نظرسنجی و هستی شناسی الگوریتم های اجماع blockchain برای سیستم های IoT محدود شده منابع

مجوز MDPI ، بازل ، سوئیس. این مقاله یک مقاله دسترسی آزاد است که تحت شرایط و ضوابط مجوز Creative Commons Attribution (CC توسط) توزیع شده است (https://creativeecommons. org/licenses/by/4. 0/).

داده های مرتبط

بازنمایی رسمی هستی شناسی در قالب RDF/OWL را می توان در اینجا بارگیری کرد https://cloudstor. aaet. edu. au/plus/s/ovn6wtr8erxchrz ، دسترسی به 17 اکتبر 2022 ، https://cleoudstor. aaet. edu. au. au/. au///cleoudstor. aaet. edu. au. au/Plus/S/4TTU0417VGJftoo ، در 17 اکتبر 2022 دسترسی پیدا کرد.

خلاصه

خصوصیات اساسی blockchain ، مانند عدم تمرکز ، امنیت و تغییر ناپذیری ، پتانسیل امیدوار کننده ای را برای برنامه های IoT نشان می دهد. ویژگی اصلی - محور سازی فناوری blockchain - به اجماع بستگی دارد. با این حال ، الگوریتم های اجماع بیشتر برای کار در محیط های محاسباتی و ارتباطی گسترده برای امنیت شبکه و تغییر ناپذیری طراحی شده اند ، که برای برنامه های IoT محدود به منابع مطلوب نیست. بسیاری از راه حل ها برای پرداختن به این مسئله با الگوریتم های اجماع اصلاح شده بر اساس اجماع میراث ، مانند POW ، POS و BFT و ساختارهای داده جدید غیر خطی مانند DAG ارائه شده است. طبقه بندی سیستماتیک و تجزیه و تحلیل تکنیک های مختلف در این زمینه برای محققان و پزشکان صنعتی مفید خواهد بود. بیشتر نظرسنجی های مرتبط موجود ، طبقه بندی هایی را بطور شهودی بر اساس دانش دامنه ارائه می دهند ، که برای آشکار کردن روابط ذاتی و پیچیده بین مفاهیم و تکنیک های اساسی مربوطه غیرقابل نفوذ هستند. در این مقاله ، ابزاری قدرتمند از طبقه بندی دانش سیستماتیک و توضیحات برای ساختار بررسی در مورد الگوریتم های اجماع blockchain برای سیستم های IoT محدود شده منابع ارائه شده است. به طور خاص ، یک هستی شناسی برای یک الگوریتم اجماع Apropos از سازگاری IoT تهیه شده است. هستی شناسی توسعه یافته به دو بخش - CONB و CONIOT - تقسیم می شود که طبقه بندی الگوریتم های اجماع عمومی و مواردی را که به ویژه برای IoT پیشنهاد شده اند ، نشان می دهد. با هدایت این هستی شناسی ، بحث و تحلیل عمیق در مورد الگوریتم های اجماع اصلی و انطباق IoT آنها بر اساس اهداف طراحی و اجرای ارائه شده است. چالش های تحقیقاتی باز و مسیرهای تحقیق آینده ارائه شده است.

کلمات کلیدی: blockchain ، اینترنت اشیاء ، الگوریتم های اجماع ، هستی شناسی اجماع

1. معرفی

blockchain و IoT فن آوری های تحول دیجیتال در نظر گرفته می شوند. blockchain یک دفترچه امن و غیرمتمرکز است. مهمترین ویژگی blockchain عدم تمرکز است. عدم تمرکز بر روی blockchain با استفاده از الگوریتم های اجماع حاصل می شود ، دلالت بر اینکه هیچ مرجع واحد نمی تواند در مورد شبکه تصمیم بگیرد ، اما همه رضایت دارند و تصمیم نهایی را بدون آراء نمی توان گرفت [1]. این احساس اقتدار فقط نمی تواند اعتماد به سیستم را افزایش دهد بلکه از اتخاذ گسترده این فناوری نیز اطمینان حاصل می کند. از طرف دیگر ، IoT نیز یک فناوری بسیار رقابتی است و تقریباً در هر صنعت بزرگ مانند خانه های هوشمند (2،3،4،5،6،7،8] بخشی از (یا قرار است بخشی از آن باشد) است. ساخت و ساز [9،10،11] ، شبکه های هوشمند [12،13،14،15،16،17،18،19،20،21،22،23] ، صنایع خودکار ساخت اتومبیل [24،25] ، زنجیره های عرضه [26،27،28،29،30،31،32] ، مراقبت های بهداشتی [33،34،35،36،37،38] ، صنعت فضایی [39،40] و غیره. شما ممکن است در پایان به کنترل سوابق خانه یا بهداشت خود (یا هر دامنه دیگر) به یک مرجع متمرکز بپردازید ، این مسئله مسئله اصلی عدم موفقیت را بالا می برد و اعتماد کامل شما را در این مقام قرار می دهد [41]. از طرف دیگر ، اگر مقامات عمومی باشند ، مواردی از جمله حریم خصوصی و نشت داده های شخصی وجود دارد [42،43]. برای غلبه بر این موضوعات ، مفهوم blockchain به دلیل ماهیت غیر متمرکز اما خصوصی به عنوان راه حل [41] پیشنهاد شده است. ویژگی های اصلی blockchain به طور خلاصه در زیر توضیح داده شده است.(1) عدم تمرکز: الگوریتم های مختلف اجماع ، مانند POW (بیت کوین ، اتریوم 1) ، POS (Ethereum 2) ، BFT (Hyperledger) ، گرافیک Acyclic (S) (DAG) (IOTA ، Hashgraph ، Byteball ، Nano) ،و غیره ، برای اطمینان از ویژگی عدم تمرکز پیشنهاد شده است. آنها به گونه ای طراحی شده اند که همه افراد در شبکه بتوانند از نظر انرژی ، سهام یا شهرت به همراه برخی از مکانیسم های کنترل بازی عادلانه ، از نظر انرژی ، سهام یا شهرت به شبکه اضافه کنند.(2) تغییر ناپذیری: این خاصیت با تکرار و توزیع دفترچه های داده های رمزنگاری شده در سراسر یک شبکه همتا با استفاده از تکنیک های هشویی ، به عنوان مثال ، SHA256 بیمه می شود. با طراحی ، تغییر ناپذیری به ذخیره سازی داده های زیادی نیاز دارد ، زیرا هر یک از همسالان در شبکه در حال ذخیره یک نسخه کامل از داده ها یا حداقل مقدار منصفانه ای از داده های مورد نیاز برای تأیید یکپارچگی دفترچه هستند.(3) حریم خصوصی: حریم خصوصی با استفاده از رمزگذاری/رمزگشایی بر اساس مقادیر جفت کلید نامتقارن ، یعنی کلیدهای عمومی و خصوصی برای هر کاربر تضمین می شود.

تکنیک های حفظ حریم خصوصی ، مانند Rives t-Shami r-Adleman (RSA) ، Curve Elliptic Diffi e-Hellman Exchange (ECDHE) و رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC) اطمینان حاصل می کنند که فقط یک کاربر مجاز می تواند به وضعیت واقعی داده ها و باقیمانده دسترسی پیدا کند. شبکه فقط رشته های داده رمزگذاری شده را ذخیره می کند.(4) استقلال: با استفاده از تکنیک های توزیع و تمرکززدایی ، دستگاه ها می توانند بدون داشتن راحتی سرورها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. به طور خاص ، سیستم های IoT می توانند از این ویژگی برای جدا کردن برنامه ها بهره مند شوند و آنها را آگنوستیک کنند. علاوه بر این ، blockchain دفترچه های باز توزیع شده را فراهم می کند که در آن دستگاه ها می توانند از اطلاعات قابل اعتماد با استفاده از برنامه های قابل اجرا (قراردادهای هوشمند) پرس و جو کنند [44].

سایر ویژگی ها محصولات جانبی blockchain مانند قابلیت ردیابی ، استقلال ، صداقت ، ناشناس بودن ، قراردادهای هوشمند و غیره است. با تجزیه و تحلیل نزدیک ، این تکنیک ها برای برنامه های کاربردی مانند امور مالی یا سایر برنامه هایی که دارند (یا مایل به ارائه) هستند ، کاملاً کار می کنند. منابع لازم برای محاسبات گسترده ، ذخیره سازی و یک شبکه پایدار. با این حال ، سیستم های IoT از نظر منابع ، مانند ذخیره سازی ، قدرت محاسباتی و انرژی محدود هستند. بنابراین ، blockchain نمی تواند همانطور که هست اجرا شود [45]. بنابراین ، تنوع و بهینه سازی فناوری blockchain لازم است تا آن را با دستگاه های محدود شده از منابع کار کند. برخی از دستاوردها در این زمینه انجام شده است ، با تمرکز بر عدم تمرکز (اجماع) با بهینه سازی الگوریتم های اجماع میراث [46،47،48،49،50] ، همراه با سایر راه حل ها ، مانند مدیریت بهینه ذخیره سازی [51] و محاسبات لبه [52، 53]

1. 1انگیزه و کار مرتبط

برای نشان دادن انگیزه کار خود ، خلاصه ای از نظرسنجی های مربوط به الگوریتم های اجماع را در جدول 1 ارائه می دهیم. مقاله [54] طبقه بندی تکامل الگوریتم اجماع را از POW تا POS ارائه داد. علاوه بر این ، دانش زمینه را با توجه به جنبه های مبدا ، طراحی ، عملکرد و امنیت طبقه بندی کرد. با این حال ، این کار بیشتر الگوریتم های اجماع نسل سوم را از دست داد و به جای IoT روی برنامه های blockchain عمومی متمرکز شد. یک مطالعه دیگر [55] تجزیه و تحلیل جامع از blockchains در سیستم های فیزیکی سایبری را ارائه داد و در مورد مکانیسم های اجماع مورد استفاده برای صنعت 4. 0 بحث کرد. علاوه بر این ، همچنین در مورد الگوریتم های اجماع نسل سوم ، مانند قایق ، paxos و غیره بحث شده است. این مسیرهای آینده را برجسته کرده و در مورد نقش blockchain و اجماع در IoT بحث کرده است. یک کار دیگر [56] نظرسنجی در مورد الگوریتم های اجماع ارائه داد و در مورد الزامات محیط منابع IoT برای اجرای بحث شد. علاوه بر این ، تجزیه و تحلیل کاملی از میراث و روشهای نسل سوم با توجه به توان تأخیر ارائه داده و اجماع نمودار Acyclic (DAG) برای IoT نیز ذکر شده است. با این حال ، این کار مقایسه ای از این روش های اجماع را ارائه نمی دهد و شامل سازگاری یا برنامه های IoT نمی شود. یک بررسی دیگر [57] الگوریتم های اجماع را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد و چارچوبی را برای ارزیابی مکانیسم های اجماع قابل استفاده در میراث و الگوریتم های اجماع غیرخطی ارائه داد. با این حال ، تمرکز این مطالعه بر روی سیستم های IoT با منابع محدود نیست. مرجع.[58] ، از نظر معماری و برنامه های IoT در مورد IoT و blockchain بحث شده است. آنها همچنین در مورد روشهای اجماع blockchain با نمونه هایی از برنامه های IoT ، از جمله پروتکل DAG بحث کردند. مرجع.[59] ، مروری بر IoT مبتنی بر blockchain از نظر امنیت ، استحکام و خودآگاهی ارائه داد. آنها بحث کردند که چگونه یک blockchain می تواند محیط IoT محور ابر را تغییر دهد. علاوه بر این ، آنها در مورد الگوریتم های اجماع عمومی بحث کردند ، که هیچ روش اجماع نسل سوم یا DAG را شامل نمی شود. به طور کلی ، این نظرسنجی های موجود مبتنی بر طبقه بندی بصری دانش دامنه است و آشکار کردن ارتباطات منطقی ذاتی بین مفاهیم دانش در این زمینه دشوار است. این مقاله با هدف غلبه بر این محدودیت با ارائه یک نظرسنجی با هدایت هستی شناسی در مورد الگوریتم های اجماع blockchain برای سیستم های IoT محدود شده منابع انجام می شود.

هستی شناسی ابزاری قدرتمند است که می تواند به طور خودکار مجموعه ای از مفاهیم را در یک منطقه موضوعی طبقه بندی کند و خصوصیات آنها و روابط بین آنها را به نمایش بگذارد. هستی شناسی همچنین می تواند به ماشین های محاسباتی کمک کند تا مفاهیم مربوطه و اطلاعات مربوطه را بهتر درک کنند ، که برای برنامه های صنعت عملی بسیار مفید است.