Uchambuzi wa Itifaki za Makubaliano za Blockchain kwa Mitandao ya IoT

Yaliyomo

1. Utangulizi

Kuenea kwa matumizi ya Internet ya Vitu (IoT) katika sekta mbalimbali ikiwemo nishati, uzalishaji, na majiji smart kumeleta hitaji la dharura la mbinu salama za makubaliano zilizosambazwa. Utekelezaji wa kawaida wa blockchain unaotumika katika sarafu za kidijitali unahitaji rasilimali kubwa za kompyuta, na kuzifanya visifai kwa vifaa vya IoT vilivyo na uhaba wa rasilimali. Uchambuzi huu unachunguza itifaki za makubaliano ambazo zinaweza kubadilishwa ili zifae kwa mitandao ya IoT huku zikishughulikia vikwazo vyake maalum.

2. Misingi ya Blockchain

2.1 Mbinu za Makubaliano

Mbinu za makubaliano huwezesha nodi zilizosambazwa kubaliana kuhusu uhalali wa data bila mamlaka kuu. Mbinu za kawaida kama Uthibitisho wa Kazi (PoW) huhitaji kutatua matatizo magumu ya hesabu ya hash: $H(nonce || block\_data) < target$. Mchakato huu, ingawa ni salama, hutumia nishati nyingi kupita kiasi kwa vifaa vya IoT.

2.2 Vikwazo vya Mtandao wa IoT

Mitandao ya kawaida ya IoT inajumuisha vifaa vilivyo na vidakuzi vidogo vya biti 8 au 16, RAM ndogo, na uwezo mdogo wa kuhifadhi. Vifaa hivi huwasiliana kupitia itifaki za waya zisizo na nguvu nyingi kama IEEE 802.15.4, na kujenga changamoto kubwa kwa utekelezaji wa kawaida wa makubaliano.

3. Uchambuzi wa Itifaki za Makubaliano

3.1 Uthibitisho wa Kazi (PoW)

PoW huhitaji wachimbaji kutatua fumbo la kisiri, na kulifanya liwe ghali kwa hesabu. Uwezekano wa kuchimba block ni sawia na nguvu ya hesabu: $P = \frac{computational\_power}{total\_network\_power}$.

3.2 Uthibitisho wa Hisa (PoS)

PoS huchagua uthibitishaji kulingana na hisa yao kwenye mtandao, na hupunguza matumizi ya nishati. Uwezekano wa uteuzi: $P = \frac{stake}{total\_stake}$. Mbinu hii inafaa zaidi kwa mitandao ya IoT lakini inahitaji tahadhari makini za usalama.

3.3 Uvumilivu Vitendo wa Makosa ya Byzantine (PBFT)

PBFT hutoa makubaliano katika mifumo isiyolingana na nodi $f$ zilizo na hitilafu kati ya nodi $3f+1$ jumla. Itifaki hii huhitaji duru nyingi za mawasiliano lakini huzuia mahesabu magumu.

3.4 Mbinu za Tangle na Zinazotegemea DAG

Tangle, inayotumika katika IOTA, hutumia muundo wa Grafu Iliyoelekezwa Isiyo na Mzunguko (DAG) ambapo kila muamala mpya inakubali miamala miwili iliyopita. Hii huondoa wachimbaji na hupunguza mahitaji ya rasilimali.

4. Tathmini ya Utendaji

Matokeo ya majaribio yanayolinganisha itifaki za makubaliano katika mazingira ya IoT yaliyosanikwa yanaonyesha tofauti kubwa katika matumizi ya nishati na ucheleweshaji. PBFT inaonyesha matumizi madogo ya nishati lakini mzigo mkubwa wa mawasiliano, huku PoS ikitoa mbinu ya usawa kwa mitandao ya IoT ya kiwango cha kati.

5. Mifano ya Utekelezaji

Hapa chini kuna msimbo bandia uliorahisishwa wa algoriti nyepesi ya makubaliano inayofaa kwa vifaa vya IoT:

function lightweight_consensus(transaction, network_nodes):
    // Hatua ya 1: Tangaza muamala kwa nodi jirani
    broadcast(transaction, network_nodes)
    
    // Hatua ya 2: Kusanya vibali
    acks = collect_acknowledgments(timeout=5000ms)
    
    // Hatua ya 3: Angalia ikiwa kizingiti cha makubaliano kimefikika
    if len(acks) >= consensus_threshold(len(network_nodes)):
        // Hatua ya 4: Ongeza kwenye blockchain ya mitaa
        add_to_blockchain(transaction)
        return SUCCESS
    else:
        return CONSENSUS_FAILURE

function consensus_threshold(total_nodes):
    // Uvumilivu wa makosa ya Byzantine: 2f+1 kati ya 3f+1
    return ceil((2 * floor((total_nodes - 1) / 3) + 1))

6. Matumizi ya Baadaye

Matumizi ya baadaye ya blockchain katika mitandao ya IoT yatajumuisha ufuatiliaji wa mnyororo wa usambazaji, usimamizi wa gridi smart, na uratibu wa magari yanayojitegemea. Mwelekeo wa utafiti unajumuisha kuunda algoriti za makubaliano zenye ufahamu wa nishati na suluhisho za ushirikiano wa mnyororo mwingine kwa mfumo wa IoT tofauti.

Uchambuzi wa Asili

Uchambuzi huu unasisitiza changamoto muhimu ya kubadilisha mbinu za makubaliano za blockchain ili zifae kwa mazingira ya IoT yaliyo na uhaba wa rasilimali. Mgogoro wa msingi kati ya dhamana za usalama za blockchain na uwezo mdogo wa hesabu wa vifaa vya IoT unahitaji mbinu mpya. Kama vile CycleGAN ilivyoanzisha mbinu mpya za ukabilishi wa kikoa bila mifano iliyowekwa pamoja, ushirikiano wa IoT-blockchain unahitaji kufikiri upya miundo ya kawaida ya makubaliano badala ya kupunguza tu itifaki zilizopo.

Ulinganisho kati ya PoW, PoS, PBFT, na Tangle unaonyesha kuwa hakuna suluhisho moja linalokabiliana vyema na vikwazo vyote vya IoT. Matumizi ya nishati ya PoW yanayofanya kuwa haiwezekani kwa vifaa vinavyotumia betri, huku PoS ikiingiza hatari za mkuso wa hisa katika mitandao ya IoT isiyo na kituo cha mamlaka. Mzigo wa mawasiliano wa PBFT huongezeka kwa mraba kadri ukubwa wa mtandao unavyoongezeka, na kujenga matatizo ya uwezo wa kupanuka. Muundo wa DAG wa Tangle unaonyesha matumaini lakini unakabiliwa na changamoto za usalama wakati wa vipindi vya chini vya muamala.

Kulingana na tafiti za Jarida la IEEE IoT, mbinu mseto zinazochanganya mbinu nyingi za makubaliano kulingana na hali ya mtandao na uwezo wa kifaa zinaweza kutoa suluhisho la vitendo zaidi. Kwa mfano, vifaa vilivyo na rasilimali za juu vinaweza kuendesha itifaki za makubaliano zenye mahitaji makubwa huku vifaa vyenye uzito mwembamba vikishiriki kupitia michakato rahisi ya uthibitisho. Mbinu hii ya ngazi inafanana na kanuni za kompyuta zilizosambazwa zinazoonekana katika usanifu wa kompyuta ukingoni.

Ushirikishaji wa kujifunza kwa mashine kwa uteuzi wa makubaliano ya nguvu, sawa na mbinu za kujifunza kwa nguvu katika mifumo inayojitegemea, inawakilisha mwelekeo mzuri wa utafiti. Kama ilivyobainishwa katika Uchambuzi wa ACM Computing, mbinu za makubaliano zinazobadilika ambazo hurekebisha tabia yao kulingana na mzigo wa mtandao, upatikanaji wa nishati, na mahitaji ya usalama zinaweza kuboresha sana utendaji wa blockchain ya IoT huku zikidumisha dhamana za kutosha za usalama.

7. Marejeo

1. Salimitari, M., & Chatterjee, M. (2018). Uchambuzi wa Itifaki za Makubaliano katika Blockchain kwa Mitandao ya IoT.
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Mfumo wa Pesa wa Elektroniki wa Kushirikiana.
3. Cachin, C. (2016). Usanifu wa Hyperledger Blockchain Fabric. Warsha ya Sarafu za Kidijitali Zilizosambazwa na Vitabu vya Makubaliano.
4. Popov, S. (2018). Tangle. Karatasi Nyeupe ya Wakfu wa IOTA.
5. Jarida la IEEE IoT (2020). Mbinu za Makubaliano Zenye Ufanisi wa Nishati kwa Vifaa Vilivyo na Uhaba wa Rasilimali.
6. Uchambuzi wa ACM Computing (2019). Itifaki za Makubaliano za Blockchain: Uchambuzi wa Kulinganisha.