徐宇堅 羅綺敏

【摘要】? ? 本文分析信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本的技術特點，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，提出了以接入節(jié)點作為信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本共同節(jié)點構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計思想，闡述了這種新型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，為后續(xù)的深入研究提供方向性指引。

【關鍵詞】? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 信息中心網(wǎng)絡? ? 分布式賬本

引言：

當前，數(shù)據(jù)共享、分布式數(shù)據(jù)交互、大數(shù)據(jù)分析等新需求，給以IP地址為核心的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而越來越受關注的“萬物互聯(lián)”的概念更是加劇了這一趨勢。大量的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設備被引入，如果數(shù)據(jù)都存儲在中心服務器，相關的應用效率得不到保障，能源消耗和安全風險也不可忽視。此外，對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，若使用傳統(tǒng)中心式數(shù)據(jù)收集方式，不同的利益群體之間難免質(zhì)疑數(shù)據(jù)的保密級別、完整性和可信度。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡架構(gòu)更適合物聯(lián)網(wǎng)時代的需求，這就是信息中心網(wǎng)絡 （Information Centric Network，ICN） 方面的研究和探索興起的原因。

另一方面，基于分布式賬本技術（Distributed Ledger Technology，DLT）的數(shù)據(jù)庫，因其去中心化（Decentralized）的特點，可與信息中心網(wǎng)絡相結(jié)合，構(gòu)建出更加適應數(shù)據(jù)交互、運用新需求的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

相應的，下文分為六個小節(jié)。第二和第三節(jié)分別介紹信息中心網(wǎng)絡技術和分布式賬本技術的特點，第四節(jié)闡述采用這兩個技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。第五和第六節(jié)介紹對應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸。第七節(jié)總結(jié)全文。

一、信息中心網(wǎng)絡技術

新一代物聯(lián)網(wǎng)的應用場景，更集中于消息瀏覽、信息搜索和數(shù)據(jù)分享，這些需求都是對數(shù)據(jù)本身的需求。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)通過查詢數(shù)據(jù)提供者的地址建立連接，傳遞數(shù)據(jù)，即，通過“尋找地址”實現(xiàn)“尋找數(shù)據(jù)”。而信息中心網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡架構(gòu)設計核心，從基本設計理念上省去了對查詢目標的轉(zhuǎn)化，在網(wǎng)絡中根據(jù)內(nèi)容直接對數(shù)據(jù)進行查詢，獲得回答，從而簡化網(wǎng)絡服務，提高網(wǎng)絡效率[1][2]。

下面以命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（Named Data Networking，NDN）為例，闡述信息中心網(wǎng)絡的技術原理和優(yōu)勢。

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡吸收了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)，同時對網(wǎng)絡層進行了優(yōu)化。在命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol）是網(wǎng)絡層唯一的協(xié)議，對IP地址和尋址規(guī)則進行定義。

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡認為“地址”僅是“數(shù)據(jù)”的一種類型，在網(wǎng)絡層這個通用層上定義數(shù)據(jù)本身，并制定相關的基本規(guī)則，可以打破傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)存在的各種技術壁壘，適應新一代物聯(lián)網(wǎng)的應用場景。

為此，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡在網(wǎng)絡層進行了兩種報文的定義，一種是興趣報文（Interest Packet），亦稱為請求報文;另一種則是數(shù)據(jù)報文（Data Packet）。對應這兩種報文存在消費者（consumer）和生產(chǎn)者（producer）兩個基本角色。其中的邏輯關系是消費者生成興趣報文，傳遞給生產(chǎn)者，生產(chǎn)者回應以數(shù)據(jù)報文。報文格式如圖1所示，興趣報文中關鍵的部分是內(nèi)容名稱，而數(shù)據(jù)報文除了內(nèi)容名稱，還承載了對應于內(nèi)容名稱的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)者的數(shù)字簽名。

報文的傳遞則依賴于命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)守護進程（forwarding daemon）的節(jié)點，這些節(jié)點在本地維護用于存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)容庫、用于記錄查詢信息的等待興趣表，以及用于路由轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)信息表。

當轉(zhuǎn)發(fā)守護進程收到一個興趣報文，首先記錄報文進入的接口，使用興趣報文內(nèi)的內(nèi)容名稱查詢本地內(nèi)容庫，如果存在匹配內(nèi)容，則在本地生成數(shù)據(jù)報文，并通過記錄下的接口反饋給消費者。若本地內(nèi)容庫中不存在匹配的內(nèi)容，則把此興趣報文的內(nèi)容名稱和報文進入的接口寫入等待興趣表。接著，在以內(nèi)容名稱為索引的轉(zhuǎn)發(fā)信息表中查詢應該把此興趣報文轉(zhuǎn)發(fā)至哪些接口，并且轉(zhuǎn)發(fā)出去。后續(xù)收到此興趣報文的每一個節(jié)點進行同樣的流程，直到興趣報文被送達至擁有相關內(nèi)容的節(jié)點，相應的數(shù)據(jù)報文按反向路徑回傳給消費者。當路徑中的轉(zhuǎn)發(fā)守護進程收到數(shù)據(jù)報文，首先檢查等待興趣表中對應名稱的記錄，然后將數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)到記錄中記載的每個接口并刪除這條記錄，最后，將數(shù)據(jù)報文中的名稱及內(nèi)容作為一個記錄儲存在內(nèi)容庫中。

可見，信息中心網(wǎng)絡具有以下的優(yōu)勢：

1.在數(shù)據(jù)報文回傳給消費者的路徑上，每個進行了轉(zhuǎn)發(fā)的守護進程，都可以在本地內(nèi)容庫保存一份數(shù)據(jù)名稱對應數(shù)據(jù)內(nèi)容的記錄。這樣無論此轉(zhuǎn)發(fā)守護進程從哪個接口再次收到有關數(shù)據(jù)名稱的興趣報文，都可以直接生成數(shù)據(jù)報文回應請求，從而大大減少因重復請求產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。

2.當轉(zhuǎn)發(fā)守護進程獲取了相應的數(shù)據(jù)報文，即便最初產(chǎn)生數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者下線，或者與其相連的路徑上任何一跳出現(xiàn)暫時無法連通的情況，也不會改變消費者最終得到數(shù)據(jù)的方式和內(nèi)容。

3.當多個消費者向網(wǎng)絡請求相同數(shù)據(jù)的時候，興趣報文會被途徑中的轉(zhuǎn)發(fā)進程整合，并在收到相應數(shù)據(jù)報文以后回傳給每個需要此數(shù)據(jù)的接口，即，自然支持了多播（Multicast）功能。

另外，信息中心網(wǎng)絡中的實體對自己發(fā)出的消息進行簽名，接收者可以很容易了解到數(shù)據(jù)的來源，進而驗證其可靠性。

二、分布式賬本技術

對于如何保障物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性和不可否認性，很自然能想到分布式賬本技術（Distributed Ledger Technology，DLT）。

基于分布式賬本架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫分布在所謂對等網(wǎng)絡（Peer-to-Peer，P2P）的各個節(jié)點上，其中的每一個節(jié)點都復制并存儲與賬本完全一致的副本，獨立地進行更新。分布式賬本技術不設置權威管理者，當網(wǎng)絡中某一節(jié)點的賬本出現(xiàn)新交易，其他節(jié)點都將收到通知，各節(jié)點基于共識機制“投票”決定最新副本。最后，所有節(jié)點根據(jù)達成的共識進行更新。

分布式賬本技術適用于去中心化的分布式系統(tǒng)，這與大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用場景契合。同時，分布式賬本技術利用其獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和共識算法，使互不信任的參與方達成一定共識，共同維護一個獲得每個參與方都承認的“賬本”，這也解決了物聯(lián)網(wǎng)實際應用中數(shù)據(jù)可靠性遭到質(zhì)疑的問題[3]-[9]

可見，分布式賬本技術可支撐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)安全、協(xié)作和經(jīng)濟的數(shù)據(jù)存儲應用。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)常見為樹型架構(gòu)，其中包括終端、接入節(jié)點和后臺服務器。一般來說，終端是各種傳感器，特點為功耗要求高、計算能力低。接入節(jié)點則計算能力相對更高，且功耗要求較低。接入節(jié)點具備作為分布式賬本系統(tǒng)節(jié)點和信息中心網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸存儲節(jié)點的條件，當然，也可以同時作為消費者和生產(chǎn)者。

如圖2所示，以接入節(jié)點作為信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本的共同節(jié)點，接入節(jié)點之間相互連接，即構(gòu)成了基于信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。換言之，在這種新型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，信息中心網(wǎng)絡系統(tǒng)和分布式賬本系統(tǒng)得到了統(tǒng)一。

四、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

參考用于物聯(lián)網(wǎng)的加密貨幣（IOTA）的藤曼結(jié)構(gòu)（tangle structure）來設計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，每個數(shù)據(jù)區(qū)塊用一個方塊表示，某個數(shù)據(jù)區(qū)塊指向另一數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈接用帶有箭頭的連線表示。新生成的數(shù)據(jù)區(qū)塊與已有的多個數(shù)據(jù)區(qū)塊產(chǎn)生指向性的鏈接，形成如藤曼一樣勾連蔓延的有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph），所有未被其它數(shù)據(jù)區(qū)塊指向的數(shù)據(jù)區(qū)塊處于圖的末尾。每當網(wǎng)絡中的節(jié)點生成一個新的數(shù)據(jù)區(qū)塊時，從本地維護的圖中找出兩個以上末尾數(shù)據(jù)區(qū)塊，通過“認證”產(chǎn)生聯(lián)系。新的數(shù)據(jù)區(qū)塊的形成過程可以完全在本地完成，避免了物聯(lián)網(wǎng)在實時數(shù)據(jù)傳輸方面的短板?？v使連接暫時中斷導致了網(wǎng)絡分片（network partition），當網(wǎng)絡重新連接，各自“生長”的兩片“藤曼”也能在一段時間后重新“編織”在一起，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響不大。

相應的，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以數(shù)字簽名作為身份證明（Proof of Identity）共識機制的基礎。節(jié)點生成新的數(shù)據(jù)區(qū)塊之后添加自己的數(shù)字簽名再廣播出去，其它收到這個新數(shù)據(jù)區(qū)塊的節(jié)點則對數(shù)字簽名的正確性作驗證。

基于上述思路，在每個節(jié)點的本地數(shù)據(jù)備份中可能包含三類的數(shù)據(jù)區(qū)塊：一，新數(shù)據(jù)區(qū)塊（new block），也就是完全未被“認證”過的數(shù)據(jù)區(qū)塊;二，未確認數(shù)據(jù)區(qū)塊（unconfirmed block），即已得到一些數(shù)據(jù)區(qū)塊的“認證”但未尚達到確認門限的數(shù)據(jù)區(qū)塊;三，已確認數(shù)據(jù)區(qū)塊（confirmed block），即已達到確認門限的數(shù)據(jù)區(qū)塊。

數(shù)字簽名的驗證對計算能力的要求不高，并且，數(shù)據(jù)區(qū)塊一旦被網(wǎng)絡確認，與之后生成的新數(shù)據(jù)區(qū)塊就沒有直接聯(lián)系了，因而可以采取逐步遺忘或者壓縮封存的策略來節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)設備的存儲空間。換言之，物聯(lián)網(wǎng)設備的計算能力、存儲能力能夠與上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相匹配。

五、數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸上，為了保證整個網(wǎng)絡都能收到新數(shù)據(jù)區(qū)塊的更新信息，需要考慮數(shù)據(jù)同步的問題，具體來說需要考慮兩種情形，第一種是新入網(wǎng)的節(jié)點如何同步數(shù)據(jù)，第二種是有節(jié)點產(chǎn)生了數(shù)據(jù)如何廣播。特殊興趣報文發(fā)送和接受的流程，可涵蓋上述兩種情況。

在第一種情形下，特殊興趣報文名字中帶有周期數(shù)據(jù)更新的關鍵詞。例如“/PERIODUPDATE//”，其中“PERIODUPDATE”就是關鍵詞，“node id”是發(fā)送者的名字， “l(fā)ocal status hash value”是發(fā)送者本地存儲的數(shù)據(jù)副本的一個散列值。

興趣報文的接收者將本地存儲的數(shù)據(jù)副本的散列值與收到的相比較，如果相同，則判定兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)同步，過程結(jié)束;如果不同，接收者對照本地已知的數(shù)據(jù)區(qū)塊列表，只要收到的列表中存在本地沒有出現(xiàn)過的數(shù)據(jù)區(qū)塊的名字，那么就正式發(fā)送普通興趣報文請求此數(shù)據(jù)區(qū)塊，并最終從原發(fā)送者那里獲得所有數(shù)據(jù)區(qū)塊。

在第二種情況下，節(jié)點在本地生成了新數(shù)據(jù)區(qū)塊后，會向相鄰節(jié)點發(fā)送名字中帶有區(qū)塊數(shù)據(jù)更新關鍵詞的特殊興趣報文。例如“/BLOCK UPDATE//”，其中“BLOCK UPDATE”就是關鍵詞，“node id”是發(fā)送者的名字，“data block hash value”是新數(shù)據(jù)區(qū)塊內(nèi)容的散列值。收到此興趣報文的節(jié)點可以據(jù)此構(gòu)成請求新數(shù)據(jù)區(qū)塊的普通興趣報文，并最終從原發(fā)送者那里獲得新數(shù)據(jù)區(qū)塊。如果新數(shù)據(jù)區(qū)塊能夠通過接收者的驗證，那么這個過程會不斷迭代，直到整個網(wǎng)絡中的節(jié)點都收到這個新數(shù)據(jù)區(qū)塊的更新。

六、結(jié)束語

本文分析信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本的技術特點，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，提出了以接入節(jié)點作為信息中心網(wǎng)絡和分布式賬本共同節(jié)點構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計思想，闡述了這種新型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?。特別值得一提的是，一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸方式被提出，用于確保整個信息中心網(wǎng)絡都能收到分布式賬本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新。

本文為新一代物聯(lián)網(wǎng)研究提供了方向性指引。后續(xù)工作可以包括三個方面：一，引入接入節(jié)點上游的匯聚節(jié)點，考慮更大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu);二，考慮對應數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的詳細設計;三，考慮更多節(jié)點納入時海量數(shù)據(jù)的高效存儲方案。

參? 考? 文? 獻

[1] A. Afanasyev， J. Burke， T. Refaei， L. Wang， B. Zhang and L. Zhang， “A Brief Introduction to Named Data Networking，” MILCOM 2018 - 2018 IEEE Military Communications Conference （MILCOM）， Los Angeles， CA， USA， 2018， pp. 1-6， doi： 10.1109/MILCOM.2018.8599682.

[2] Zhang， Zhiyi & Lu， Edward & Li， Yanbiao & Zhang， Lixia & Yu， Tianyuan & Pesavento， Davide & Shi， Junxiao & Benmohamed， Lotfi. （2018）. NDNoT： a framework for named data network of things. 200-201. 10.1145/3267955.3269019.

[3] S. Nakamoto， “Bitcoin： a peer-to-peer electronic cash system，” White paper， 2009. [Online]. Available： https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf.

[4] A. Dorri， M. Steger， and et al.， “Blockchain： a distributed solution to automotive security and privacy，” IEEE Commun. Mag.， vol. 55， no. 12， pp. 119-125， Dec. 2017.

[5] J. Kang， R. Yu， and et al.， “Enabling localized peer-to-peer electricity trading among plug-in hybrid electric vehicles using consortium blockchains，” IEEE Trans. Ind. Inf.， vol. 13， no. 6， pp. 3154-3164， Dec. 2017.

[6] G. Perboli， S. Musso， and M. Rosano， “Blockchain in logistics and supply chain： a Lean approach for designing real-world use cases，” IEEE Access， vol. 6， pp. 62018-62028， Oct. 2018Q.

[7] Gao W， Hatcher W G， Yu W. A survey of blockchain： techniques， applications， and challenges [C]// 2018 27th International Conference on Computer Communication and Networks （ICCCN）， 2018： 1-11.

[8] B. Cao， Y. Li， and et al.， “When Internet of Things meets blockchain： challenges in distributed consensus，” IEEE Netw. Mag. ， vol. 33， no. 6， pp. 133-139， Nov.-Dec. 2019.

[9]A. M. Antonopoulos， “Mastering Bitcoin： unlocking digital cryptocurrencies，” 2nd ed. Sebastopol， CA， USA： OReilly Media， Inc.， June 2017. G. BitFury， “Proof of stake versus proof of work，” White paper， Sep. 2015. [Online]. Available： https：//bitfury.com/content/downloads/pos-vspow-1.0.2.pdf.