摘要
区块链凭借去中心化、抗篡改、可溯源和公开透明等特性能够有效应对物联网环境下存在的安全和信任问题。然而传统区块链存在资源消耗高、可扩展性差等问题，导致其与物联网的融合面临着巨大的挑战。一方面，物联网场景中存在大量资源受限设备，其难以承担区块链的维护工作。另一方面，物联网要求高效的业务处理，传统区块链在可扩展性方面无法满足物联网实际应用中的业务需求。 为此，本文从区块链的共识计算和数据存储两方面进行探索，针对传统区块链存在的高资源消耗和低扩展性等问题，提出一套面向物联网的轻量级且可扩展的区块链系统，实现轻量级的共识计算和账本存储以及高效的交易处理。本文主要工作如下： (1)提出基于边缘计算的轻量级区块链框架，以解决传统区块链资源消耗高与物联网设备资源受限的矛盾，从而使得更多资源受限设备可以参与共识。首先，优化共识机制，设计轻量级的随机证明共识机制，节点通过两阶段的随机测试竞争记账权，共识过程仅消耗少量的计算资源。其次，基于账户模型优化区块结构，设计存储优化策略，将区块链账本分为全账本和状态账本，资源受限的节点仅需存储尺寸更小的状态账本即可参与共识。最后，安全性分析和实验评估证明方案在保证安全性的前提下有效改善了在账本存储成本、区块共识计算成本、吞吐量和交易确认延迟等方面的性能。 (2)提出基于双链模型的可扩展共识协议，进一步改善区块链的可扩展性，具体表现为提高交易吞吐量和降低交易确认延迟。首先，该共识协议将挖矿过程拆分成记账权竞争和交易打包两个并行过程，相应地设计并行成长的会计链和交易链代替传统单一的区块链。其次，选拔规模更小的候选会计小组验证、签名交易，并设计高效的交易打包与确认流程，以提高共识效率，降低交易确认时延。最后，安全性分析和性能评估表明在保证原有的安全性前提下，本方案在交易吞吐量和交易确认延迟方面有着进一步的提升。 (3)设计并实现轻量级且可扩展的食品链系统。结合实际的物联网需求，以食品供应链场景为例，设计系统整体架构以及各个功能模块。该系统基于本文所提的轻量级且可扩展的区块链技术来构建区块链平台，采用前后端分离设计，后端使用Java语言和SpringBoot框架来实现，前端页面展示主要的系统功能。
NETL