Kajian Literatur Protokol Konsensus Blockchain untuk Rangkaian IoT

Contents

1. Pengenalan

Penerapan pesat Internet of Things (IoT) dalam bidang seperti tenaga, pembuatan dan bandar pintar telah meningkatkan permintaan mendesak bagi mekanisme konsensus teragih yang selamat. Pelaksanaan tradisional blockchain yang digunakan dalam mata wang kripto memerlukan sumber pengiraan yang besar, menjadikannya tidak sesuai untuk peranti IoT yang mempunyai sumber terhad. Kajian tinjauan ini menyelidik protokol konsensus yang boleh disesuaikan dengan rangkaian IoT dan menangani kekangan uniknya.

2. Asas Rantaian Blok

2.1 Consensus Mechanism

共识机制使分布式节点能够在无中心权威的情况下就数据有效性达成一致。传统方法如工作量证明（PoW）需要解决计算密集的哈希问题：$H(nonce || block\_data) < target$。此过程虽然安全，但对物联网设备而言能耗过高。

2.2 IoT Network Constraints

Rangkaian IoT tipikal terdiri daripada peranti yang dilengkapi pengawal mikro 8-bit atau 16-bit, RAM terhad dan kapasiti storan minimum. Peranti ini berkomunikasi melalui protokol tanpa wayar kuasa rendah seperti IEEE 802.15.4, yang menimbulkan cabaran besar untuk pelaksanaan konsensus tradisional.

3. Analisis Protokol Konsensus

3.1 Proof of Work (PoW)

PoW requires miners to solve cryptographic puzzles, resulting in high computational costs. The probability of mining a block is proportional to computational power: $P = \frac{computational\_power}{total\_network\_power}$.

3.2 Proof of Stake (PoS)

PoS memilih validator berdasarkan kepentingan mereka dalam rangkaian, mengurangkan penggunaan tenaga. Kebarangkalian pemilihan: $P = \frac{stake}{total\_stake}$. Kaedah ini lebih sesuai untuk rangkaian IoT, tetapi memerlukan pertimbangan keselamatan yang teliti.

3.3 Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)

PBFT provides consensus in asynchronous systems, tolerating up to f faulty nodes out of a total of $3f+1$ nodes. This protocol requires multiple rounds of communication but avoids intensive computation.

3.4 Tangle and DAG-Based Approaches

Tangle yang digunakan dalam IOTA menggunakan struktur Directed Acyclic Graph (DAG), di mana setiap transaksi baru perlu mengonfirmasi dua transaksi sebelumnya. Hal ini menghilangkan penambang dan mengurangi kebutuhan sumber daya.

4. Penilaian Prestasi

Hasil eksperimen membandingkan protokol konsensus dalam lingkungan IoT simulasi menunjukkan perbedaan signifikan dalam konsumsi energi dan latensi. PBFT menunjukkan konsumsi energi lebih rendah tetapi overhead komunikasi lebih tinggi, sementara PoS memberikan solusi seimbang untuk jaringan IoT skala menengah.

5. Kes Pelaksanaan

Berikut adalah kod pseudo ringkas untuk algoritma konsensus ringan yang sesuai untuk peranti IoT:

function lightweight_consensus(transaction, network_nodes):
    // 步骤1：向邻居节点广播交易
    broadcast(transaction, network_nodes)
    
    // 步骤2：收集确认信息
    acks = collect_acknowledgments(timeout=5000ms)
    
    // 步骤3：检查是否达到共识阈值
    if len(acks) >= consensus_threshold(len(network_nodes)):
        // 步骤4：添加到本地区块链
        add_to_blockchain(transaction)
        return SUCCESS
    else:
        return CONSENSUS_FAILURE

function consensus_threshold(total_nodes):
    // 拜占庭容错：3f+1中的2f+1
    return ceil((2 * floor((total_nodes - 1) / 3) + 1))

6. Future Applications

Aplikasi masa depan blockchain dalam rangkaian IoT merangkumi pemantauan rantaian bekalan, pengurusan grid pintar, dan penyelarasan kenderaan autonomi. Arah penyelidikan termasuk membangunkan algoritma konsensus sedar-tenaga serta penyelesaian kebolehoperasian antara-rantaian untuk ekosistem IoT heterogen.

Analisis Asli

Ulasan ini menekankan tantangan utama dalam menyesuaikan mekanisme konsensus blockchain dengan lingkungan IoT yang terbatas sumber dayanya. Kontradiksi mendasar antara jaminan keamanan blockchain dan keterbatasan komputasi perangkat IoT memerlukan pendekatan inovatif. Seperti halnya CycleGAN memperkenalkan teknik adaptasi domain baru tanpa memerlukan sampel berpasangan, integrasi IoT-blockchain memerlukan pemikiran ulang model konsensus tradisional, bukan hanya sekadar mengurangi protokol yang ada.

Perbandingan PoW, PoS, PBFT, dan Tangle menunjukkan tidak ada solusi tunggal yang dapat secara optimal mengatasi semua kendala IoT. Konsumsi energi PoW membuatnya tidak cocok untuk perangkat bertenaga baterai, sementara PoS memperkenalkan risiko sentralisasi kepemilikan dalam jaringan IoT terdesentralisasi. Overhead komunikasi PBFT meningkat secara kuadrat dengan skala jaringan, menimbulkan masalah skalabilitas. Struktur DAG Tangle menunjukkan potensi, namun menghadapi tantangan keamanan selama periode volume transaksi rendah.

Menurut kajian dalam IEEE Internet of Things Journal, pendekatan hibrid yang menggabungkan pelbagai mekanisme konsensus berdasarkan keadaan rangkaian dan keupayaan peranti mungkin memberikan penyelesaian paling praktikal. Sebagai contoh, peranti dengan sumber lebih tinggi boleh menjalankan protokol konsensus yang lebih menuntut, manakala peranti ringan menyertai melalui proses pengesahan yang dipermudahkan. Pendekatan berlapis ini mencerminkan prinsip pengkomputeran teragih yang biasa dalam seni bina pengkomputeran tepi.

Penggunaan pembelajaran mesin untuk pemilihan konsensus dinamik (serupa dengan kaedah pembelajaran pengukuhan dalam sistem autonomi) mewakili arah penyelidikan yang menjanjikan. Seperti yang dinyatakan dalam ACM Computing Surveys, mekanisme konsensus adaptif yang dapat menyesuaikan tingkah laku berdasarkan beban rangkaian, ketersediaan tenaga dan keperluan keselamatan, dapat meningkatkan prestasi rantaian blok IoT dengan ketara sambil mengekalkan jaminan keselamatan yang mencukupi.

7. References

1. Salimitari, M., & Chatterjee, M. (2018). 物联网网络区块链共识协议综述。
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Cachin, C. (2016). Hyperledger Blockchain Architecture. Symposium on Distributed Cryptocurrencies and Consensus Ledgers.
4. Popov, S. (2018). The Tangle. IOTA Foundation White Paper.
5. IEEE Internet of Things Journal (2020). Energy-Efficient Consensus Mechanisms for Resource-Constrained Devices.
6. ACM Computing Surveys (2019). Blockchain Consensus Protocols: A Comparative Analysis.