基于信息中心網(wǎng)絡(luò)和分布式賬本架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐宇堅(jiān) 羅綺敏

【摘要】? ? 本文分析信息中心網(wǎng)絡(luò)和分布式賬本的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，提出了以接入節(jié)點(diǎn)作為信息中心網(wǎng)絡(luò)和分布式賬本共同節(jié)點(diǎn)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞】? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 信息中心網(wǎng)絡(luò)? ? 分布式賬本

引言：

當(dāng)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(guān)注的“萬物互聯(lián)”的概念更是加劇了這一趨勢(shì)。大量的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被引入，如果數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在中心服務(wù)器，相關(guān)的應(yīng)用效率得不到保障，能源消耗和安全風(fēng)險(xiǎn)也不可忽視。此外，對(duì)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(jí)別、完整性和可信度。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更適合物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的需求，這就是信息中心網(wǎng)絡(luò) （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(shù)（Distributed Ledger Technology，DLT）的數(shù)據(jù)庫(kù)，因其去中心化（Decentralized）的特點(diǎn)，可與信息中心網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建出更加適應(yīng)數(shù)據(jù)交互、運(yùn)用新需求的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

相應(yīng)的，下文分為六個(gè)小節(jié)。第二和第三節(jié)分別介紹信息中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式賬本技術(shù)的特點(diǎn)，第四節(jié)闡述采用這兩個(gè)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。第五和第六節(jié)介紹對(duì)應(yīng)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(luò)技術(shù)

新一代物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(shí)現(xiàn)“尋找數(shù)據(jù)”。而信息中心網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)核心，從基本設(shè)計(jì)理念上省去了對(duì)查詢目標(biāo)的轉(zhuǎn)化，在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)內(nèi)容直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，獲得回答，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)效率[1][2]。

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

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

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為“地址”僅是“數(shù)據(jù)”的一種類型，在網(wǎng)絡(luò)層這個(gè)通用層上定義數(shù)據(jù)本身，并制定相關(guān)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(shù)壁壘，適應(yīng)新一代物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

為此，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了兩種報(bào)文的定義，一種是興趣報(bào)文（Interest Packet），亦稱為請(qǐng)求報(bào)文;另一種則是數(shù)據(jù)報(bào)文（Data Packet）。對(duì)應(yīng)這兩種報(bào)文存在消費(fèi)者（consumer）和生產(chǎn)者（producer）兩個(gè)基本角色。其中的邏輯關(guān)系是消費(fèi)者生成興趣報(bào)文，傳遞給生產(chǎn)者，生產(chǎn)者回應(yīng)以數(shù)據(jù)報(bào)文。報(bào)文格式如圖1所示，興趣報(bào)文中關(guān)鍵的部分是內(nèi)容名稱，而數(shù)據(jù)報(bào)文除了內(nèi)容名稱，還承載了對(duì)應(yīng)于內(nèi)容名稱的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)者的數(shù)字簽名。

報(bào)文的傳遞則依賴于命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)守護(hù)進(jìn)程（forwarding daemon）的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)在本地維護(hù)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容庫(kù)、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(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)守護(hù)進(jìn)程收到一個(gè)興趣報(bào)文，首先記錄報(bào)文進(jìn)入的接口，使用興趣報(bào)文內(nèi)的內(nèi)容名稱查詢本地內(nèi)容庫(kù)，如果存在匹配內(nèi)容，則在本地生成數(shù)據(jù)報(bào)文，并通過記錄下的接口反饋給消費(fèi)者。若本地內(nèi)容庫(kù)中不存在匹配的內(nèi)容，則把此興趣報(bào)文的內(nèi)容名稱和報(bào)文進(jìn)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(yīng)該把此興趣報(bào)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(bào)文的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的流程，直到興趣報(bào)文被送達(dá)至擁有相關(guān)內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文按反向路徑回傳給消費(fèi)者。當(dāng)路徑中的轉(zhuǎn)發(fā)守護(hù)進(jìn)程收到數(shù)據(jù)報(bào)文，首先檢查等待興趣表中對(duì)應(yīng)名稱的記錄，然后將數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到記錄中記載的每個(gè)接口并刪除這條記錄，最后，將數(shù)據(jù)報(bào)文中的名稱及內(nèi)容作為一個(gè)記錄儲(chǔ)存在內(nèi)容庫(kù)中。

可見，信息中心網(wǎng)絡(luò)具有以下的優(yōu)勢(shì)：

1.在數(shù)據(jù)報(bào)文回傳給消費(fèi)者的路徑上，每個(gè)進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)的守護(hù)進(jìn)程，都可以在本地內(nèi)容庫(kù)保存一份數(shù)據(jù)名稱對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容的記錄。這樣無論此轉(zhuǎn)發(fā)守護(hù)進(jìn)程從哪個(gè)接口再次收到有關(guān)數(shù)據(jù)名稱的興趣報(bào)文，都可以直接生成數(shù)據(jù)報(bào)文回應(yīng)請(qǐng)求，從而大大減少因重復(fù)請(qǐng)求產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。

2.當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)守護(hù)進(jìn)程獲取了相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)無法連通的情況，也不會(huì)改變消費(fèi)者最終得到數(shù)據(jù)的方式和內(nèi)容。

3.當(dāng)多個(gè)消費(fèi)者向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求相同數(shù)據(jù)的時(shí)候，興趣報(bào)文會(huì)被途徑中的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程整合，并在收到相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文以后回傳給每個(gè)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(luò)中的實(shí)體對(duì)自己發(fā)出的消息進(jìn)行簽名，接收者可以很容易了解到數(shù)據(jù)的來源，進(jìn)而驗(yàn)證其可靠性。

二、分布式賬本技術(shù)

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

基于分布式賬本架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)分布在所謂對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（Peer-to-Peer，P2P）的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都復(fù)制并存儲(chǔ)與賬本完全一致的副本，獨(dú)立地進(jìn)行更新。分布式賬本技術(shù)不設(shè)置權(quán)威管理者，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)的賬本出現(xiàn)新交易，其他節(jié)點(diǎn)都將收到通知，各節(jié)點(diǎn)基于共識(shí)機(jī)制“投票”決定最新副本。最后，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)達(dá)成的共識(shí)進(jìn)行更新。

分布式賬本技術(shù)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(yīng)用場(chǎng)景契合。同時(shí)，分布式賬本技術(shù)利用其獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和共識(shí)算法，使互不信任的參與方達(dá)成一定共識(shí)，共同維護(hù)一個(gè)獲得每個(gè)參與方都承認(rèn)的“賬本”，這也解決了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)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(shù)可支撐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、協(xié)作和經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)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(diǎn)和后臺(tái)服務(wù)器。一般來說，終端是各種傳感器，特點(diǎn)為功耗要求高、計(jì)算能力低。接入節(jié)點(diǎn)則計(jì)算能力相對(duì)更高，且功耗要求較低。接入節(jié)點(diǎn)具備作為分布式賬本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和信息中心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的條件，當(dāng)然，也可以同時(shí)作為消費(fèi)者和生產(chǎn)者。

如圖2所示，以接入節(jié)點(diǎn)作為信息中心網(wǎng)絡(luò)和分布式賬本的共同節(jié)點(diǎn)，接入節(jié)點(diǎn)之間相互連接，即構(gòu)成了基于信息中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊用一個(gè)方塊表示，某個(gè)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(gè)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)新的數(shù)據(jù)區(qū)塊時(shí)，從本地維護(hù)的圖中找出兩個(gè)以上末尾數(shù)據(jù)區(qū)塊，通過“認(rèn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方面的短板?？v使連接暫時(shí)中斷導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)分片（network partition），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重新連接，各自“生長(zhǎng)”的兩片“藤曼”也能在一段時(shí)間后重新“編織”在一起，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響不大。

相應(yīng)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(shí)機(jī)制的基礎(chǔ)。節(jié)點(diǎn)生成新的數(shù)據(jù)區(qū)塊之后添加自己的數(shù)字簽名再?gòu)V播出去，其它收到這個(gè)新數(shù)據(jù)區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)則對(duì)數(shù)字簽名的正確性作驗(yàn)證。

基于上述思路，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?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(rèn)證”過的數(shù)據(jù)區(qū)塊;二，未確認(rèn)數(shù)據(jù)區(qū)塊（unconfirmed block），即已得到一些數(shù)據(jù)區(qū)塊的“認(rèn)證”但未尚達(dá)到確認(rèn)門限的數(shù)據(jù)區(qū)塊;三，已確認(rèn)數(shù)據(jù)區(qū)塊（confirmed block），即已達(dá)到確認(rèn)門限的數(shù)據(jù)區(qū)塊。

數(shù)字簽名的驗(yàn)證對(duì)計(jì)算能力的要求不高，并且，數(shù)據(jù)區(qū)塊一旦被網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)，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(shè)備的存儲(chǔ)空間。換言之，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力、存儲(chǔ)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)如何同步數(shù)據(jù)，第二種是有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了數(shù)據(jù)如何廣播。特殊興趣報(bào)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(bào)文名字中帶有周期數(shù)據(jù)更新的關(guān)鍵詞。例如“/PERIODUPDATE//”，其中“PERIODUPDATE”就是關(guān)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(chǔ)的數(shù)據(jù)副本的一個(gè)散列值。

興趣報(bào)文的接收者將本地存儲(chǔ)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(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同步，過程結(jié)束;如果不同，接收者對(duì)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(bào)文請(qǐng)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(diǎn)在本地生成了新數(shù)據(jù)區(qū)塊后，會(huì)向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送名字中帶有區(qū)塊數(shù)據(jù)更新關(guān)鍵詞的特殊興趣報(bào)文。例如“/BLOCK UPDATE//”，其中“BLOCK UPDATE”就是關(guān)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(bào)文的節(jié)點(diǎn)可以據(jù)此構(gòu)成請(qǐng)求新數(shù)據(jù)區(qū)塊的普通興趣報(bào)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(yàn)證，那么這個(gè)過程會(huì)不斷迭代，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都收到這個(gè)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(luò)和分布式賬本的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，提出了以接入節(jié)點(diǎn)作為信息中心網(wǎng)絡(luò)和分布式賬本共同節(jié)點(diǎn)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)信息中心網(wǎng)絡(luò)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(gè)方面：一，引入接入節(jié)點(diǎn)上游的匯聚節(jié)點(diǎn)，考慮更大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu);二，考慮對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的詳細(xì)設(shè)計(jì);三，考慮更多節(jié)點(diǎn)納入時(shí)海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)方案。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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