关键词:
物联网区块链
并行执行
轻量存储
高效适配
可拓展性
摘要:
区块链因其提供“不可篡改的分布式数据存储、可靠的数据真实性溯源、多方协同”等能力,为物联网数据的可信管理提供支撑。然而,区块链实施分布计算与共识、冗余存储、多频通信,消耗资源多,不能适应物联网的存储与计算资源受限、节点拓扑高动态、网络通信时延大,亟须解决区块链和物联网的轻量化适配问题,以降低节点存储计算负载、提高并发交易效率。
国内外对物联网区块链轻量化适配的研究主要集中为存储架构优化、共识机制创新、标准协议设定等方法,其中,轻量共识、分片存储、链下扩容等区块链轻量化技术在优化通信效率、减少确权耗能、降低存储负载上表现优越。但是,现有方法中延时确认存在性能和安全性的提升余地,账本分片的合理性和效率有待提高,分布式协同应切合物联网的运行机理。鉴于此,论文开展面向物联网的轻量化适配区块链技术研究,实现区块链在物联网中受限节点轻量存储、分片负载感知适配、异构设备协同扩容。从节点差异存储并行轻量化、算力负载均衡感知轻量化、任务受控扩展协同轻量化三个角度出发,形成主要成果和创新点如下:
(1)基于账本存储分割的可延迟确认事务并行机制
针对物联网区块链并行执行中同步存储开销大问题,设计一种具备并行执行和分割存储特点的可延迟确认轻量级存储区块链账本结构(LBPS),提出基于LBPS的事务随机验证差异生成算法,构建具备事务累积验证的有效并发共识可延迟确认机制,通过加速账本轮次划分及减少事务分发投票冗余传播,提高LBPS账本的吞吐量性能。结合LBPS账本中延续边及验证边结构提出数据轻量分割存储机制,减少资源受限节点大量冷数据存储,同时避免分割存储数据难认证问题,完成资源受限节点同步数据时的轻量存储及高效检索,减少网络中大量重复存储带来的资源开销。通过理论分析和对比实验表明,所提的LBPS轻量存储方案在存储成本上相较LDV、Layerchain及GpDB存储方法可节省85%、88%及52%的存储空间,在事务交易确认延迟表现上相较Hashgraph提高了 89%,提升了存储的可拓展性。
(2)基于算力负载均衡的可感知分片机制
针对拓展随机分片性能差异大导致负载分布不均问题,设计考虑节点性能差异的算力均衡损失模块度增益节点划分方法,实现片间算力负载均衡、片内性能负载适配的节点划分。针对节点间交易频率动态变化与固有分片结构的数据利用解耦,导致跨分片交易增加、性能提升失效的问题,提出具备节点感知能力的不确定行为分片重构方法,利用动态图结构表征节点间的交易拓扑与时序关联特性,将节点间交易数据流按时间窗口离散化为时序图序列,结合结构注意力机制解析账户节点的空间依赖关系,及时序注意力机制捕捉交易模式时间演化规律,实现节点间交易链路预测,结合上一时序分片结构展开划分效果阈值判断,执行具备交易聚合导向的轻量分片重构,实现具备节点行为感知能力的片内性能负载适配节点划分。通过理论分析和对比实验表明,所提法在分片算力全网占比保持0.88%上下幅度小范围波动,跨分片事务比例可低至47%,且受分片数量影响较弱,节点间交易链路预测平均误差率低至15.60%,为物联网区块链提供兼具高效性和自适应性的分片效率提升解决方案。
(3)面向数据共享的可协同受控扩容机制
针对物联网区块链可拓展性不足问题,设计链间锚定的多域可拓展存证框架,完成压缩存储轻量化下的受控扩容及链间锚定的多域可拓展存证。通过构建基于数据域内摘要账本压缩存储及与其锚定的域内数据流转账本结构,使得参与节点可根据数据利用需求自主选择账本构建,降低数据存证存储压力同时提升数据再利用响应效率。此外结合物联网区块链拓展性需求,设计结合多证书颁发机构的跨域动态可拓展访问控制策略,实现支持域间轻量重复认证的跨域可信拓展,提高跨域认证及域间数据访问效率,结合链下密钥生成、数据加密和细粒度访问控制等隐私保护操作,实现具备高效存证、轻量认证及可拓展特点的可协同响应受控扩容存证。通过理论分析和对比实验表明,提出的方法相较于传统未扩容方案及IPFS链下扩容方案上链延迟效率可提升95%及87%,数据流转账本相较摘要账本响应效率可提升23.03%,域间重复访问的轻量认证占比可保持49.63%,由此可知所提方法在提高任务协同响应效率、降低感知时延、提升系统扩展性上均具突出表现。
综上所述,针对区块链和物联网的轻量化适配问题,创新性地提出一系列具备低成本高性能特点的轻量化存储方案,最终所取研究成果对实现物联网数据高效可信管理拓展应用具有重要参考价值。