陳心瑜，阮凱斌

（1.福建農(nóng)林大學金山學院信息與機電工程系，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學機電工程學院物理系，福建 福州 350002）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)多布設在無人監(jiān)管的區(qū)域，物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點需要自組的適應網(wǎng)絡的多態(tài)變化，并且自適應多重角色轉(zhuǎn)換[1-3]。在傳輸數(shù)據(jù)時，節(jié)點需要考慮數(shù)據(jù)中繼的可靠性；在處理數(shù)據(jù)時，節(jié)點需要考慮數(shù)據(jù)的完整性；在管理網(wǎng)絡時，節(jié)點需要考慮網(wǎng)絡性能的持久性。自適應的特點決定著物聯(lián)網(wǎng)是一種無中心管理模型，節(jié)點之間是對等的關(guān)系[4]。在以往的網(wǎng)絡管理模式中，網(wǎng)絡待久性的管理需要節(jié)點在某個時段比較持久扮演管理者，這種狀態(tài)使得節(jié)點在這一時段很難達到在管理網(wǎng)絡的同時又兼顧傳輸了數(shù)據(jù)[5]。這種情況下，不得不調(diào)用性能相對比較優(yōu)秀的節(jié)點統(tǒng)籌管理網(wǎng)絡，充當“管理員”角色，因此只能稱為“虛擬第三方監(jiān)管”[6-8]，并不是真正意義上節(jié)點每時每刻都可以在不同角色之間轉(zhuǎn)換。因此，本文通過引入?yún)^(qū)塊鏈的管理架構(gòu)模式，借鑒區(qū)塊鏈分析數(shù)據(jù)的方法，使得節(jié)點在去中心化的物聯(lián)網(wǎng)中，在傳輸數(shù)據(jù)的同時，也兼顧了網(wǎng)絡管理的穩(wěn)定性。

1 背景知識

在區(qū)塊鏈中，每隔10分鐘將產(chǎn)生一次流水記賬的權(quán)利競爭，人員之間將依據(jù)自己的算力向其它節(jié)點證明通過自己努力所達到的工作量，這就是工作量證明方式（Proof of work,POW）[9]，工作量證明方法在很大的程度證明了自己可以完成記賬任務的誠心與工作實力。在物聯(lián)網(wǎng)中，本文將每一次的數(shù)據(jù)傳輸記為一次“流水記賬”，在節(jié)點廣播傳輸數(shù)據(jù)的需求信息后，接收方節(jié)點將依據(jù)自身的算力、能耗及信用值向發(fā)送方節(jié)點證明自己的“工作量”。發(fā)送方節(jié)點從中選擇出自己最適合的傳輸節(jié)點作為中繼節(jié)點，而被選中的中繼節(jié)點在成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，也同樣將獲得增值信用作為酬勞。

在區(qū)塊鏈中，每一次的記賬都會生成一個新的“區(qū)塊”，這個區(qū)塊信息將全網(wǎng)發(fā)布，使得每個人都收到此信息，這是每個人員的數(shù)據(jù)唯一性備份，使得入侵者很難更改以往信息，從而有效防止了數(shù)據(jù)的篡改，保證了數(shù)據(jù)的真實性。在文獻中形象的稱這種人員為“礦工”，而每位礦工所挖的礦即是找到新的區(qū)塊。伴隨每一次的記賬都會產(chǎn)生新的區(qū)塊，也會給對應的礦工一定的酬勞，這也就是礦工需努力工作的激勵機制。在物聯(lián)網(wǎng)中，信用機制將是節(jié)點的激勵機制，每一個節(jié)點也是一名“礦工”，每個節(jié)點努力尋求傳輸數(shù)據(jù)的機會是為了提高自身的信用值，以獲得更多節(jié)點的信任，增加可靠性。

2 基于區(qū)塊鏈理論的模型建立

2.1 前提假設

在對機制描述之前，先對物聯(lián)網(wǎng)的一些前提假設做說明。

在物聯(lián)網(wǎng)中存在 個節(jié)點，節(jié)點之間鏈路具有對稱性[10]。本文中，為了更加集中討論區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的可行性應用，暫時不考慮節(jié)點的隱終端與顯終端問題。

物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點計算存儲等各方面的硬件是具有局限性的，動態(tài)源路由協(xié)議（Dynamic Source Routing ,DSR）更適合節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 建立模型

第一步：首先發(fā)送方i要對自己傳輸數(shù)據(jù)的難度系數(shù)（Difficulty Coefficient of Transmission，DCOT）進行估算，使所有的中繼節(jié)點在隨后的算力估算中作為參考。根據(jù)實際情況，數(shù)據(jù)的難度系數(shù)考慮因素主要包括本次傳輸?shù)膱笪拈L度，是否要密文傳輸，協(xié)商加密算法，以及本次傳輸任務完成時中繼方所能獲得的信用報酬，所以數(shù)據(jù)的難度系數(shù)可表示為：

第二步：發(fā)送方通過DSR路由協(xié)議，廣播信息請求中繼的報文請求，在發(fā)送方i的傳輸范圍Ri內(nèi)，有個中繼節(jié)點接收到該控制信息，以其中任意一個中繼節(jié)點為例，說明中繼節(jié)點構(gòu)建算力策略空間的過程。作為競爭數(shù)據(jù)中繼的“記賬”節(jié)點將根據(jù)發(fā)送方發(fā)來的信息難度，自身剩余能量及本次傳輸?shù)目尚行运懔υu估自己是否可以承擔本次的中繼任務

備選中繼節(jié)點作為一名“礦工”，將根據(jù)發(fā)送方所發(fā)送的消息傳輸難度，計算出自己本次傳輸所要消息的算力。每傳輸一次數(shù)據(jù)，節(jié)點所固有的硬件資源就要進行一次折損，因此備選中繼節(jié)點不僅要考慮當前發(fā)送數(shù)據(jù)的算力，還要考慮傳輸數(shù)據(jù)所付出的資源折舊率，故可行性算力。假設折舊率是根據(jù)以往的平均算力進行折舊而得的[11]，折舊率符合高斯白噪聲，其方差為，噪聲有效范圍 。

節(jié)點不僅要通過算力性能評價實現(xiàn)內(nèi)在因素的估測，還應通過對區(qū)塊鏈實際信道情況的信息獲取進行外在因素分析。文獻［6］將信干比作為信道狀態(tài)的評價指標，其定義如式4所示。

其中C表示信道容量，表示節(jié)點j對第g種通道“挖礦”能力的評估，表示節(jié)點j的發(fā)送功率，表節(jié)點j處理數(shù)據(jù)的折舊增益代價，表示信道噪聲。

節(jié)點i將結(jié)合可能存在的節(jié)點競爭個數(shù)n，給出在不同節(jié)點競爭個數(shù)條件下節(jié)點j成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。由于信道處理數(shù)據(jù)的折舊增益代價與節(jié)點競爭個數(shù)有著緊密的聯(lián)系[12]，因此，假設在具有相同維數(shù)的前提下，設置節(jié)點i在t時刻對節(jié)點j的“記賬”期望等于

當節(jié)點i可以對所有候選中繼節(jié)點完成期望評測時，策略矩陣則簡化為節(jié)點i對中繼節(jié)點上一時刻t-1的期望與當前時刻t期望的集合，即：

發(fā)送端i從所構(gòu)建的策略矩陣中依據(jù)式（6）選擇出最符合條件的中繼節(jié)點，并結(jié)合上一次與當前的期望值求出最大的平均值，可使節(jié)點i有效的幫助中繼節(jié)點提高收益，而式7則是為了尋求出與平均值最相近的一個中繼節(jié)點，因為信道在較小時隙內(nèi)的變化是不明顯的，所以可被視為如果某一中繼節(jié)點能夠符合式（6），則表示該節(jié)點具有較好的穩(wěn)定性。

最后，節(jié)點i根據(jù)式8選擇出符合的中繼節(jié)點，并將更新為，同時將捎帶發(fā)送給選中的中繼節(jié)點，以供節(jié)點對發(fā)送端的可靠性進行評測。

3 實驗仿真分析

為了驗證基于區(qū)塊鏈模型分析物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)化的合理性，本文的仿真區(qū)域設置為1000*1000，在該仿真區(qū)域內(nèi)隨機投放200個節(jié)點，每個節(jié)點的有效傳輸半徑為100，每組單元實驗隨機初始化節(jié)點剩余能量及已有信用值。每組單元進行2000次通信息實驗，共進行10組單元實驗。

本文以其中一組單元的節(jié)點傳輸信息為例展開討論。圖1（a）所示為第1次通信時網(wǎng)絡中節(jié)點的初始能量狀態(tài)。隨著通信次數(shù)的增加，圖1（b）與圖1（c）分別表示第600次通信與1200次通信時節(jié)點的剩余能量，網(wǎng)絡中節(jié)點的能量隨著通信次數(shù)的增加，正在逐漸減少，直至圖1（d）所示。圖1（d）為物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點第1800次通信所剩余能量顯示圖，節(jié)點的多次通信，網(wǎng)絡中絕大部分節(jié)點已處于低電量狀態(tài)。從這四幅圖可以看出，每次的通信節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的消耗分布基本均勻，網(wǎng)絡中的節(jié)點可以理性的通過自己傳輸水平的能力正確估算是否愿意傳輸中繼數(shù)據(jù)。

圖1 基于區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)能量值分布圖

這一組單元實驗所對應的節(jié)點信用值顯示情況如下圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)信用值分布圖

結(jié)合能量圖1與對應的信用值圖2可以看出，在多次傳輸后，還有少許的節(jié)點存在比較高的能量。能量較高節(jié)點的對應信用值圖可以看出，節(jié)點所對應的信用值并不高，信用值的高低體現(xiàn)的是節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。從圖2（a）可以看出，初始化的第1次通信所對應的隨機生成的信用值，到多次通信后節(jié)點的信用值如圖2(b)(c)(d)所示，整個物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點都在為獲取更多的信用值，而不斷努力傳輸數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)的全局信用趨勢依然是比較均勻分布，這說明網(wǎng)絡中的節(jié)點將信用值作為激勵，努力為別的節(jié)點進行傳輸?shù)挠行浴?/p>

為了突顯本文機制的優(yōu)勢，在另一組實驗中，將分別對基于區(qū)塊鏈理論、信用機制、能量機制三種情況進行討論。首先假設三種機制初始生成一樣的地理坐標節(jié)點、剩余能量及信用值，以方便顯示機制對比的公平性。本文以第600次時的通信能量對比圖為例。

圖3（a）與圖4（a）表示的是同組實驗中，相同節(jié)點坐標前提下，隨機生成的相同能量值與信用值。圖3（b）（c）（d）與圖4（b）（c）（d）所分別對應了在第600次通信中，區(qū)塊鏈機制、信用機制、能量機制的能量值與信用值的分布情況。可以明顯的看出，當通信的次數(shù)達到600次時，基于區(qū)塊鏈機制的節(jié)點的能量明顯要高于信用機制與能量機制。根據(jù)本文所介紹的機制，備選中繼節(jié)點在計算自身是否符合中繼條件時，不僅通過式1考慮了本次傳輸數(shù)據(jù)的難度，還結(jié)合以往的傳輸數(shù)據(jù)的能力式3進行綜合判斷，所以節(jié)點對自己傳輸能力的判斷更加精確，對能源的控制更加協(xié)調(diào)，更具全局性。

圖3 三種機制，能量值對比

圖4 三種機制，信用值對比

4 總結(jié)&改進

區(qū)塊鏈的分析方法最早出現(xiàn)在金融領(lǐng)域，專家學者試圖將貨幣的流通隱退第三方銀行監(jiān)管機制作為研究的目的，用以顯示幣流通中的公平性與合理性。這點與物聯(lián)網(wǎng)的特性在本質(zhì)上是一樣的，作為計算機網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡交叉的結(jié)合體，物聯(lián)網(wǎng)也在試圖尋找一種無人監(jiān)管的平等傳輸方式，使得網(wǎng)絡的傳輸更具智能性，多態(tài)性，減少人為管理所可能產(chǎn)生的差錯，使網(wǎng)絡更適用于復雜區(qū)域。本文通過基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)通信模型，討論了區(qū)塊鏈對物聯(lián)網(wǎng)適用的性能優(yōu)化的分析方法，通過實驗結(jié)果論證了該機制的可行性與優(yōu)越性。

當然，在本文中為了突出該機制的分析方法，弱化了節(jié)點的一些特性屬性的考慮，比如節(jié)點對網(wǎng)絡的誠實性。所以，在以后的工作中，可以考慮對節(jié)點性質(zhì)更為細致的考慮，從而達到對網(wǎng)絡更加精準的優(yōu)化。