بلوک می تواند مزایایی به همراه آورد ، همسالان ثروتمند به طور مداوم قدرت محاسباتی خود را تحت PoW بهبود می بخشند ، در حالی که اکثر شرکت کنندگان نمی توانند با چنین سرعت به روز رسانی سرعت بگیرند.

با افزایش ارتفاع بلوک ، تأثیر متیو افکت جدی می شود و منجر به متمرکز شدن قدرت محاسباتی در شبکه P2P می شود.

2) برای دستیابی به ثبات توزیع شده ، blockchain نیاز دارد که گره فردی باید داده های گسترده تولید شده توسط شرکت کنندگان در شبکه های متعدد را حفظ کند.

تمام داده های تاریخی به طور دائم در مکانی و بدون مکانیسم بازیافت ذخیره می شوند و به مقدار زیادی از فضای ذخیره سازی تجاوز می کنند.

3) دستگاه های IIoT در تقابل با منابع شبکه ناهمگن هستند.

بنابراین ، برخی از همسالان محدود به منابع نمی توانند در مورد توان زیاد از عملیات مربوط به blockchain پشتیبانی کنند.

در این مقاله ، برای حل چالش های بحث شده در بالا ، ما مفهوم blockchain سبک وزن ، یعنی ، برای به حداقل رساندن اشغال منابع blockchain به گره ارائه می دهیم. بنابراین ، عملکرد اصلی دستگاه ها را تضمین کنید.

به طور خاص ، ما چنین اشغال را به سه جنبه مهم خلاصه می کنیم:

محاسبه مصرف برق؛ استفاده از فضای ذخیره سازی و استفاده از منابع شبکه

در بالای این بینش ، ما یک نمونه اولیه سیستم سبک را برای سبک کردن blockchain از این نوع ها ایجاد می کنیم.

کمکهای ما به شرح زیر خلاصه می شود:

1) ما یک مکانیسم اجماع سبز به نام Synergistic Multiple اثبات (SMP) برای ارتقاء همکاری بین دستگاه های IIoT ارائه می دهیم.

متفاوت از PoW که در آن معدن صرفاً به حجم کار بستگی دارد ، ما چندین استاندارد را اعمال می کنیم و چارچوب شاخص همکاری (CI) را پیشنهاد می کنیم.

از طریق CI ، ما مشکل پویا را برای هر گره تعیین می کنیم ، و به طور موثر باعث صرفه جویی در مصرف انرژی محاسباتی از معدن می شود.

2) با توجه به محدودیت در منابع ذخیره سازی ، ما از یک رمان فیلتر Unloader Block Offloading (UBOF) استفاده می کنیم.

از طریق تجزیه و تحلیل خروجی معامله ناپایدار (UTXO) ، تعریف بلاک های نامربوط (UB) را پیشنهاد می کنیم.

UBOF می تواند UB ها را ردیابی و بارگیری کند و در کاهش منابع ذخیره اشغال شده توسط blockchain نقش دارد.

3) ما مشاهده می كنیم كه در طول معامله و تأیید صحت بلوك ، اطلاعاتی كه توسط گره های همسالان پخش می شود ، همپوشانی دارند ، كه برای بهبود توان كارآمد نیست.

از این رو ، یک ساختار داده سبک وزن به نام LightBlock (LB) را به جای کل بلوک برای پخش طراحی می کنیم.

4) ما همچنین یک نمونه اولیه از LightChain را در پایتون 3 [14] با پشتیبانی Gunicorn تهیه می کنیم [15].

ارزیابی در یک شبکه P2P از ده معدنچی و گره های سبک وزن بی شماری نشان می دهد که SMP هزینه محاسباتی معدنچیان را 60.86٪ کاهش می دهد و تولید بلوک را تا 74.06٪ سرعت می بخشد.

علاوه بر این ، UBOF راندمان فیلتراسیون 43/35 درصد را تحت بار کار مختلف حفظ می کند ، و LB باعث می شود تا مصرف شبکه تا 90.55 درصد صرفه جویی شود.

ساختار این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است.

ابتدا در بخش دوم به بحث در مورد کار مرتبط و انگیزه خود می پردازیم.

سپس ، توابع سیستم و لایه ها در بخش III آورده شده است.

ما طراحی دقیق لایه LightChain را در بخش IV و همچنین ساختارها و سازوکارهای داده های سبک ارائه می دهیم.

علاوه بر این ، ارزیابی سیستم ما در بخش V نشان داده شده است.

سرانجام نتیجه می گیریم.

II- کار و تحرک مرتبط:

بهینه سازی مقیاس پذیری A.Blockchain از آنجا که ناکوموتو و همکاران [1] ایده بیت کوین مفهوم سازی شده است ، blockchain علاقه مندی زیادی از زمینه های پرشمار از جمله مدیریت منابع [16] ، [17] ، شبکه تعریف شده نرم افزار (SDN) [18] ، محاسبات لبه [19] ، [20] ، [21] ایجاد کرده است. [22] و غیره

متأسفانه ، نیازمندیهای بیش از حد منابع به مقیاس پذیری کافی سیستم منجر می شود ، که پتانسیل استقرار blockchain در سناریوهای بار کار زیاد با دستگاههای دارای قدرت بالا را محدود می کند.

برای گسترش بیشتر دامنه کاربردهای blockchain ، Ehmke و همكاران [23] یک پروتکل blockchain مقیاس پذیر به نام Proof-of-Propertia (PoP) ایجاد کرد.

PoP به بیشتر دستگاهها اجازه می دهد تا معاملات ورودی را بدون بارگذاری کل blockchain در ابتدا تأیید کنند.

دوری و همکاران [24] یک دفترچه تغییرناپذیر خصوصی طراحی کرد ، که به طور مشابه به blockchain عمل می کند ، اما به صورت متمرکز اداره می شود.

در بین همه همسالان ، دستگاه های غنی از منابع برای اجرای یک سیستم توزیع شده در دسترس عمومی ، شبکه ای روکش ایجاد می کنند.

علاوه بر این ، لی و همکاران [25] ساختار لیدر را از خطی به DAG ارتقا داده است.

پروتکل های مبتنی بر DAG با شناخت سهم همه چنگال ها ، بهره وری معدن را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند [26].

در RapidChain [31] ، Zamani و همكاران ، فن آوری خرد كردن مبتنی بر كمیته را ارائه دادند تا كل شبکه P2P را به كمیته های كوچكتر تقسیم كند.

بنابراین ، زمان تأخیر پخش و مصرف ذخیره سازی می تواند کاهش یابد.

علاوه بر این ، بیت کوین-NG [32] و مولتیچاین [33] به ترتیب بهینه سازی مقیاس پذیری blockchain را انتخاب کردند و رهبری و مکانیسم متقابل را بهینه کردند.

با این حال ، اکثر سیستمهای موجود فقط بهینه سازی نسبت به یک جنبه واحد ، به عنوان مثال ، استفاده از محاسبات قدرت یا اقدامات متمرکز را اتخاذ کرده اند.

در مقابل ، ما از دیدگاههای چندگانه تخفیف غیر متمرکز را انجام می دهیم.

ب- چالش های محدودیت منابع:

دستگاه های IIoT عمدتاً شامل سنسورها ، تجهیزات کنترل ، تجهیزات صنعتی و غیره هستند.

به طور کلی ، میزان hashrates آنها در سطح MH / s است.

در حالی که ماشین های معدن مانند ANTMINER S9 Hydro به 18 TH / s رسیده اند [27].

اگر ساز و کار اجماع بهبود نیابد ، hashrates دستگاه های IIoT نمی توانند تقاضای معدن را تحمل کنند.

علاوه بر این ، اکثر دستگاه های IIoT محدودیت های کم مصرفی دارند ، اما اتلاف انرژی معدن بسیار افتضاح است [28].

از منظر استراتژی همگام سازی ، همسالان را می توان به گره های کامل و گره های سبک وزن طبقه بندی کرد.

همانطور که در بخش 1 گفته شد ، گره های کامل عدم تمرکززدایی کامل را با هزینه صرفه جویی در کلیه داده های معاملات و سوابق عملکرد کل شبکه P2P انجام می دهند.

به عنوان نمونه از بیت کوین استفاده کنید ، اندازه کل دفتر محلی به 200.3 گیگابایت می رسد [29].

علاوه بر این ، با توجه به اینکه میانگین ظرفیت بلوک 1.03 مگابایت است ، فاصله تولید بلوک 600 ثانیه است.

دفترچه محلی با سرعت 148.32 مگابایت در روز و بدون مکانیزم بازیافت رشد می کند.

بنابراین ، ما خلاصه می کنیم که منابع ذخیره سازی دستگاه های IIoT نمی توانند شرایط لازم برای ذخیره داده های بی شماری از شبکه blockchain را برآورده سازند.

از نظر منابع شبکه ، سناریو IIoT با ناهمگونی در مقیاس بزرگ و پویا مشخص می شود [30].

در ضمن ، از بین رفتن بسته ها و تأخیر نیز می تواند بر عملکرد شبکه تأثیر بگذارد.

به طور کلی ، منابع دستگاه های IIoT برای استقرار سیستم های blockchain کافی نیست.

با انگیزه چنین واقعیتی ، ما یک سیستم blockchain سبک وزن ایجاد می کنیم تا blockchain در IIoT باز شود.

نتیجه گیری VI:

برای کاهش اشغال منابع blockchain و مناسب سازی آن برای سناریوهای IIoT ، ما یک سیستم blockchain سبک (LightChain) در این مقاله پیشنهاد می کنیم.

LightChain بدون داشتن تأثیرپذیری بر قابلیت ردیابی و عدم پیشگیری از blockchain دارای ویژگی های منابع کارآمد است.

به طور خاص ، ما یک مکانیزم اجماع سبز به نام SMP پیشنهاد می کنیم تا میزان مصرف توان محاسباتی را کاهش دهد.

برای بهینه سازی همپوشانی اطلاعات ، ما یک ساختار داده سبک وزن به نام LB را در پخش طراحی می کنیم.

علاوه بر این ، ما دو روش موازی برای ذخیره سازی و یک فیلتر UBOF رمان را برای کاهش بار هزینه ذخیره سازی ارائه می دهیم.

سرانجام ، آزمایش های گسترده مزایا و برتری پیشنهاد ما را نشان می دهد.