مروری بر اینترنت اشیا و نرم افزار تعریف شده معماری بلاک چین

پروتکل های بلاک چین در سال 2009 زمانی که ساتوشی ناکاموتو سیستم ارز دیجیتال بیت کوین را معرفی کرد، توجه محققان را به خود جلب کرد.

بلاک چینی که از ارز دیجیتال بیت کوین پشتیبانی می کند یک دفتر کل توزیع شده همتا به همتای عمومی است که تمام تراکنش های درون شبکه بیت کوین را ثبت می کند این ویژگی پایگاه داده روی زنجیره توزیع شده و همگام سازی در شبکه نام دارد. در این مقاله مروری خواهیم داشت بر اینترنت اشیا و بلاکچین

مقدمه

بیت کوین یک شبکه بلاک چین عمومی را پیاده سازی می کند که برای هر شرکت کننده ای در اینترنت قابل دسترس است. شرکت کنندگانی که بخشی از شبکه بیت کوین هستند، ماینر نامیده می‌شوند، زیرا وظیفه آن‌ها جستجوی بلوک‌های تراکنش‌هایی است که روی زنجیره نوشته می‌شوند.

تعرف ماینینگ

ماینینگ نامی است که به فرآیند تأیید بلاک های تراکنش در بیت کوین داده می شود. در بیت کوین مکانیزم اجماع که شبکه برای استخراج از آن استفاده می کند، اثبات کار نامیده می شود. مکانیسم اثبات کار بیان می کند که یک ماینر باید یک مشکل رمزنگاری را حل کند تا حق نوشتن بلوک را در زنجیره به دست آورد. ماینرها باید هنگام حل مشکل رمزنگاری که به قدرت محاسباتی بالایی نیاز دارد، قابلیت اطمینان را نشان دهند

تعریف اجماع

اجماع ویژگی بلاک چین است که از انجام تراکنش های نادرست یا غیرقابل اعتماد جلوگیری می کند. این ویژگی قابلیت اطمینان را بین گره‌های ناآشنا افزایش می‌دهد

برخلاف بیت کوین، شبکه های بلاک چین خصوصی نیز وجود دارند. شبکه های بلاک چین خصوصی دسترسی شرکت کنندگان و اجرای تراکنش ها را محدود می کنند. روشی که یک شبکه بلاک چین خصوصی شرکت کنندگان را تأیید و پذیرش میکند ممکن است بسته به قوانین داخلی یا فناوری متفاوت باشد. Ripple ریپل و Hyperledger Fabric نمونه هایی از شبکه های بلاک چین خصوصی هستند.

پروتکل های بلاک چین اجازه تغییر در تراکنش های موجود در یک بلاک استخراج شده را نمی دهند. این خاصیت تغییر ناپذیری است. این رویکرد به اشتراک گذاری داده ها را بین طرف هایی که به یکدیگر اعتماد ندارند تشویق می کند

برخی از فناوری‌های بلاک چین اجازه می‌دهند تا قوانین تجاری (توابع برنامه‌نویسی) روی زنجیره ذخیره شوند. بنابراین، ما می توانیم تعاملات پیچیده تری را بین طرفین تعریف کنیم. این ویژگی معمولاً به عنوان قراردادهای هوشمند شناخته می شود. قراردادهای هوشمند نامی است که اتریوم برای فراخوانی این توابع برنامه ریزی شده روی زنجیره استفاده می کند. در این تحقیق نام قراردادهای هوشمند را نیز برگزیدیم. بسته به فناوری بلاک چین، قراردادهای هوشمند ممکن است نام های دیگری داشته باشند. به عنوان مثال، Hyperledger Fabric که آن را کد روی زنجیره می نامد. علاوه بر این، هر فناوری بلاک چین در صورت پشتیبانی می‌تواند پروتکل‌ها و زبان‌های برنامه‌نویسی متفاوتی برای ایجاد و استقرار قراردادهای هوشمند در شبکه داشته باشد.

در برنامه های کاربردی مبتنی بر بلاک چین، تراکنش های بین طرفین به صورت توزیع شده بدون وابستگی به یک مرجع تأیید مرکزی ذخیره و تأیید می شود

در سیستم‌های بلاک چین با یک ارز دیجیتال مانند بیت‌کوین، ماینرها پس از استخراج یک بلاک، برای کسب پاداش ارز دیجیتال با یکدیگر رقابت می‌کنند. این رویکرد ماینرها را تشویق می‌کند تا منابع را در شبکه بلاک چین سرمایه‌گذاری کنند، و همچنین به ماینرها اجازه می‌دهد تا به صورت جداگانه عمل کنند.

شبکه‌های اینترنت اشیا فاقد قدرت محاسباتی برای رقابت استخراج‌کنندگان هستند. این دلیل اصلی میزبانی برنامه های بلاک چین برای اینترنت اشیا در فضای ابری است. به عنوان مثال، شارما و همکاران یک معماری بلاک چین مبتنی بر ابر را برای رسیدگی به مسائل مربوط به داده ها در اینترنت اشیا مانند در دسترس بودن و تحویل ارائه می دهند

علاوه بر این، Dorri یک چارچوب مبتنی بر بلاک چین برای مدیریت امنیت و حریم خصوصی در اینترنت اشیا ارائه می دهد. با این حال، در این راه حل، ماینرها به عنوان مقامات تأیید مرکزی کار می کنند. بین ماینرها اتفاق نظر حاصل نشده است

پیاده سازی بلاک چین در فضای ابری:

پیاده سازی بلاک چین در فضای ابری به این معنی است که تمام ویژگی های بلاک چین توسط گره های قدرتمند با هم اجرا می شوند. ابر مزایای استفاده کارآمد از منابع و هماهنگ‌سازی، سلف‌سرویس درخواستی، و استقرار سریع و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد. با این حال، این مزایا با هزینه های بالایی همراه است. ذخیره هر تراکنش اینترنت اشیا در یک بلاک چین ابری گران خواهد بود

در حالی که پروتکل‌های بلاک چین به حاکمیت اینترنت اشیا کمک کرده‌اند، تاکنون برای پیاده‌سازی آن‌ها به فضای ابری بودن وابسته بوده‌ایم. باز هم دلیل اصلی این امر این است که برنامه‌های بلاک چین سنتی باعث می‌شود که ماینرها با یکدیگر رقابت کنند که به قدرت محاسباتی بالایی نیاز دارد. قدرت محاسباتی بالا بخشی از پارادایم اینترنت اشیا نیست

امروزه محاسبات  به برنامه‌ها اجازه می‌دهد تا برخی از وظایف پردازشی را نزدیک‌تر به شبکه اشیاء اجرا کنند. این رویکرد به تحقق چشم انداز اینترنت اشیا کمک خواهد کرد. چشم انداز شی محور اینترنت اشیا بیان می کند که توسعه در اولویت است. با این حال، قدرت محاسباتی محدود دستگاه‌ها پیاده‌سازی کل گره بلاک چین را در یک دستگاه فیزیکی غیرممکن می‌کند. بنابراین، جداسازی ویژگی‌های بلاک چین و ایزوله  کردن آنها در اجزایی که به صورت فیزیکی از هم جدا شده‌اند،که می‌توانند توسط گره‌های انتهایی متصل مشترک میزبانی شوند، ضروری است

هدف از مقاله اینترنت اشیا و بلاکچین

هدف این تحقیق. توسعه یک برنامه بلاک چین سفارشی برای اینترنت اشیا است که عملکرد مشابهی را به بلاک چین های ابری  محور ارائه می‌کند، اما به مکانیزم ارز دیجیتال در سطح نیاز ندارد و ویژگی‌های بلاک چین را در شبکه  توزیع می‌کند. این تحقیق بلاک چین را به عنوان یک سیستم مجازی تجسم می کند که می تواند در اجزای نرم افزاری تعریف شده قرار گیرد. بنابراین، هیچ محدودیتی در قابلیت های محاسبات فیزیکی وجود ندارد

مفاهیم تعریف شده توسط نرم افزار در ابتدا برای شخصی سازی شبکه های اینترنتی مجازی و مدیریت عملکردهای شبکه توسعه یافتند

به طور مشابه، ما می توانیم از این مفهوم برای شبکه های IoT استفاده کنیم. به گفته Nastic و همکاران; «واحدهای اینترنت اشیا تعریف‌شده توسط نرم‌افزار برای محصور کردن منابع اینترنت اشیا و عملکردهای سطح پایین‌تر در فضای ابری اینترنت اشیا و انتزاع تهیه و مدیریت آن‌ها در زمان اجرا استفاده می‌شوند.»

این تحقیق اجزای نرم افزاری تعریف شده از ویژگی های بلاک چین را ایجاد می کند تا آنها را در لبه شبکه های اینترنت اشیا قرار دهد. به گفته بیسواس ; شبکه های اینترنت اشیا از اکوسیستم های نرم افزاری یا سیستم های مجازی بهره خواهند برد.

مانع اصلی برای پیاده‌سازی فناوری بلاک چین در لبه شبکه‌های اینترنت اشیا، فقدان قابلیت‌های محاسباتی است. هدف این تحقیق این است که لازم نیست یک فناوری بلاک چین کامل در لبه شبکه‌های اینترنت اشیا پیاده‌سازی شود، بلکه فقط ویژگی‌های بلاک چین لازم برای تضمین عملکرد قابل اعتماد اشیاء است

علاوه بر این،لازم نیست تمام ویژگی‌های بلاک چین در یک گره انتهایی پیاده‌سازی شود، بلکه ویژگی‌های خاصی به سمت گره‌های انتهایی مختلف هدایت شود. بنابراین، ما می‌توانیم به یک سیستم بلاک‌چین نرم‌افزاری توزیع‌شده دست یابیم که به دستگاه‌های فیزیکی محدود نمی‌شود و به شبکه ابری متصل نیست

مزایای استقرار اجزای اینترنت اشیا و بلاکچین در دستگاه ها

شبکه استقلال پیدا می کند

نیازی به داشتن یک لایه پل برای اتصال شبکه اشیاء به فضای ابر نخواهد بود، زیرا شبکه به طور مستقل برخی از وظایف مدیریتی مانند تأیید تراکنش ها، منشأ و کنترل دسترسی را انجام می دهد

کاهش تأخیر

از آنجایی که گره‌های پایانی وظایف مدیریتی خود را نزدیک‌تر به شبکه اشیاء اجرا می‌کنند، مصرف پهنای باند کاهش می‌یابد و عملکرد زیرساخت اینترنت اشیا افزایش می‌یابد. و مهمتر از همه، این بهبود صرفاً انتقال وظایف مدیریتی به فضای ابری نیست، بلکه به کارگیری آنها در لبه ی شبکه اینترنت اشیا است.

مدیریت کارآمد زمان

گره های انتهایی مختلف عملیات را در بخش های مختلف خود اجرا می کنند که زمان مدیریت را بهینه می کند. برای مثال، به‌روزرسانی پیکربندی یک مجموعه از چیزها و به‌روزرسانی خط‌ مشی‌های دسترسی مجموعه دیگری از چیزها به‌صورت جداگانه توسط گره‌های پایانی انجام می‌شود. این رویکرد تمرکز را از یک IoT داده محور استاتیک به یک IoT منبع محور پویا چشم انداز IoT شی گرا تغییر می دهد.

مقامات مستقل (کنترل مرکزی)

در یک گره پایانی نیازی نیست همیشه تمام اجزای بلاک چین میزبانی شده روی آن را در یک گروه اجرا کنیم. به عنوان مثال، یک گره می تواند به اجماع گروه خاصی از اشیاء بپیوندد و قراردادهای هوشمندی را اجرا کند که بر گروه کاملاً متفاوتی تأثیر می گذارد

منبع

تمامی تراکنش ها از لایه قرارداد و بالای آن قابل پیگیری است. هیچ محدودیتی در توانایی های محاسباتی وجود ندارد. از نقطه نظر عملیاتی، این مزیت کلیدی ساخت اجزای بلاک چین تعریف شده توسط نرم افزار است. هنگامی که ویژگی های بلاک چین را به اجزای جداگانه تقسیم می کنیم، می توان آنها را در گره های لبه مختلف مستقر کرد. همچنین، هر گره لبه ای می تواند تصمیم بگیرد که هر یک از این مؤلفه ها را در هر زمانی خاتمه دهد

قراردادهای هوشمند

قراردادهای هوشمند سنتی در قالب برنامه های کاربردی توزیع شده (DApps) در اتریوم، یک کپی از قراردادهای هوشمند را بین همه شرکت کنندگان در شبکه توزیع می کند. همچنین، شرکت‌کنندگان نمی‌توانند قرارداد هوشمند را فسخ کنند، مگر اینکه یک تابع فسخ وجود داشته باشد که با برآورده شدن یک شرط شروع به اجرا کند.

اندازه بزرگی شبکه های اینترنت اشیا، تقسیم بندی اجرای قراردادهای هوشمند را ضروری می کند. که به استخراج‌کنندگان الکترونیکی اجازه می‌دهد تا انتخاب کنند که کدام قرارداد هوشمند را اجرا کنند. علاوه بر این، با توجه به محدودیت انرژی استخراج‌کنندگان الکترونیکی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در صورتی که بسته به زمینه خاص، قرارداد هوشمند توسط سایر استخراج‌کنندگان الکترونیکی اجرا شود، اجرای قرارداد هوشمند را خاتمه دهند.

اجماع

مکانیسم‌های اجماع سنتی مانند اثبات کار بیت‌کوین یا اثبات سهام اتریوم مستلزم این است که همه گره‌ها در شبکه در فرآیند اجماع شرکت کنند

در اینترنت اشیا و بلاکچین، هر گره‌ای که هر بلاکی را بررسی و تراکنشی را تأیید می‌کند، باعث از کار افتادن شبکه می‌شود

علاوه بر این، در اینترنت اشیا هدف اصلی استخراج کنندگان الکترونیکی رقابت برای نوشتن یک بلوک روی زنجیره برای دریافت پاداش توکن نیست، بلکه اطمینان از اعتبار هر بلوک تراکنش قبل از اجرا و نوشتن خواهد بود

ذخیره سازی داده روی بلاک چین

ذخیره سازی سنتی داده های بلاک چین مستلزم آن است که تمام اطلاعات تراکنش ها در زنجیره نوشته شود

در اینترنت اشیا و بلاکچین، استخراج‌کنندگان الکترونیکی نمی‌توانستند کل زنجیره را به دلیل قابلیت‌های ذخیره‌سازی محدودشان همگام‌سازی کنند

ریپل نمونه ای از بلاک چینی است که جایگزین ذخیره سازی روی زنجیره می شود. ریپل با ذخیره کردن موجودی قبلی و جدید بدون بازپرداخت شارژ، و نه منبع تراکنش های زنجیره ای، شبکه را کارآمدتر و مقیاس پذیرتر می کند.

با توجه به محدود بودن قابلیت های محاسباتی استخراج کنندگان الکترونیکی، نیاز به یک مخزن توزیع شده نزدیک به آنها وجود دارد. استخراج‌کننده‌های الکترونیکی به‌طور منظم ابرداده‌های زنجیره‌ای و فایل‌های محلی را در یک حوضچه ابری می‌ریزند

سخن پایانی

مقاله اینترنت اشیا و بلاکچین؛ اجزای بلاک چین تعریف شده را توسط نرم افزار به عنوان سازه های مستقل طراحی می کند. ما می توانیم آنها را به صورت جداگانه در هر زمان سفارشی و به روز کنیم. به عنوان مثال، می‌توانیم قراردادهای هوشمند جدید را بدون تأثیر بر اجماع و اجزای داده‌های زنجیره‌ای پیاده‌سازی کنیم. به همین ترتیب، می‌توانیم یک مکانیسم اجماع جدید را بدون تأثیرگذاری بر قراردادهای هوشمند و ذخیره‌سازی داده‌های زنجیره‌ای پیاده‌سازی کنیم.