Анализ консенсус-механизмов блокчейна и их применимость к системам Интернета вещей
Аннотация
Консенсус-механизм является основным компонентом технологии блокчейн, позволяющим множеству узлов согласовывать консистентное представление о данных внутри сети блокчейна. Тщательно подобранный алгоритм, на основе которого происходит консенсус транзакций, может обеспечить сеть такими свойствами как отказоустойчивость и неизменяемость. В настоящее время актуальным является применение блокчейна (со всеми его преимуществами) к системам Интернет вещей (IoT), набирающих с каждым годом всё большую популярность. IoT-системы используется в важных для общества сферах таких как здравоохранение, экономика, сельское хозяйство, транспорт, также находит применение в различных формах социального обеспечения («умные города», логистические поставки, отслеживание товара, посылки и т.п.). Целостность и консистентность данных чрезвычайно важны в этих сферах, потому программно-аппаратный сбой или дискредитация данных могут нанести ущерб компании и ее клиентам, использующим IoT-устройства. Кроме того, блокчейн стал основой для децентрализованных сетей. Основной сложность внедрения блокчейн в IoT является нехватка вычислительных ресурсов этих самых «умных устройств». Из этого следует, что традиционные консенсус-алгоритмы, например, Proof of Work не применимы, так как являются чрезвычайно ресурсозатратными. В данной статье проведен сравнительный анализ популярных механизмов консенсуса по перечню выработанных критериев. На основе полученных результатов сделаны выводы, помогающие в выборе наиболее подходящих механизмов консенсуса для применимости в IoT-системах, определены условия, необходимые для их интеграции. Также рассмотрена возможность реализации как PoW, так и PoS алгоритмов в IoT-системах с помощью специально разработанных для них консенсус-алгоритмов, таких как Microchain и Proof of Supply Chain Share.
Литература
2. Werner R., Lawrenz S., Rausch A. Blockchain Analysis Tool of a Cryptocurrency. In: Proceedings of the 2020 2nd International Conference on Blockchain Technology (ICBCT '20). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery; 2020. p. 80-84. https://doi.org/10.1145/3390566.3391671
3. Min H. Blockchain technology for enhancing supply chain resilience.Business Horizons.2019;62:35-45. https://doi.org/10.1016/j.bushor.2018.08.012
4. Dujak D., Sajter D. Blockchain Applications in Supply Chain. In: Kawa A., Maryniak A. (eds.) SMART Supply Network. EcoProduction. Cham: Springer; 2019. p. 21-46. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91668-2_2
5. Sternberg H.S., Hofmann E., Roeck D. The Struggle is Real: Insights from a Supply Chain Blockchain Case. Journal of Business Logistics.2021;42:71-87. https://doi.org/10.1111/jbl.12240
6. Casado-Vara R., Prieto J., Prieta F.D., Corchado J.M. How blockchain improves the supply chain: Case study alimentary supply chain. Procedia Computer Science. 2018;134:393-398. https://doi.org/10.1016/j.procs.2018.07.193
7. Salimitari M., Chatterjee M., Fallah Y.P. A Survey on Consensus Methods in Blockchain for Resource-constrained IoT networks. Internet of Things. 2020;11:100212. https://doi.org/10.1016/j.iot.2020.100212
8. Conti M., Sandeep Kumar E., Lal C. Ruj S. A survey on security and privacy issues of bitcoin. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018;20(4):3416-3452. https://doi.org/10.1109/COMST.2018.2842460
9. Kim J.-Y., Lee J., Moon S.-M. Trie-Hashimoto: State Trie-Based Proof-of-Work Mining for Optimizing Blockchain Storage. IEEE Access. 2024;12:18315-18329. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3360379
10. Huang J., Kong L., Chen G., Wu M.Y. Towards Secure Industrial IoT: Blockchain System With Credit-Based Consensus Mechanism. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2019;15(6):3680-3689. https://doi.org/10.1109/TII.2019.2903342
11. Andola N., Venkatesan S., Verma S. PoEWAL: A lightweight consensus mechanism for blockchain in IoT. Pervasive and Mobile Computing. 2020;69:101291. https://doi.org/10.1016/j.pmcj.2020.101291
12. Wen Y., Lu F., Liu Y., Cong P., Huang X. Blockchain Consensus Mechanisms and Their Applications in IoT: A Literature Survey. In: Qiu M. (eds.) Algorithms and Architectures for Parallel Processing. ICA3PP 2020. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 12454. Cham: Springer; 2020. P. 564-579. https://doi.org/10.1007/978-3-030-60248-2_38
13. Esgin M.F., Kuchta V., Sakzad A., Steinfeld R., Zhang Z., Sun S., Chu S. Practical Post-quantum Few-Time Verifiable Random Function with Applications to Algorand. In: Borisov N., Diaz C. (eds.) Financial Cryptography and Data Security. FC 2021. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 12675. Berlin, Heidelberg: Springer; 2021. p. 560-578. https://doi.org/10.1007/978-3-662-64331-0_29
14. Gilad Y., Hemo R., Micali S., Vlachos G., Zeldovich N. Algorand: Scaling Byzantine Agreements for Cryptocurrencies. In: Proceedings of the 26th Symposium on Operating Systems Principles (SOSP '17). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery; 2017. p. 51-68. https://doi.org/10.1145/3132747.3132757
15. Galindo D., Liu J., Ordean M., Wong J.M. Fully Distributed Verifiable Random Functions and their Application to Decentralised Random Beacons. In: 2021 IEEE European Symposium on Security and Privacy (EuroS&P). Vienna, Austria: IEEE Computer Society; 2021. p. 88-102. https://doi.org/10.1109/EuroSP51992.2021.00017
16. Zhang S., Lee J.H. Analysis of the main consensus protocols of blockchain.ICT Express.2020;6(2):93-97. https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.08.001
17. Tsang Y.P., Choy K.L., Wu C.H., Ho G.T., Lam H.Y. Blockchain-Driven IoT for Food Traceability with an Integrated Consensus Mechanism. IEEE Access. 2019;7:129000-129017. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2940227
18. Averin A. Cheskidov P. Review of Existing Consensus Algorithms Blockchain. In: 2019 International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies" (IT&QM&IS). Sochi, Russia: IEEE Computer Society; 2019. p. 124-127. https://doi.org/10.1109/ITQMIS.2019.8928323
19. Xu R., Chen Y., Blasch E., Chen G. Microchain: A Hybrid Consensus Mechanism for Lightweight Distributed Ledger for IoT. arXiv:1909.10948. 2019. https://doi.org/10.48550/arXiv.1909.10948
20. Polge J., Robert J., Traon Y.L. Permissioned blockchain frameworks in the industry: A comparison.ICT Express.2021;7(2):229-233. https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.09.002
21. Zhang P., Schmidt D.C., White J., Dubey A. Chapter Seven – Consensus mechanisms and information security technologies. Advances in Computers. 2019;15:181-209. https://doi.org/10.1016/bs.adcom.2019.05.001
22. Silvano W.F., Marcelino R. Iota Tangle: A cryptocurrency to communicate Internet-of-Things data. Future Generation Computer Systems. 2020;112:307-319. https://doi.org/10.1016/j.future.2020.05.047
23. Li J., Li N., Peng J., Cui H., Wu Z. Energy consumption of cryptocurrency mining: A study of electricity consumption in mining cryptocurrencies. Energy. 2019;168:160-168. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.046
24. Tirado-Andrés F., Rozas A., Araujo A. A Methodology for Choosing Time Synchronization Strategies for Wireless IoT Networks. Sensors.2019;19(16):3476. https://doi.org/10.3390/s19163476
25. Auhl Z., Chilamkurti N., Alhadad R., Heyne W. A Comparative Study of Consensus Mechanisms in Blockchain for IoT Networks. Electronics. 2022;11(17):2694. https://doi.org/10.3390/electronics11172694
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
