基于物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制及其優(yōu)化策略

陳宜榮

（江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221004）

0 引言

隨著信息傳感設(shè)備以及信息傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國逐漸步入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至更豐富的空間，區(qū)塊鏈技術(shù)是從比特幣底層抽離出的一種獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以在無需相互信任的介質(zhì)之間的進(jìn)行傳遞工作，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中融入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，催生出了許多諸如太坊、超級(jí)賬本等物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)產(chǎn)物，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)的三大保障機(jī)制為共識(shí)機(jī)制、智能合約以及非對(duì)稱加密，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)將數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)技術(shù)、激勵(lì)技術(shù)、合約技術(shù)以及應(yīng)用性六部分性能進(jìn)行充分融合。區(qū)塊鏈技術(shù)是通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式賬本維護(hù)工作，以此為基礎(chǔ)，使體系之間達(dá)成共識(shí)并相互信任，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)海量數(shù)據(jù)通過感知終端進(jìn)行匯聚，使數(shù)據(jù)信息具有分布式特征，因此，目前已經(jīng)出現(xiàn)了不少面向物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的區(qū)塊鏈平臺(tái)[1]。由于物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈存在儲(chǔ)存能力差、計(jì)算處理能力低下以及數(shù)據(jù)傳輸帶寬低等不足，因此，物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的吞吐量成為了亟需優(yōu)化的關(guān)鍵，影響物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈吞吐量的關(guān)鍵因素是共識(shí)機(jī)制，共識(shí)機(jī)制分為共識(shí)算法以及共識(shí)規(guī)則兩部分。當(dāng)今對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的研究發(fā)展重點(diǎn)，在于如何對(duì)優(yōu)化區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存問題、網(wǎng)絡(luò)傳輸問題以及用戶應(yīng)用等問題，使物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)得到迅速的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的主要共識(shí)機(jī)制

1.1 POW

POW即工作量證明共識(shí)機(jī)制，該共識(shí)機(jī)制首次應(yīng)用是在比特幣中，該共識(shí)機(jī)制的主要應(yīng)用是通過共識(shí)機(jī)制的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行哈希運(yùn)算，以爭(zhēng)取區(qū)塊記賬權(quán)，在區(qū)塊產(chǎn)生后，在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行廣播，供該機(jī)制的其他節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。該共識(shí)機(jī)制運(yùn)用到完全開放、自由的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中，可以解決傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)的一致性問題，但是POW共識(shí)機(jī)制在進(jìn)行哈希運(yùn)算的過程中，會(huì)消耗大量的計(jì)算能力以及其他資源，并且數(shù)據(jù)一致的同步時(shí)間較長，不符合當(dāng)今日益加快的社會(huì)市場(chǎng)的業(yè)務(wù)節(jié)奏。

1.2 POS

由于傳統(tǒng)的POW共識(shí)機(jī)制存在資源浪費(fèi)嚴(yán)重、公式計(jì)算時(shí)間較長等不足，POS共識(shí)機(jī)制逐漸出現(xiàn)，POS是通過計(jì)算區(qū)塊記賬權(quán)的難度與節(jié)點(diǎn)持有的代幣，持有代幣數(shù)量多且時(shí)間較長的節(jié)點(diǎn)，在爭(zhēng)取區(qū)塊記賬時(shí)獲勝度越容易。與POW共識(shí)機(jī)制相比較，POS減少了運(yùn)算資源以及運(yùn)算時(shí)間的消耗，但是POS共識(shí)機(jī)制是運(yùn)算時(shí)間仍然較長，對(duì)于一些共識(shí)時(shí)間要求較高的業(yè)務(wù)環(huán)境并不適用，因此沒有從根本上解決商業(yè)共識(shí)機(jī)制應(yīng)用的基本問題[2]。

1.3 POL

POL共識(shí)機(jī)制是一種在可信執(zhí)行環(huán)境之上建立的共識(shí)機(jī)制，該機(jī)制在區(qū)塊產(chǎn)生的過程中，隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)字以決定獲勝區(qū)塊。POL共識(shí)機(jī)制提高了區(qū)塊產(chǎn)生的效率，降低了資源的消耗，縮短了計(jì)算時(shí)間，但是POL共識(shí)機(jī)制的可信執(zhí)行環(huán)境是芯片級(jí)的，因此對(duì)處理器的要求較高，在應(yīng)用POL共識(shí)機(jī)制時(shí)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展需要相應(yīng)的硬件以及處理器進(jìn)行技術(shù)方面的支持。

1.4 DPOS

DPOS是一種可以實(shí)現(xiàn)區(qū)塊秒級(jí)驗(yàn)證的一種新型共識(shí)機(jī)制，其可以滿足廣大業(yè)務(wù)需求，在DPOS的共識(shí)機(jī)制應(yīng)用中，每一個(gè)持有代幣的節(jié)點(diǎn)都是候選節(jié)點(diǎn)，透過投片進(jìn)行代理節(jié)點(diǎn)的選擇，由代理節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊進(jìn)行產(chǎn)生及驗(yàn)證。該共識(shí)機(jī)制大大縮短了計(jì)算時(shí)間以及資源消耗，可以達(dá)到秒級(jí)共識(shí)驗(yàn)證，但是其對(duì)于惡意節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)識(shí)，沒有相應(yīng)的改進(jìn)及阻止措施，節(jié)點(diǎn)存在投票不積極的現(xiàn)象，導(dǎo)致DPOS共識(shí)機(jī)制在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)的安全性得不到保障[3]。

2 共識(shí)機(jī)制在物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈中的優(yōu)化策略

2.1 共識(shí)機(jī)制與人工智能相結(jié)合

人工智能技術(shù)是一門靠人工方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能化的一種科學(xué)技術(shù)，為區(qū)塊鏈提供智能化方向，將共識(shí)機(jī)制與人工智能技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，人工智能可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)要求高以及數(shù)據(jù)量巨大的特點(diǎn)，主動(dòng)搜索具有優(yōu)化性以及強(qiáng)化數(shù)據(jù)質(zhì)量的共識(shí)新機(jī)制，對(duì)共識(shí)機(jī)制的計(jì)算時(shí)間根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行智能化選擇以及改進(jìn)，使得物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈計(jì)算能力趨于合理，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)的去中心化[4]。同時(shí)，利用人工智能結(jié)合共識(shí)機(jī)制可以增強(qiáng)共識(shí)機(jī)制對(duì)于惡意節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證以及防護(hù)，并通過網(wǎng)絡(luò)防火墻對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組織并改進(jìn)，減少惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)于共識(shí)機(jī)制的侵害。

2.2 對(duì)共識(shí)機(jī)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理優(yōu)化

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈?zhǔn)芡掏铝康挠绊?，無法完全適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)環(huán)境，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)優(yōu)化必須注意以下兩點(diǎn)問題：首先，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)更新速度過快，因此，早期的數(shù)據(jù)在共識(shí)機(jī)制建立工作時(shí)幾乎起不到任何作用，所以，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先必須保證數(shù)據(jù)不影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常工作，對(duì)區(qū)塊鏈中儲(chǔ)存的賬本數(shù)據(jù)進(jìn)行合理刪減，以保證區(qū)塊賬本數(shù)據(jù)具有可持續(xù)存儲(chǔ)型；其次，由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的儲(chǔ)存能力比較低下，因此，可以對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)存模式進(jìn)行改進(jìn)，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中融入緩存機(jī)制或者改進(jìn)區(qū)塊的儲(chǔ)存功能，增加共識(shí)機(jī)制讀寫數(shù)據(jù)的能力，增強(qiáng)共識(shí)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性[5]。

2.3 提供物聯(lián)網(wǎng)輔助技術(shù)

由于物聯(lián)網(wǎng)算力低以及儲(chǔ)存空間不足的特點(diǎn)，限制了共識(shí)機(jī)制的應(yīng)用，因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)本身技術(shù)的輔助，首先，可以運(yùn)用輕節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行輔助，輕節(jié)點(diǎn)可以對(duì)區(qū)塊的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備儲(chǔ)存性能的不同，考慮到其儲(chǔ)存空間以及儲(chǔ)存能力的強(qiáng)弱，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)建符合其儲(chǔ)存能力的區(qū)塊，使得共識(shí)機(jī)制的儲(chǔ)存能力得到合理的優(yōu)化；其次，可以利用側(cè)鏈技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展，使得區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制可以進(jìn)行用戶自定義設(shè)置，用戶可以自身業(yè)務(wù)的需求對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行形影的自定義設(shè)置，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制在自身業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用以及優(yōu)化能力[6]。

2.4 提升共識(shí)機(jī)制的交易性能

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域鏈的共識(shí)機(jī)制存在主要不足之處便在于共識(shí)機(jī)制的交易性能，因此，優(yōu)化共識(shí)機(jī)制的主要方向在于提升共識(shí)機(jī)制的交易性能，首先，霧計(jì)算作為新型的計(jì)算方式，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使得數(shù)據(jù)位置進(jìn)行相應(yīng)下沉，轉(zhuǎn)移至接近數(shù)據(jù)生成的位置，通過霧節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并儲(chǔ)存，降低數(shù)據(jù)傳輸占用的帶寬，減少計(jì)算壓力，加快優(yōu)化共識(shí)機(jī)制；其次，由于部分共識(shí)機(jī)制受處理器的影響，無法得到普及，因此，可以研制一種面向區(qū)塊鏈的計(jì)算芯片，以提高區(qū)塊鏈的計(jì)算能力以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的兼容性，對(duì)共識(shí)機(jī)制進(jìn)行根本上的優(yōu)化與改進(jìn)；最后，傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)由于密碼的高消耗，降低了數(shù)據(jù)的運(yùn)算效率，因此，可以將密碼修改為安全的輕量級(jí)密碼，減少密碼對(duì)于儲(chǔ)存空間的消耗，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化；最后，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，可以利用分片原理將物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的大型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)類別的不同進(jìn)行分割，將其分割為不同的小型數(shù)據(jù)碎片，利用不同的服務(wù)器對(duì)這些數(shù)據(jù)碎片進(jìn)行分別儲(chǔ)存，使共識(shí)機(jī)制可以與分片技術(shù)進(jìn)行相互結(jié)合，可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)建立速度進(jìn)行有效改善，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制。

3 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)由于其本身的去中心化、數(shù)據(jù)固定化以及分布式特征，因此，其與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合成為了未來物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域以及區(qū)塊鏈領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。因此，當(dāng)前需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制存在的不足之處對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以及改進(jìn)，以提升物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈的建構(gòu)以及交易性能的增強(qiáng)，使得物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)得到迅速的發(fā)展。