DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-06405-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40603417
تاريخ النشر: 2025-07-02
المؤلف: Rafiqul Islam وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات تكنولوجيا البلوكشين والأمان
نظرة عامة
تقدم البحث إطار عمل موثوق لامركزي مصمم لتعزيز الأداء والأمان للبنى التحتية للمدن الذكية من خلال دمج تقنية البلوكشين، واكتشاف التهديدات المدعوم بالذكاء الاصطناعي، وآلية توافق خفيفة وقابلة للتكيف (LA-PoS). يتكون هذا الإطار من ثلاث طبقات: طبقة البلوكشين للثقة اللامركزية والثبات، وطبقة الأمن السيبراني التي تستخدم المعايير التشفيرية واكتشاف الشذوذ المدعوم بالذكاء الاصطناعي، وبروتوكول تكامل البيانات لعملية المزامنة في الوقت الحقيقي والتحقق من صحة البيانات. تظهر تقييمات الأداء تحسينات كبيرة، بما في ذلك زيادة ثلاثية في قدرة المعاملات (450-500 معاملة في الثانية)، وتقليل بنسبة 30% في زمن الاستجابة (150-200 مللي ثانية)، وزيادة كفاءة الطاقة، حيث تحقق أجهزة إنترنت الأشياء عمر بطارية يمتد من 22-24 ساعة.
على الرغم من هذه التقدمات، يعترف البحث بالتحديات المستمرة مثل التوافق بين الأنظمة المتنوعة، والعبء الحسابي لأجهزة إنترنت الأشياء، والحاجة إلى اعتماد السياسات. ستركز اتجاهات البحث المستقبلية على تحسين بروتوكولات التوافق، ودمج تقنيات التشفير المقاومة للكم، وتقليل المتطلبات الحسابية لأجهزة إنترنت الأشياء، وتطوير أطر الحوكمة لتسهيل الاعتماد. بالإضافة إلى ذلك، يهدف الإطار إلى توسيع تطبيقه ليشمل مجالات ناشئة مثل الأنظمة المستقلة والرعاية الصحية الذكية. تؤكد النتائج على إمكانيات إطار العمل الموثوق اللامركزي لإنشاء نظم حضرية مستدامة ومرنة وموثوقة، مع معالجة كل من التقدم التكنولوجي واحتياجات التنظيم العام.
الطرق
يظهر إطار العمل الموثوق اللامركزي المقترح تقدمات كبيرة مقارنة بتقنيات البلوكشين الحالية وتدابير الأمان للمدن الذكية، كما يتضح من التحليل المقارن المقدم في الجدول 9. يحقق الإطار قدرة معاملات تبلغ 450-500 معاملة في الثانية (tps)، وهو ما يزيد أربع مرات عن الطرق الحديثة. بالإضافة إلى ذلك، يظهر تحسينات في زمن الاستجابة، حيث يعمل عند 150-200 مللي ثانية مقارنة بـ 500-600 مللي ثانية في الحلول الحالية، ويعزز كفاءة الطاقة، حيث يستهلك 80-100 كيلو واط/يوم—أقل بثلاث إلى خمس مرات من منافسيه.
علاوة على ذلك، يتفوق الإطار في اكتشاف التهديدات، حيث يحقق معدل 98.2% مع معدل إيجابيات خاطئة منخفض يبلغ 3.8%، متفوقًا على تقنيات أخرى عادة ما تحافظ على معدلات اكتشاف أقل من 90% مع إيجابيات خاطئة أعلى. كما يمدد عمر بطارية أجهزة إنترنت الأشياء إلى 22-24 ساعة، متجاوزًا الحلول الأخرى بنسبة 50-100%. يشير وقت استعادة النظام البالغ 8 دقائق إلى تحمل قوي للأخطاء، حيث يكون أسرع من 3-7 مرات من الأطر البديلة. بشكل عام، تؤكد النتائج أن إطار العمل الموثوق اللامركزي هو حل متفوق لضمان تكامل البيانات والأمان السيبراني في بيئات المدن الذكية.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة تقدمات كبيرة في إطار العمل الموثوق اللامركزي المقترح لأجهزة إنترنت الأشياء، لا سيما في كفاءة الطاقة، وقابلية التوسع، والأمان. على مدار فترة تقييم مدتها ستة أشهر، نجح الإطار في تمديد عمر بطارية أجهزة إنترنت الأشياء من 12-14 ساعة إلى 22-24 ساعة، محققًا تقليلًا بنسبة 30% في استهلاك وحدة المعالجة المركزية وتحسينًا بنسبة 30-40% في أداء الذاكرة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل استخدام عرض النطاق الترددي للشبكة بأكثر من 50%، وانخفض استهلاك التخزين إلى 10-15 جيجابايت في اليوم، مما أدى إلى تقليل بنسبة 40-50%. هذه التحسينات حاسمة في البيئات التي تعاني من قيود الطاقة، مثل المدن الذكية، حيث تكون المرونة التشغيلية والاستدامة ذات أهمية قصوى.
أظهر آلية توافق Proof-of-Stake الخفيفة والقابلة للتكيف (LA-PoS) كفاءة ملحوظة، حيث حقق قدرة معاملات تبلغ 450-500 معاملة في الثانية (tps)، وهو ما يزيد بحوالي 25 مرة عن أنظمة Proof of Work التقليدية. كما أظهرت مقاييس الأمان تحسينات كبيرة، مع معدل اكتشاف تهديدات يبلغ 98.2% وتقليل في الإيجابيات الخاطئة من 12.3% إلى 3.8%. خفضت آليات تحمل الأخطاء في النظام وقت الاستعادة من 45 دقيقة إلى 8 دقائق فقط، بينما تحسنت عمليات التحقق من الهوية بنسبة 70%. بشكل عام، يتفوق الإطار المقترح على حلول البلوكشين التقليدية عبر مؤشرات الأداء الرئيسية، مما يجعله خيارًا قويًا وقابلًا للتوسع لتطبيقات المدن الذكية من الجيل التالي.
المناقشة
تستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث مساهمات كبيرة في تعزيز الأمن السيبراني، وتكامل البيانات، وقابلية التوسع في بنى المدن الذكية من خلال إطار العمل الموثوق اللامركزي المقترح الذي يستخدم تقنية البلوكشين. يتكون الإطار من ثلاث طبقات رئيسية: طبقة البلوكشين، التي تضمن الثقة اللامركزية والثبات من خلال العقود الذكية؛ وطبقة الأمن السيبراني، التي تستخدم تقنيات تشفير متقدمة واكتشاف تهديدات مدعوم بالذكاء الاصطناعي لتأمين اتصالات إنترنت الأشياء؛ وطبقة بروتوكول تكامل البيانات، التي تضمن التحقق من صحة البيانات بشكل محصن ضد التلاعب. يهدف دمج هذه الطبقات إلى التخفيف من الهجمات السيبرانية، وتعزيز اتخاذ القرار في الوقت الحقيقي، وتعزيز الاستخدام الفعال للموارد.
بالإضافة إلى ذلك، تتناول الورقة تحديات قابلية التوسع والتوافق ضمن أطر المدن الذكية من خلال اقتراح آليات توافق مبتكرة، مثل بروتوكول Proof-of-Stake الخفيف والقابل للتكيف (LA-PoS)، الذي يحسن من عملية التحقق من المعاملات ويقلل من زمن الاستجابة. تشير تقييمات الأداء إلى تقليل بنسبة 30% في زمن الاستجابة وزيادة بنسبة 40% في القدرة على المعاملات مقارنة بالأنظمة المركزية. كما يتم تسليط الضوء على الآثار الاجتماعية لهذا الإطار، مما يبرز تمكين المواطنين من خلال آليات الهوية اللامركزية وتعزيز التعاون بين مختلف أصحاب المصلحة، مما يسهم في التنمية الحضرية المستدامة في النهاية.
القيود
تحدد قسم القيود عدة فجوات حرجة في الأدبيات الحالية المتعلقة بتطبيقات البلوكشين لتحسين المدن الذكية. تشمل القضايا الرئيسية غياب أنظمة تقييم شاملة تدمج البلوكشين مع تدابير الأمان وحماية البيانات في الحوسبة الطرفية المدعومة بالذكاء الاصطناعي، بالإضافة إلى التحديات في نشر الحلول الحالية التي تحافظ على السرعة وقابلية التوسع ضمن أنظمة إنترنت الأشياء الواسعة. علاوة على ذلك، تعيق المتطلبات العالية للموارد للمنصات التقليدية للبلوكشين قابليتها للتطبيق لأجهزة إنترنت الأشياء ذات الموارد المحدودة، ويزيد نقص بروتوكولات الاتصال الفعالة بين الأجهزة والتقنيات المتنوعة في المدن الذكية من تفاقم هذه التحديات.
يهدف إطار العمل الموثوق اللامركزي المقترح إلى معالجة هذه الفجوات، ومع ذلك يواجه تحديات كبيرة تتعلق بقابلية التوسع والتوافق عند التكامل مع أجهزة إنترنت الأشياء المتنوعة. على الرغم من أن الإطار يستخدم آلية توافق Proof-of-Stake الخفيفة والقابلة للتكيف (LA-PoS)، إلا أن تحقيق الأداء الأمثل تحت أحمال الشبكة العالية لا يزال يمثل مشكلة. بالإضافة إلى ذلك، قد تظل المتطلبات الحسابية والتخزينية للبلوكشين تتجاوز قدرة الأجهزة ذات الموارد المحدودة، بينما قد تعيق التعقيدات الناتجة عن المعايير التشفيرية المتقدمة واكتشاف التهديدات المدعوم بالذكاء الاصطناعي التنفيذ في المناطق الأقل تقدمًا تكنولوجيًا. كما أن غياب السياسات والأطر التنظيمية المعمول بها يزيد من تعقيد الاعتماد الواسع للإطار، مما يبرز ضرورة البحث المستقبلي لتحسين هيكله واستكشاف حلول مبتكرة للجدوى العملية وقابلية التوسع العالمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-06405-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40603417
Publication Date: 2025-07-02
Author(s): Rafiqul Islam et al.
Primary Topic: Blockchain Technology Applications and Security
Overview
The research presents a Decentralized Trust Framework designed to enhance the performance and security of smart city infrastructures through the integration of blockchain technology, AI-driven threat detection, and a Lightweight Adaptive Proof-of-Stake (LA-PoS) consensus mechanism. This framework comprises three layers: a Blockchain Layer for decentralized trust and immutability, a Cybersecurity Layer utilizing cryptographic standards and AI-based anomaly detection, and a Data Integrity Protocol Layer for real-time synchronization and tamper-proof validation. Performance evaluations demonstrate significant improvements, including a threefold increase in transaction throughput (450-500 transactions per second), a 30% reduction in latency (150-200 ms), and enhanced energy efficiency, with IoT devices achieving battery life extensions of 22-24 hours.
Despite these advancements, the research acknowledges ongoing challenges such as interoperability among diverse systems, computational overhead for IoT devices, and the need for policy adoption. Future research directions will focus on optimizing interoperability protocols, integrating quantum-resistant cryptographic techniques, reducing computational demands for IoT devices, and developing governance frameworks to facilitate adoption. Additionally, the framework aims to extend its applicability to emerging domains like autonomous systems and smart healthcare. The findings underscore the potential of the Decentralized Trust Framework to create sustainable, resilient, and trustworthy urban ecosystems, addressing both technological advancements and public regulatory needs.
Methods
The proposed Decentralized Trust Framework demonstrates significant advancements over existing blockchain technologies and security measures for smart cities, as evidenced by a comparative analysis presented in Table 9. The framework achieves a transaction throughput of 450-500 transactions per second (tps), which is four times higher than that of state-of-the-art methods. Additionally, it exhibits latency improvements, operating at 150-200 milliseconds compared to 500-600 milliseconds in current solutions, and enhances energy efficiency, consuming 80-100 kWh/day—three to five times less than its competitors.
Moreover, the framework excels in threat detection, achieving a rate of 98.2% with a low false positive rate of 3.8%, outperforming other technologies that typically maintain detection rates below 90% with higher false positives. It also extends the battery life of IoT devices to 22-24 hours, significantly surpassing other solutions by 50-100%. The system’s recovery time of 8 minutes indicates a robust fault tolerance, being 3-7 times faster than alternative frameworks. Overall, the findings affirm that the Decentralized Trust Framework is a superior solution for ensuring data integrity and cybersecurity in smart city environments.
Results
The results of the study demonstrate significant advancements in the proposed Decentralized Trust Framework for IoT devices, particularly in energy efficiency, scalability, and security. Over a six-month evaluation period, the framework successfully extended the battery life of IoT devices from 12-14 hours to 22-24 hours, achieving a 30% reduction in CPU consumption and a 30-40% improvement in memory performance. Additionally, network bandwidth usage was reduced by over 50%, and storage consumption decreased to 10-15 GB per day, resulting in a 40-50% reduction. These enhancements are crucial for energy-constrained environments, such as smart cities, where operational resilience and sustainability are paramount.
The framework’s Lightweight Adaptive Proof-of-Stake (LA-PoS) consensus mechanism exhibited remarkable efficiency, achieving a throughput of 450-500 transactions per second (tps), which is approximately 25 times higher than traditional Proof of Work (PoW) systems. Security metrics also showed substantial improvements, with a threat detection rate of 98.2% and a reduction in false positives from 12.3% to 3.8%. The system’s fault tolerance mechanisms reduced recovery time from 45 minutes to just 8 minutes, while identity verification processes improved by 70%. Overall, the proposed framework outperforms traditional blockchain solutions across key performance indicators, making it a robust and scalable option for next-generation smart city applications.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines significant contributions to enhancing cybersecurity, data integrity, and scalability in smart city infrastructures through a proposed Decentralized Trust Framework utilizing blockchain technology. The framework comprises three key layers: the Blockchain Layer, which ensures decentralized trust and immutability through smart contracts; the Cybersecurity Layer, which employs advanced cryptographic techniques and AI-driven threat detection to secure IoT communications; and the Data Integrity Protocol Layer, which guarantees tamper-proof data validation. The integration of these layers aims to mitigate cyberattacks, enhance real-time decision-making, and promote efficient resource utilization.
Additionally, the paper addresses the scalability and interoperability challenges within smart city frameworks by proposing innovative consensus mechanisms, such as a Lightweight Adaptive Proof-of-Stake (LA-PoS) protocol, which optimizes transaction validation and minimizes latency. Performance evaluations indicate a 30% reduction in latency and a 40% increase in throughput compared to centralized systems. The societal implications of this framework are also highlighted, emphasizing the empowerment of citizens through decentralized identity mechanisms and fostering collaboration among various stakeholders, ultimately contributing to sustainable urban development.
Limitations
The section on limitations identifies several critical gaps in the current literature regarding blockchain applications for optimizing smart cities. Key issues include the absence of inclusive evaluation systems that integrate blockchain with security and data protection measures in AI-driven edge computing, as well as challenges in deploying existing solutions that maintain speed and scalability within extensive IoT systems. Furthermore, the high resource demands of conventional blockchain platforms hinder their applicability for resource-limited IoT devices, and the lack of effective communication protocols among diverse hardware and technologies in smart cities exacerbates these challenges.
The proposed Decentralized Trust Framework aims to address these gaps, yet it faces significant challenges related to scalability and interoperability when integrating with heterogeneous IoT devices. Although the framework employs a Lightweight Adaptive Proof-of-Stake (LA-PoS) consensus mechanism, achieving optimal performance under high network loads remains problematic. Additionally, the computational and storage demands of blockchain may still overwhelm resource-constrained devices, while the complexity introduced by advanced cryptographic standards and AI-driven threat detection could impede implementation in less technologically advanced areas. The absence of established policies and regulatory frameworks further complicates the widespread adoption of the framework, underscoring the necessity for future research to refine its architecture and explore innovative solutions for practical viability and global scalability.