基于有向无环图的区块链技术综述

区块链技术已广泛应用于金融、公共服务、物联网、网络安全、供应链等多个领域,但传统单链结构的区块链在吞吐量、交易确认速度和可扩展性方面存在不足,导致其在一些短时高并发量数据场景中难以落地应用。基于有向无环图（DAG）的区块链技术因其具有交易并发确认功能、吞吐量高、可扩展性强等优势受到研究者广泛关注。通过分析研究现有DAG区块链的发展和演化过程、评估方法、优化方向以及应用场景,探索DAG区块链在落地应用中的可行性。阐述主流DAG区块链的研究现状,比较传统区块链与DAG区块链的优势与不足,并分析现有区块链属性评估方法,总结DAG区块链评估结果。在此基础上,从交易确认速度、系统吞吐量、系统安全性、存储结构等方面对比现有DAG区块链的优化方法,介绍DAG区块链在数据管理、基于边缘计算和联邦学习的数据共享以及面向访问控制和隐私保护的数据安全等场景中的应用情况,并指出当前研究中存在的主要问题和挑战,对未来的研究方向进行展望。     

基于双链的可扩展物联网模型

针对当前区块链和物联网结合面临的存储和交易吞吐量压力进行了研究,提出一种基于双链的可扩展物联网模型.首先,设计了基于交易链和哈希(hash)链的双链存储结构和分区模型,通过交易链差异化存储降低了节点的存储压力,通过hash链提升了系统的整体安全性,并实现了全网数据的自由交易;其次,提出了一种并行多块创建协议(parallel multi-blocks creation protocol,PMCP),降低了系统共识时延,提高了系统的吞吐量,具有良好的可伸缩性;最后,提出了基于信誉的验证者和领导者选举算法,保证了节点选择的随机性和公平性,避免了系统中心化问题,设计了节点信誉值的评估机制,保证了协议的安全性.实验结果表明,该模型存储容量较传统区块链模型有大幅度提升,提高了区块链系统的可扩展性,PMCP协议的吞吐量和时延要明显优于PBFT等协议,所提信誉机制激励节点作出理性选择,可以很好地提升网络的安全性.     

基于区块链的司法数据管理及电子证据存储机制

文章针对司法场景下的事务数据分类、实体类型及电子证据在实际应用中的存储与共享访问等需求,结合区块链技术,提出一种面向司法审判场景的电子数据安全存储链式结构。该结构分为司法联盟链JudChain和证据存储链EviChain两部分,实现对司法流程数据和电子证据的高效管理和安全存储,且具有完整的节点认证及区块生成流程。此外,文章还提出了应用于JudChain的共识协议,该协议对传统PBFT算法进行改进,降低了共识开销和交易时延,提升了共识效率和吞吐量。     

基于区块链技术的物联网信息共享安全机制

针对物联网（IoT）信息共享中存在的源数据易被篡改、缺乏信用保障机制以及信息孤岛问题，提出一种基于区块链技术的轻量级物联网信息共享安全框架。该框架采用数据区块链和交易区块链相结合的双链模式:在数据区块链中实现数据的分布式存储和防篡改，并通过改进的实用拜占庭容错（PBFT）机制共识算法，提升数据登记效率；在交易区块链中实现资源和数据交易，并通过基于部分盲签名算法的改进算法，提升交易效率、实现隐私保护。仿真实验部分分别针对抗攻击能力、双链的处理能力和时延进行了验证分析，结果表明该框架具有安全性、有效性和可行性，可应对现实物联网中的大部分场景。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

基于区块链的5G物联网数据共享方案

海量的物联网数据拥有巨大价值,而现有基于云的数据共享机制,面临单点故障、内部泄露等问题,无法确保用户数据的安全共享。为实现高效可信的数据共享,利用区块链技术,提出了基于区块链的5G物联网数据共享方案。该方案首先设计了数据共享框架和数据共享流程;然后基于闪电网络方案,提出了面向物联网数据共享的链下交易机制。实验分析表明,基于区块链的5G物联网数据共享方案具有较强的抗攻击能力;基于闪电网络的交易机制,能够大幅提高交易吞吐量、降低交易时延。     

一种基于哈希图的移动自组网区块链模型

针对移动自组网存在的网络覆盖范围有限、连接不稳定、节点协同时易遭受恶意攻击等问题,结合区块链技术增加数据的安全性与完整性,提出一种基于哈希图的移动自组网区块链模型。首先,提出一种分簇算法,将节点划分为不同的簇,选举簇首统计簇内节点数量,并写入事件中进行传播,以保证共识的顺利进行;其次,对Gossip协议进行优化,提出FS-Gossip(fast spreading Gossip)协议,减少邻居节点选择的盲目性,提高传播效率,增大新入簇节点的检测速度;最后,改进哈希图中复杂的共识计算,并提出一种基于簇首优先的传播机制,在簇内节点应用轻量级共识与传播机制,以加快事件确认速度,降低时延,提升吞吐量。仿真实验结果验证了模型在时延、吞吐量与传播效率方面的优势。     

适用于海量数据处理的高吞吐量联盟链共识算法DMDR

区块链技术能够有效解决物联网场景下数据的可信共享问题,但主流共识算法往往存在较大延迟,难以处理多源异构的海量数据。针对此问题,提出一种动态多区块双轮次共识算法(DMDR)。该算法将交易验证和打包两个环节拆分,以交易提前处理和区块延后生成的方式使普通节点可利用共识等待时间处理交易,于单次共识内生成多个区块,提高数据处理效率。该算法将网络中的节点划分为多个集群,采用各集群与系统整体双轮次共识的方式减少通信开销,并基于集群内点的相互印证确保共识结果的准确性。仿真实验表明该算法的吞吐量优于PoW与PBFT,且在较小网络延迟中仍具有较可观的交易吞吐量。     

区块链技术在矿山物联网中的应用研究

针对矿山物联网中数据传输和存储过程中存在易丢失和被篡改等问题,将区块链技术应用于矿山物联网的数据传输与存储中。构建了以数据层、传输层、共识层为核心的矿山私有区块链架构;设计了基于共识模块和数据区块的矿山物联网数据传输与存储防护方案;应用实用拜占庭容错(PBFT)算法设计了数据共识过程,通过在分布式结构化P2P网络每2个节点间设置共识模块并优化P2P协议,实现了矿山数据安全性共识。测试结果表明,私有区块链的应用保证了矿山物联网数据的准确传输和可靠存储。     

区块链交易数据隐私保护方法

区块链具有开放性、不可篡改、分布式共享全局账本等优点,但同时这些特性也造成了交易数据隐私泄露问题,严重影响其在许多业务领域的应用,特别是在企业联盟链领域的应用,随着区块链应用的不断发展,如何在区块链平台上对交易数据进行隐私保护是一个非常值得研究的问题。为此,首先对现有的区块链交易数据隐私保护方法进行研究并指出其不足,其次对区块链交易数据隐私保护需求进行定性分析,将每一笔交易数据分为敏感数据和基础数据两部分,建立需求分析矩阵,得出交易隐私保护的本质需求和隐含需求以及可能的应用场景;然后结合对称加密与非对称加密各自的特点以及智能合约的共识特性,设计了一套基于双重加密的区块链交易数据隐私保护方法,该方法主要包括私密数据提供方加密存储交易数据、私密数据使用方解密读取交易数据、私密数据可访问方共享交易数据3个模块,同时对每个模块的工作流程进行了详细论述;最后在蚂蚁区块链平台上结合国际贸易多方共同参与的实际业务对该方法进行验证。测评结果表明,该方法能够实现字段级别细粒度的交易数据隐私保护,能够在链上高效稳定地进行私密数据共享和完成私密数据的全链路操作;在使用4个节点搭建的区块链平台上完成了超过100万笔的交易测试,平均TPS达到了800;相比原来没有使用隐私保护的系统,交易性能并没有明显降低,相比比特币、以太坊等区块链平台,文中使用的区块链平台通过加密后的交易性能得到了几十倍的提升。     

面向物联网的区块链共识机制综述

随着数字货币的不断发展,区块链技术引起越来越多人的关注,而对其关键技术共识机制的研究尤为重要。将区块链技术应用在物联网（IoT）中是目前研究的热点问题之一。共识机制是区块链的核心技术之一,其在去中心化程度、交易处理速度、交易确认延迟、安全性以及可扩展性等方面对IoT产生了重要影响。首先对IoT的体系结构特征以及资源受限问题造成的轻量化问题作了阐述,对在IoT中实现区块链所面临的问题作了简要概述,并结合比特币的运行流程对IoT中的区块链需求进行了分析;其次,把共识机制分为证明类、拜占庭类和有向无环图（DAG）类,研究了这些不同类别的共识机制的工作原理,在通信复杂度上分析它们与IoT的适应度,总结它们的优缺点,并对现有的共识机制和IoT结合的架构进行了调研分析;最后,针对IoT面临的中心机构运行成本高、可扩展性差、安全性存在隐患等问题进行了深入研究,分析结果表明,基于DAG技术的埃欧塔（IOTA）和Byteball共识机制在交易数量很多的情况下具有交易处理速度快、可扩展性好、安全性强的优点,是未来IoT领域区块链共识机制的发展方向。     

基于物联网区块链的轻量级共识算法研究

面对规模庞大的物联网数据,高效的共识算法是区块链技术与物联网应用相结合的关键。为解决大规模物联网区块链系统中传统共识算法通信开销大、扩展性低、共识机制复杂度高的问题,基于Hyperledger Fabric搭建一个物联网区块链框架,并设计基于投票和交易证明的轻量级共识算法PoVT。在链码验证交易后,根据节点之间发起和收到的交易,选择交易的源节点和目标节点作为代表参与共识。在共识阶段通过设计新的投票方式简化共识流程,仅需一次全节点广播即可生成新的区块。以优先收集到一定投票数的节点作为主节点进行投票广播,在所有节点收到足够多投票消息的同时进行上一轮交易区块确认。对安全性、出块时间和带宽需求进行分析,结果表明,PoVT算法在网络中存在拜占庭节点的情况下能够以较短的时间验证交易和区块,在每秒交易数量相同时,该算法生成区块的时间为PBFT算法的1/3,网络带宽占用也能减少30%,证明所提物联网区块链框架在不同应用场景中具有较高的可扩展性。     

Efficient Blockchain-Empowered Data Sharing Incentive Scheme for Internet of Things

In recent years, with many devices continuously joining the Internet of Things (IoT), data sharing as the main driver of the IoT market has become a research hotspot. However, the users are reluctant to participate in data sharing due to security concerns and lacking incentive mechanisms in the current IoT. In this context, blockchain is introduced into the data sharing of IoT to solve the trust problem of users and provide secure data storage. However, in the exploration of building a secure distributed data sharing system based on the blockchain, how to break the inherent performance bottleneck of blockchain is still a major challenge. For this reason, the efficient blockchain-based data sharing incentive scheme is studied for IoT. In the scheme, an efficient data sharing incentive framework based on blockchain is proposed, named ShareBC. Firstly, ShareBC uses sharding technology to build asynchronous consensus zones that can process data sharing transactions in parallel and deploy efficient consensus mechanisms on the cloud/edge servers and asynchronous consensus zones in sharding, thus improving the processing efficiency of data sharing transactions. Then, a sharing incentive mechanism based on a hierarchical data auction model implemented by a smart contract is presentedto encourage IoT users to participate in data sharing. The proposed mechanism can solve the problem of multi-layer data allocation involved in IoT data sharing and maximize the overall social welfare. Finally, the experimental results show that the proposed scheme is economically efficient, incentive-compatible, and real-time, with scalability, low cost, and good practicability.     

区块链赋能的高效物联网数据激励共享方案

近年来,随着大量设备不断地加入物联网中,数据共享作为物联网市场的主要驱动因素成为了研究热点.然而,当前的物联网数据共享存在着出于安全顾虑和缺乏激励机制等原因导致用户不愿意参与共享数据的问题.在此背景下,区块链技术为解决用户的信任问题和提供安全的数据存储被引入到物联网数据共享中.然而在构建基于区块链的安全分布式数据共享系统的探索中,如何突破区块链固有的性能瓶颈仍然是一个关键挑战.为此,本文研究了基于区块链的高效物联网数据激励共享方案.该方案首先提出了一个高效的区块链物联网数据激励共享框架,称为ShareBC.ShareBC利用分片技术构建能够并行处理数据共享交易的异步共识区,并在云/边缘服务器上和分片异步共识区上部署高效的共识机制,从而提高数据共享交易的处理效率.然后,为激励物联网用户参与数据共享,提出了一种基于智能合约实现的层次数据拍卖模型的共享激励机制.该机制解决了物联网数据共享中涉及的多层数据分配有效性问题,能够最大限度地提高整体社会福利.最后,实验结果证明了该方案的经济效益、激励兼容性和实时性以及可扩展性,且具有较低的计算成本和良好的实用性.     

基于区块链的物联网可伸缩管理机制

为了解决大规模物联网（IoT）设备集中式管理的安全性和可伸缩性问题,提出一种基于区块链技术的轻量级物联网设备可伸缩管理框架。该框架采用区块链网络,在网络中部署智能合约为设备管理提供操作接口,利用设备管理器将轻量级物联网设备独立于区块链网络之外,并改进了区块链中拜占庭容错算法（PBFT）的一致性协议,增加了动态选举机制。仿真实验分别对改进共识算法的性能和机制的可伸缩性进行验证,结果表明,该机制具有良好的伸缩性,设备管理器每秒能响应约1 000次的请求。与传统PBFT算法相比,改进算法提高了交易吞吐量,缩短了交易延时,并减少了通信开销。     

面向时空数据的区块链构建及查询方法

时空数据作为一种同时具有时间维度及空间维度的数据类型,被广泛应用于供应链管理、电子商务等领域,它的完整性及安全性在实际应用中具有重要意义。针对目前时空数据集中式存储方式存在数据不透明且易被篡改的问题,将区块链技术的去中心化、防篡改、可追溯等特性与时空数据管理相结合,提出面向时空数据的区块链构建及查询方法。首先,提出一种基于改进图型区块链（Block?DAG）的时空数据区块链架构ST_Block?DAG;其次,为了提升时空数据的存储及查询效率,在ST_Block?DAG区块链内部采取基于四叉树及单链表的结构存储时空数据;最后,在ST?Block?DAG存储结构基础上实现了多种时空数据查询算法,如单值查询、范围查询等。实验结果表明,与STBitcoin、Block?DAG以及STEth相比,ST_Block?DAG的时空数据处理效率提升了70%以上,时空数据综合查询性能提升了60%以上。所提方法能够实现时空数据的快速存储及查询,可以有效支持时空数据的管理。     

面向物联网多场景的PBFT共识算法改进方案

物联网与区块链融合过程中,实用拜占庭容错(PBFT)算法存在通信开销大、时延高且无法根据场景与设备差异进行合理划分的不足。为满足物联网多场景应用的问题,提出了一种基于综合评价的改进实用拜占庭容错算法。首先,对节点进行基于性能与信誉值加权的综合评价筛选出符合特定场景需求的节点;然后,进行基于节点综合评价的聚类,形成双层网络架构;最后,将共识过程分为子集群共识和主集群共识。实验结果表明,CE-PBFT拥有较高的容错性和场景适应性,且当场景节点数达到100时,在通信开销和共识时延方面较PBFT分别有着93.9%和87.8%的性能优化。     

基于区块链与边缘计算的物联网访问控制模型

边缘计算的出现扩展了物联网（IoT）云-终端架构的范畴,在减少终端设备海量数据的传输和处理时延的同时也带来了新的安全问题。针对IoT边缘节点与海量异构设备间的数据安全和管理问题,并考虑到目前区块链技术广泛应用于分布式系统中数据的安全管理,提出基于区块链与边缘计算的IoT访问控制模型SC-ABAC。首先,提出集成边缘计算的IoT访问控制架构,并结合智能合约和基于属性的访问控制（ABAC）提出并设计了SC-ABAC;然后,给出工作量证明（PoW）共识算法的优化和SC-ABAC的访问控制管理流程。实验结果表明,所提模型对区块连续访问下的耗时随次数呈线性增长,连续访问过程中央处理器（CPU）的利用率稳定,安全性良好。本模型下仅查询过程存在调用合约的耗时随次数呈线性增长,策略添加和判断过程的耗时均为常数级,且优化的共识机制较PoW每100块区块共识耗时降低约18.37个百分点。可见,该模型可在IoT环境中提供去中心化、细颗粒度和动态的访问控制管理,并可在分布式系统中更快达成共识以确保数据一致性。