DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-58578-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38570648
تاريخ النشر: 2024-04-03
المؤلف: Ehtisham Ul Haque وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات تكنولوجيا البلوكشين والأمان
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث إطار عمل قائم على تقنية البلوكتشين مصمم لتعزيز الأمان والكفاءة في شبكات إنترنت الأشياء (IoT) ذات الموارد المحدودة. مع الاعتراف بالتحديات المتعلقة بالقدرة على التوسع التي تطرحها الزيادة في عدد أجهزة إنترنت الأشياء والبيانات الضخمة التي تنتجها، يقترح المؤلفون استخدام خوارزمية توافق خفيفة الوزن، وتحديداً إثبات الحصة المفوضة (DPoS). يسمح هذا النهج بتحسين الأداء من خلال استخدام عدد محدود من المندوبين المنتخبين للتحقق من المعاملات، مما يعالج تدهور الأداء المرتبط عادةً بأنظمة البلوكتشين التقليدية. يتضمن الإطار نظام الملفات بين الكواكب (IPFS) للتخزين الموزع ويستخدم دوكر لتقييم الأداء عبر مقاييس مثل الكمون، ومعدل النقل، واستخدام الموارد.
تشير النتائج التجريبية إلى أن إطار عمل DPoS المقترح يحقق كمون منخفض (أقل من 0.976 مللي ثانية) ويتفوق على آلية توافق إثبات الحصة التقليدية (PoS) من حيث معدل النقل وكفاءة الموارد. تؤكد الدراسة على قابلية تطبيق الإطار في سيناريوهات إنترنت الأشياء التي تتطلب أوقات استجابة سريعة وإدارة فعالة للموارد، لا سيما في قطاعات مثل الرعاية الصحية والمالية. تشير الأعمال المستقبلية إلى تحسينات إضافية من خلال التقسيم والحوسبة الطرفية لتعزيز القدرة على التوسع والأمان، مما يضع نهج DPoS كحل قابل للتطبيق لإدارة البيانات بشكل آمن في المؤسسات المتوسطة إلى الكبيرة.
نقاش
في قسم النقاش، تقدم الورقة نظرة شاملة على تقنية البلوكتشين، مع التركيز على مبادئها الأساسية والإطار المحدد المستخدم في الدراسة. تم تقديم البلوكتشين، الذي قدمه ساتوشي ناكاموتو في عام 2008، كقاعدة بيانات لامركزية تتكون من كتل مترابطة، تحتوي كل منها على تجزئة للكتلة السابقة، مما يضمن سلامة البيانات وأمانها. يتم تسليط الضوء على خوارزميات التوافق، الضرورية للتحقق من المعاملات والحفاظ على أمان البلوكتشين، مع التركيز بشكل خاص على خوارزمية إثبات الحصة المفوضة (DPoS). يتم تقديم DPoS كبديل أكثر كفاءة للطرق التقليدية مثل إثبات العمل (PoW) وإثبات الحصة (PoS)، خاصة لأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) ذات الموارد المحدودة، حيث تتطلب موارد حسابية أقل وتسمح باتخاذ قرارات أسرع من خلال عدد محدود من المندوبين المنتخبين.
تناقش الورقة أيضًا إطار عمل بلوكتشين EOSIO، الذي يستخدم آلية توافق DPoS ويقدم ميزات مثل العقود الذكية (SCs) المكتوبة بلغة C++. يُلاحظ أن EOSIO يتميز بمرونته، وقدرته على التوسع، وغياب رسوم المعاملات، مما يميزه عن أنظمة البلوكتشين الأخرى مثل بيتكوين وإيثريوم. يتكون التصميم المقترح في الدراسة من تصميم رباعي الطبقات يهدف إلى تعزيز قابلية التوسع وكفاءة مشاركة بيانات إنترنت الأشياء. يدمج هذا التصميم حلول التخزين خارج السلسلة، مثل نظام الملفات بين الكواكب (IPFS)، لمعالجة مخاوف الخصوصية وقابلية التوسع مع ضمان بقاء البلوكتشين دفتر أستاذ آمن وشفاف لمعاملات إنترنت الأشياء. تشير تقييمات الأداء للإطار المقترح إلى إمكانيته في إدارة عدد متزايد من أجهزة إنترنت الأشياء بشكل فعال، مما يظهر تحسينات في مقاييس الكمون ومعدل النقل عند استخدام خوارزمية توافق DPoS مقارنةً بـ PoS.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-58578-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38570648
Publication Date: 2024-04-03
Author(s): Ehtisham Ul Haque et al.
Primary Topic: Blockchain Technology Applications and Security
Overview
The research paper presents a blockchain-based framework designed to enhance security and efficiency in resource-constrained Internet of Things (IoT) networks. Recognizing the scalability challenges posed by the increasing number of IoT devices and the vast data they generate, the authors propose utilizing a lightweight consensus algorithm, specifically Delegated Proof of Stake (DPoS). This approach allows for improved performance by employing a limited number of elected delegates to validate transactions, thereby addressing the performance degradation typically associated with traditional blockchain systems. The framework incorporates the Interplanetary File System (IPFS) for distributed storage and employs Docker for performance evaluation across metrics such as latency, throughput, and resource utilization.
Empirical findings indicate that the proposed DPoS framework achieves low latency (less than 0.976 ms) and outperforms the conventional Proof of Stake (PoS) consensus mechanism in terms of throughput and resource efficiency. The study underscores the framework’s applicability in IoT scenarios requiring rapid response times and efficient resource management, particularly in sectors like healthcare and finance. Future work suggests further enhancements through sharding and edge computing to bolster scalability and security, positioning the DPoS approach as a viable solution for secure data management in medium to large organizations.
Discussion
In the discussion section, the paper provides a comprehensive overview of blockchain technology, focusing on its foundational principles and the specific framework utilized in the study. Blockchain, introduced by Satoshi Nakamoto in 2008, is characterized as a decentralized database comprising interconnected blocks, each containing a hash of the previous block, which ensures data integrity and security. The consensus algorithms, essential for validating transactions and maintaining the blockchain’s security, are highlighted, with particular emphasis on the Delegated Proof of Stake (DPoS) algorithm. DPoS is presented as a more efficient alternative to traditional methods like Proof of Work (PoW) and Proof of Stake (PoS), especially for resource-constrained Internet of Things (IoT) devices, as it requires fewer computational resources and allows for faster decision-making through a limited number of elected delegates.
The paper also discusses the EOSIO blockchain framework, which employs the DPoS consensus mechanism and offers features such as smart contracts (SCs) written in C++. EOSIO is noted for its flexibility, scalability, and absence of transaction fees, distinguishing it from other blockchain systems like Bitcoin and Ethereum. The architecture proposed in the study consists of a four-layered design aimed at enhancing the scalability and efficiency of IoT data sharing. This design integrates off-chain storage solutions, such as the InterPlanetary File System (IPFS), to address privacy and scalability concerns while ensuring that the blockchain remains a secure and transparent ledger for IoT transactions. The performance evaluation of the proposed framework indicates its potential to manage a growing number of IoT devices effectively, demonstrating improved latency and throughput metrics when utilizing the DPoS consensus algorithm compared to PoS.