物联网与区块链结合环境下对数据确认时间的研究

发布时间：2020-06-11 16:04

【摘要】：区块链在提高物联网安全性的同时,也带来了数据传输效率低下的问题。由于最初的区块链使用时延较高的共识算法——工作量证明(POW)来保证区块内数据安全有效。此外,为了保证区块中数据的安全,需要在区块被挖出后等待一段确认时间才可使用该区块中的数据。因此,区块链在应对物联网海量数据流入时的处理能力较低。以太坊平台使用GHOST协议大幅提升了基于POW共识算法挖矿的效率。因此,本文选择以太坊平台来研究区块链中数据的最短确认时间,使得物联网应用可以在保证一定数据安全性的前提下尽快确认区块中的数据。本文分析了最短确认时间的影响因素——区块链的最少确认区块数与实际的确认区块数,其中最少确认区块数又与区块链分叉概率和确认区块增加的概率有关。本文通过构建数学模型来分析接受到区块的节点占比以求解上述影响因素并使用Matlab仿真工具进行仿真实验。本文设计了两组实验得到不同的网络环境与应用需求下的最短确认时间。实验结果表明,增加数据确认时间可以显著提高数据安全性,当攻击节点与诚实节点算力之比分别为15%、30%、45%时,应用分别将最短确认时间设置为47.4秒、79.05秒以及173.95秒以上可以使得区块中数据不可用的概率维持在5%以内。
【图文】：

2通过文献[6][7]对物联网结合区块链普遍架构的分析可知用户使用区块链网络传接收数据的普遍流程如图1.1所示：图 1.1 区块链网络传接收数据的流程图Fig1.1 Transmitting and receiving data in block chain network图中各部分含义如下：① 用户A对数据签名后发送至区块链网络中的某个节点。② 区块链节点验证数据签名后将其转发至其它区块链节点并将该数据打包至区块内，当区块容量达到规定限制后，各节点随即开始寻找该区块的工作量证明。③ 包含该数据的区块被区块链节点挖出并广播。④ 其余节点验证该区块中内容及工作量证明的有效性，若通过检验则将其加入本地缓存。⑤ 用户B等待一定的确认时间使得区块之后连接若干新的区块，直到认为区块安全后才使用区块中的数据。其中，步骤①至步骤④是由区块链网络内部运作机制产生的时延，而步骤⑤是用户方为了防止已确认的数据在一段时间后失效，从而等待确认区块所产生的时延。因此，整个流程所消耗的时间分为两部分，即等待新区块产生的时间和出块后的数据确认时间。文献[8]给出了区块中交易确认的定义：如果使用者确定交易或数据将永久地出现在区块链中

内蒙古大学硕士学位论文3同一高度出现多个区块的现象被称为区块链分叉现象。分叉现象如图1.2所示：图 1.2 区块链分叉示意图Fig1.2 The fork of blockchain假设区块链网络中存在节点 A 和节点 B，两节点几乎同时挖出了新区块，即找到了自己打包的区块的工作量证明，分别为区块 A 和区块 B。随后它们都会把自己挖到的区块链接到自己本地的区块链上，这就造成了区块链分叉。同时，这两个节点会将区块及该区块的工作量证明同步至区块链网络中的其他节点，以便与其他节点同步完最新的数据后在最新的区块链上继续挖矿。此时，离节点 A 较近的点，可能先同步到区块 A，并在区块 A 的基础上继续挖矿
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.44;TN929.5;TP311.13

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