蔣宇娜，葛曉虎，楊旸，王承祥，李頡

（1.華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210；3.鵬城實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)通信研究中心，廣東 深圳 518000；4.東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；5.紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；6.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

6G 移動(dòng)通信將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的全面實(shí)現(xiàn)。6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不僅連接人，還連接計(jì)算資源、車(chē)輛、設(shè)備、傳感器和機(jī)器人代理等，以滿足完全互聯(lián)、智能數(shù)字世界的需求[1-4]。物聯(lián)網(wǎng)是一種將現(xiàn)實(shí)世界中的物體與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)范式[5]。物聯(lián)網(wǎng)允許設(shè)備在無(wú)人干預(yù)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理和通信[6-7]。在6G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)的全面部署使網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)快速增長(zhǎng)。根據(jù)愛(ài)立信的預(yù)測(cè)，到2025 年將會(huì)有超過(guò)249 億臺(tái)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。智能設(shè)備量的增長(zhǎng)使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[8-10]。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和分析，可以進(jìn)一步挖掘物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值[11]。但是因?yàn)椴煌奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)壁壘，使數(shù)據(jù)的價(jià)值被抑制。例如在新冠肺炎疫情暴發(fā)階段，為了盡可能準(zhǔn)確地找到潛在的病毒攜帶者，很多互聯(lián)網(wǎng)公司推出了確診患者的全國(guó)同乘查詢(xún)服務(wù)，但是這些服務(wù)無(wú)法覆蓋一些公共場(chǎng)所，如商場(chǎng)、廣場(chǎng)、公園等，從而無(wú)法獲得確診患者的完整軌跡。在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，如何集合不同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，例如公共場(chǎng)所的攝像頭、不同的應(yīng)用程序等，實(shí)現(xiàn)多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，從而確定確診患者的完整軌跡是一個(gè)難題。

如果將所有的數(shù)據(jù)都發(fā)送到集中式云平臺(tái)進(jìn)行處理，會(huì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。首先，如果中央服務(wù)器出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器都會(huì)面臨癱瘓風(fēng)險(xiǎn)，例如對(duì)集中式服務(wù)器進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊可能導(dǎo)致單點(diǎn)故障問(wèn)題。其次，用戶對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)如何使用以及被誰(shuí)使用的控制是有限的，存儲(chǔ)在集中式服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可能會(huì)泄露個(gè)人隱私。最后，存儲(chǔ)在集中式云中的數(shù)據(jù)缺乏可靠性和可跟蹤性。集中式物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要求信任第三方進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而存儲(chǔ)在集中式服務(wù)器上的數(shù)據(jù)有被刪除或篡改的風(fēng)險(xiǎn)[12]。區(qū)塊鏈技術(shù)因分散自治、不可篡改、可溯源等特點(diǎn)在近些年被廣泛關(guān)注。區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理并提升6G 網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵去中心化技術(shù)[13]。區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需由全網(wǎng)共同維護(hù)，可以在缺乏信任的節(jié)點(diǎn)之間有效地傳遞價(jià)值[14]。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，以前只能通過(guò)可信第三方平臺(tái)進(jìn)行的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享現(xiàn)在可以通過(guò)去中心化的方式運(yùn)行[15]。但是，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享研究仍然面臨很多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是共享數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。

目前，很多基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享研究都忽略了共享數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]為了解決無(wú)信任環(huán)境中醫(yī)療數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題，使用區(qū)塊鏈技術(shù)為大數(shù)據(jù)實(shí)體間的共享醫(yī)療數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)來(lái)源、審計(jì)和控制。文獻(xiàn)[17]針對(duì)多云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)安全共享問(wèn)題，提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈和智能合約的可靠協(xié)作模型，同時(shí)分析了參與者之間的拓?fù)潢P(guān)系，并在收益分配過(guò)程中建立了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的Shapley 值模型。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于區(qū)塊鏈的高效數(shù)據(jù)收集和安全共享方案，結(jié)合以太坊區(qū)塊鏈和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)創(chuàng)建一個(gè)可靠和安全的環(huán)境，其中深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)收集數(shù)據(jù)量的最大化，區(qū)塊鏈技術(shù)用來(lái)保證數(shù)據(jù)共享的可靠性和安全性。文獻(xiàn)[19]將區(qū)塊鏈和支持向量機(jī)結(jié)合，提出一種可以保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私的數(shù)據(jù)訓(xùn)練方案。通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在多個(gè)數(shù)據(jù)提供商之間構(gòu)建一個(gè)安全可靠的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。在文獻(xiàn)[16-19]提出的數(shù)據(jù)共享方案中，數(shù)據(jù)擁有者將需要共享的數(shù)據(jù)加密后發(fā)送到區(qū)塊鏈上進(jìn)行存儲(chǔ)。區(qū)塊鏈分布式賬本記錄在每個(gè)全節(jié)點(diǎn)中，如果將共享的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上將會(huì)造成存儲(chǔ)資源的極大浪費(fèi)。另外，如果交易包含的數(shù)據(jù)量過(guò)大，對(duì)于整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能也會(huì)產(chǎn)生消極影響。除此之外，區(qū)塊鏈的透明性很容易泄露共享數(shù)據(jù)的隱私性。所以，在基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，將共享的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上并不是一種可行的方案。另外，還有一些數(shù)據(jù)共享的研究中將星際文件系統(tǒng)（IPFS,inter planetary file system）用于共享數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。文獻(xiàn)[20]研究了分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享方案，提出了將IPFS、以太坊和基于屬性的加密技術(shù)相結(jié)合的架構(gòu)。文獻(xiàn)[21]基于區(qū)塊鏈技術(shù)和IPFS 提出了一個(gè)新型電子醫(yī)療數(shù)據(jù)共享框架，并使用智能合約設(shè)計(jì)了一個(gè)可靠的訪問(wèn)控制機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)不同患者和醫(yī)療供應(yīng)商之間安全的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)共享。文獻(xiàn)[22]為了在IPFS 存儲(chǔ)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電子病歷的安全存儲(chǔ)和高效共享，構(gòu)造了一種基于屬性的加密方案。通過(guò)將加密的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式的IPFS 中，保證了存儲(chǔ)平臺(tái)的安全性，避免了單點(diǎn)失效的問(wèn)題。通過(guò)IPFS 將共享的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成哈希值，然后將哈希值存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，從而避免了大量共享數(shù)據(jù)的鏈上存儲(chǔ)。但是IPFS 網(wǎng)絡(luò)要想穩(wěn)定運(yùn)行，需要用戶貢獻(xiàn)存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬，如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)機(jī)制，那么巨大的資源開(kāi)銷(xiāo)很難維持網(wǎng)絡(luò)的持久運(yùn)行。由此可見(jiàn)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)是一個(gè)值得研究的課題。

在物聯(lián)網(wǎng)中，使用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的去中心化共享和存儲(chǔ)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)本身來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中的大多數(shù)設(shè)備為低功耗設(shè)備，不具備參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分布式共識(shí)的能力。在區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制中，參與共識(shí)過(guò)程的節(jié)點(diǎn)需要負(fù)責(zé)共識(shí)的形成、交易驗(yàn)證以及區(qū)塊的驗(yàn)證和打包。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的能力是設(shè)計(jì)共識(shí)機(jī)制時(shí)需要考慮的主要因素之一。物聯(lián)網(wǎng)中資源受限的節(jié)點(diǎn)，如傳感器，無(wú)法承擔(dān)共識(shí)任務(wù)。而對(duì)于設(shè)備能力比較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)（如網(wǎng)關(guān)等），仍然可以在區(qū)塊鏈的共識(shí)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。除此之外，共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生影響，如果共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例過(guò)小，則整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的分散化程度較小，不利于整個(gè)系統(tǒng)的安全；如果共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例過(guò)大，則區(qū)塊傳播時(shí)延就會(huì)很大，在需要大量數(shù)據(jù)交互的場(chǎng)景下，不能滿足服務(wù)需求，例如，在新冠肺炎疫情暴發(fā)時(shí)，需要不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間共享大量的確診患者數(shù)據(jù)，較大的共識(shí)時(shí)延會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享效率低下。

基于上述問(wèn)題，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)方案，主要貢獻(xiàn)如下。

1) 提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)框架，實(shí)現(xiàn)6G 時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的去中心化共享和存儲(chǔ)。通過(guò)存儲(chǔ)證明（PoS,proof of storage）的共識(shí)機(jī)制，將區(qū)塊共識(shí)和共享數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)相結(jié)合。

2) 基于Gossip 協(xié)議提出區(qū)塊的分層傳播機(jī)制。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能力的分析，推導(dǎo)了區(qū)塊傳播時(shí)延模型和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化評(píng)估模型。

3) 仿真分析表明，本文提出的基于Gossip 協(xié)議的分層傳輸方案相較于傳統(tǒng)的Gossip 協(xié)議傳輸在區(qū)塊傳播時(shí)延上有大幅降低。區(qū)塊傳播時(shí)延、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)的能力最小值增大而減小。當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值為0.535 ×104Hz 或1.015 ×104Hz、共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值為106 GB 或315 GB 時(shí)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度與區(qū)塊傳播時(shí)延達(dá)到均衡。

4) 針對(duì)確診患者軌跡數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景，基于以太坊開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享智能合約的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

2 系統(tǒng)模型

2.1 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)框架

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的6G 時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)系統(tǒng)框架如圖1 所示。本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力將設(shè)備分為共識(shí)節(jié)點(diǎn)、驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)。共識(shí)節(jié)點(diǎn)參與交易的廣播、驗(yàn)證，區(qū)塊的打包和共識(shí)中，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)交易的廣播和驗(yàn)證。在共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)上都保存了完整的分布式賬本。系統(tǒng)框架主要包括智能合約、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、分布式賬本和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

1) 智能合約。智能合約是運(yùn)行在區(qū)塊鏈上模塊化、可重用、自動(dòng)執(zhí)行的腳本。智能合約允許節(jié)點(diǎn)以可驗(yàn)證的方式在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行腳本。由于智能合約保存在區(qū)塊鏈上，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以查看和執(zhí)行其指令，并查看與智能合約交互的日志[23]。通過(guò)智能合約，物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)擁有者可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在去中心化的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)需求者和數(shù)據(jù)擁有者可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享交易。

2) 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中主要包括共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。共識(shí)節(jié)點(diǎn)在去中心化網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用，除了需要驗(yàn)證數(shù)據(jù)共享交易或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交易，執(zhí)行共識(shí)算法，還需要為數(shù)據(jù)擁有者提供存儲(chǔ)空間以存儲(chǔ)共享數(shù)據(jù)。驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)需要驗(yàn)證交易和區(qū)塊，幫助共識(shí)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)過(guò)程。

3) 分布式賬本。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)不可篡改的去中心化數(shù)字賬本，并且由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)。區(qū)塊鏈分布式賬本上記錄了物聯(lián)網(wǎng)不同節(jié)點(diǎn)間的交互日志。

4) 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)擁有者進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的設(shè)備。6G 時(shí)代將會(huì)實(shí)現(xiàn)空-天-地一體化，從而會(huì)有更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，包括無(wú)人機(jī)、多樣化的智能設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和深海潛水艇等。數(shù)據(jù)擁有者可以通過(guò)多樣化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)數(shù)據(jù)需求者在區(qū)塊鏈上提交數(shù)據(jù)需求后，數(shù)據(jù)擁有者根據(jù)數(shù)據(jù)需求方的數(shù)據(jù)需求將采集到的數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)需求者。

圖1 系統(tǒng)框架

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間數(shù)據(jù)的共享和存儲(chǔ)流程如下：當(dāng)數(shù)據(jù)需求者需要從其他的設(shè)備獲得數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)需求者會(huì)通過(guò)智能合約在區(qū)塊鏈上發(fā)布數(shù)據(jù)請(qǐng)求的交易。數(shù)據(jù)擁有者在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)需求者的交易后，如果有符合要求的數(shù)據(jù)，則會(huì)執(zhí)行下述操作：1)通過(guò)智能合約向共識(shí)節(jié)點(diǎn)租用存儲(chǔ)資源；2) 得到提供存儲(chǔ)資源的共識(shí)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后，將加密后的數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)的描述、存儲(chǔ)的時(shí)間和需要存儲(chǔ)的副本數(shù)發(fā)送給共識(shí)節(jié)點(diǎn)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)將共享數(shù)據(jù)的地址以及數(shù)據(jù)的描述發(fā)送到區(qū)塊鏈上。通過(guò)共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址鏈上存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)鏈下存儲(chǔ)的方式，數(shù)據(jù)擁有者可以根據(jù)實(shí)際需求決定共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)處的時(shí)間。數(shù)據(jù)需求者從數(shù)據(jù)擁有者那里獲取數(shù)據(jù)密鑰后，就可以從相應(yīng)的數(shù)據(jù)地址獲取需求的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需求者獲取數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析使用，從而更好地挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。

2.2 共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈中一個(gè)核心概念就是去中心化，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一樣的中心數(shù)據(jù)庫(kù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，從而需要共識(shí)機(jī)制保證所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間可以有效地協(xié)作[24]。共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈?zhǔn)聞?wù)達(dá)成分布式共識(shí)的算法。比特幣和以太坊都采用對(duì)計(jì)算強(qiáng)依賴(lài)的工作量證明（PoW,proof of work）算法。物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的低功耗設(shè)備，計(jì)算資源的匱乏使高難度的PoW 算法不再適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景。Hyperledger Fabric 采用傳統(tǒng)的拜占庭容錯(cuò)算法，如實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT,practical Byzantine fault tolerance）算法。在存有大量節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，PBFT 的通信復(fù)雜度將會(huì)大幅增加[25]。

考慮到數(shù)據(jù)共享中的存儲(chǔ)需求，本文采用PoS共識(shí)機(jī)制[26]。共識(shí)節(jié)點(diǎn)成功在區(qū)塊鏈上添加區(qū)塊的概率是由當(dāng)前共識(shí)周期內(nèi)的存儲(chǔ)空間占全網(wǎng)存儲(chǔ)空間的比值決定的。令Nc為網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，為第t個(gè)共識(shí)周期內(nèi)共識(shí)節(jié)點(diǎn)i為網(wǎng)絡(luò)提供的時(shí)空證明容量，則共識(shí)節(jié)點(diǎn)i在t個(gè)共識(shí)周期內(nèi)為網(wǎng)絡(luò)提供的有效存儲(chǔ)空間占比，即存儲(chǔ)算力為

2.3 區(qū)塊傳播機(jī)制

區(qū)塊的傳播機(jī)制如圖2 所示。當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)i產(chǎn)生一個(gè)新的區(qū)塊blocki時(shí)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)i需要將區(qū)塊blocki傳輸給其他的共識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)還需要招募一部分的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。接收到這個(gè)區(qū)塊的其他共識(shí)節(jié)點(diǎn)也需要分別招募驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文的區(qū)塊傳播采用基于Gossip 協(xié)議的分層傳播，包括共識(shí)節(jié)點(diǎn)層和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)層，即共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間、共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)之間以及驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)之間都采用Gossip 協(xié)議進(jìn)行區(qū)塊傳播。Gossip 協(xié)議最早在文獻(xiàn)[27]中被提出，主要用在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中各個(gè)副本節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)同步，其基本思想是節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地選擇一些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞，接收到信息的節(jié)點(diǎn)會(huì)采用同樣的方式把信息傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間區(qū)塊的傳播都采用無(wú)線多播的方式。區(qū)塊blocki傳播過(guò)程如下：1) 共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間：共識(shí)節(jié)點(diǎn)i將區(qū)塊blocki傳輸給其他共識(shí)節(jié)點(diǎn)；2) 共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)之間：共識(shí)節(jié)點(diǎn)i將區(qū)塊blocki傳輸給其所招募的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)；3) 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)之間：區(qū)塊blocki在共識(shí)節(jié)點(diǎn)i招募的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行傳輸。令共識(shí)節(jié)點(diǎn)集合為，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的集合為，其中Nv>Nc。假設(shè)每個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)招募的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等，且等于αNv(0<α<1)，則區(qū)塊blocki需要被驗(yàn)證的總次數(shù)為Nc(αNv+1)? 1。

圖2 區(qū)塊的傳播機(jī)制

3 區(qū)塊傳播時(shí)延

本節(jié)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，分析區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊傳播時(shí)延。

在基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)中，區(qū)塊鏈的分布式共識(shí)由共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)共同完成。本文使用帕累托分布[28]描述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力。帕累托分布最初用來(lái)描述社會(huì)的財(cái)富狀況，現(xiàn)在帕累托分布被拓展到更廣泛的范圍，可以用來(lái)描述使用傳輸控制協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)流量的文件大小分布（即多數(shù)較小的文件以及少數(shù)較大的文件）、人類(lèi)居住區(qū)的大?。瓷贁?shù)的城市以及多數(shù)的小村莊）等。考慮到物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的低功耗設(shè)備以及少量能力較強(qiáng)的設(shè)備，本文使用帕累托分布來(lái)描述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能力。令物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算能力為{X1,X2,…,XN}，且Xi服從參數(shù)為ζ和σc的帕累托分布，其中σc=min{Xi}；令物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)能力為 {Y1,Y2,…,YN}，且Yi服從參數(shù)為ζ和σs的帕累托分布，其中σs=min{Yi}；N為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)量（N?Nc+Nv），則物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算能力X的生存函數(shù)為

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算能力X的概率密度函數(shù)為

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存儲(chǔ)能力Y的生存函數(shù)為

令共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值為Xc，共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值為Yc。當(dāng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力大于Xc且存儲(chǔ)能力大于Yc時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可作為共識(shí)節(jié)點(diǎn)，則物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為共識(shí)節(jié)點(diǎn)的概率為

其中，參數(shù)ζ越大，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例就越小。共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為

共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力的期望為

令驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值為Xv，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值為Yv。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力大于閾值Xv且小于閾值Xc、存儲(chǔ)能力大于閾值Yv且小于閾值Yc時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可作為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，則物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的概率為

驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力的期望為

X=β1fm為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，其中fm是節(jié)點(diǎn)的CPU 頻率。Y=β2e為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力，其中e是節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存大小。驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為

在區(qū)塊傳播過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 之間區(qū)塊的傳輸協(xié)議采用傳統(tǒng)塊傳播協(xié)議[29]，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3 所示。在發(fā)送區(qū)塊之前，節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送一個(gè)Inventory 的信息給節(jié)點(diǎn)B，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)B 是否已經(jīng)擁有區(qū)塊，如果節(jié)點(diǎn)B 沒(méi)有該區(qū)塊，則區(qū)塊B 會(huì)回復(fù)給節(jié)點(diǎn)A 一個(gè)Getdata 的信息，并等待接收區(qū)塊block 的信息。通過(guò)塊傳播協(xié)議，節(jié)點(diǎn)可以減少不必要的信息傳輸[30]。

圖3 區(qū)塊在節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 之間的傳輸

區(qū)塊的傳播時(shí)延包括3 個(gè)部分：區(qū)塊的傳輸時(shí)延、區(qū)塊的驗(yàn)證時(shí)延以及節(jié)點(diǎn)之間交換Inventory 和Getdata 信息的時(shí)延。交換Inventory 和Getdata 信息的平均往返時(shí)間表示為τRTT[31]。節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)塊傳輸采用Gossip 協(xié)議。對(duì)于一個(gè)N個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)在每個(gè)Gossip 周期，接收到區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)都能至少再將區(qū)塊傳輸給一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么區(qū)塊傳輸?shù)絅個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期數(shù)為log(N)。當(dāng)區(qū)塊大小為s時(shí)，區(qū)塊的傳輸時(shí)延可以表示為[32]

其中，c是各鏈路的平均有效信道容量。對(duì)于區(qū)塊，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證時(shí)延為

其中，U表示每比特信息所需要的CPU 周期數(shù)。令共識(shí)節(jié)點(diǎn)的CPU 頻率為fm,c，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的CPU頻率為fm,v，則區(qū)塊在全網(wǎng)中傳播時(shí)的總驗(yàn)證時(shí)延為

因此，區(qū)塊block 的平均傳播時(shí)延可以表示為

4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度

去中心化是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的重要特性之一，即在理想情況下任何一個(gè)或者少數(shù)實(shí)體都不具備操控、顛覆整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的權(quán)力?，F(xiàn)有研究中提出將中本系數(shù)作為一種衡量區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化的指標(biāo)?；诮?jīng)濟(jì)學(xué)中衡量國(guó)民財(cái)富分布的基尼系數(shù)和洛倫茲曲線，本文首先把區(qū)塊鏈系統(tǒng)拆分成多個(gè)關(guān)鍵的子系統(tǒng)，然后分別計(jì)算出能夠操縱每個(gè)子系統(tǒng)的最少實(shí)體數(shù)量，最后把需要實(shí)體數(shù)量的最小值作為整個(gè)系統(tǒng)的去中心化指數(shù)。數(shù)值越高的系統(tǒng)去中心化程度越高。文獻(xiàn)[33]使用信息熵的方法衡量區(qū)塊鏈系統(tǒng)的分散化程度，并分別計(jì)算了比特幣和以太坊系統(tǒng)中挖掘到的區(qū)塊以及賬戶余額的熵。計(jì)算結(jié)果表明，比特幣的分散化程度高于以太坊的分散化程度。

在本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)中，參與共識(shí)過(guò)程和驗(yàn)證過(guò)程的節(jié)點(diǎn)對(duì)于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化影響要強(qiáng)于其他未參與共識(shí)過(guò)程和驗(yàn)證過(guò)程的節(jié)點(diǎn)。共識(shí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將交易進(jìn)行打包、廣播并形成共識(shí)，同時(shí)需要存儲(chǔ)共享的數(shù)據(jù)，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)過(guò)程擔(dān)任重要的角色。驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)需要對(duì)共識(shí)節(jié)點(diǎn)打包的交易進(jìn)行驗(yàn)證，只有通過(guò)一定比例節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的區(qū)塊才會(huì)被添加到區(qū)塊鏈上。因此，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)同樣影響著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度。共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的差異性也影響著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的差異性越大，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)越趨向于集中化，因此，本文主要從共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的差異性、共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例這3 個(gè)方面進(jìn)行區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化建模分析。

共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的差異性主要需要考慮共享的數(shù)據(jù)文件如何在共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行存儲(chǔ)。假設(shè)在一個(gè)共識(shí)周期內(nèi)，需要共享的數(shù)據(jù)文件為。本文假設(shè)數(shù)據(jù)文件的大小相等，使用參數(shù)xc,f∈{0,1}表示數(shù)據(jù)文件f∈F是否會(huì)存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)c∈C上，xc,f=0表示數(shù)據(jù)文件f沒(méi)有存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)c上，xc,f=1表示數(shù)據(jù)文件f存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)c。在一個(gè)共識(shí)周期內(nèi)，共享數(shù)據(jù)文件在共識(shí)節(jié)點(diǎn)上的存儲(chǔ)情況表示為

則存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)ci處的數(shù)據(jù)文件份數(shù)為

為了防止存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件丟失，數(shù)據(jù)文件fj可以在多個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行存儲(chǔ)，則數(shù)據(jù)文件fj存儲(chǔ)的副本數(shù)量為

共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的差異性使用共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件數(shù)的方差var表示。var越大，表明共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)的共享數(shù)據(jù)文件數(shù)差異越大。var 表示為

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度D為

其中，β3和β4為系統(tǒng)參數(shù)，κ2為誤差參數(shù)。D越大，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度越大。

為了對(duì)去中心化程度D與區(qū)塊傳播時(shí)延τ進(jìn)行均衡化分析，需要對(duì)區(qū)塊傳播時(shí)延τ和去中心化程度D進(jìn)行min-max 歸一化處理。區(qū)塊傳播時(shí)延τ進(jìn)行歸一化處理后為

其中，τmean是區(qū)塊傳播平均時(shí)延，τmax是區(qū)塊傳播時(shí)延最大值，τmin是區(qū)塊傳播時(shí)延最小值。去中心化程度D進(jìn)行min-max 歸一化處理后為

其中，Dmean是D的平均值，Dmax是D的最大值，Dmin是D的最小值。令φ=τ→1?D→1，可以根據(jù)系統(tǒng)的具體性能需求對(duì)參數(shù)φ的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于時(shí)延要求較高的場(chǎng)景，取φ> 0；對(duì)于去中心化程度要求較高的場(chǎng)景，取φ< 0。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)首先仿真分析了共識(shí)節(jié)點(diǎn)的能力與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊傳播時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)去中心化程度的關(guān)系。然后，針對(duì)確診患者軌跡數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景，基于以太坊開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享智能合約的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

5.1 數(shù)值仿真結(jié)果

本節(jié)首先仿真比較了本文提出的基于Gossip協(xié)議與傳統(tǒng)Gossip 協(xié)議在區(qū)塊傳播時(shí)延上的差異，同時(shí)分析了在驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)比例α不同的情況下區(qū)塊大小s與區(qū)塊傳播時(shí)延τ的關(guān)系；然后仿真分析了參數(shù)ζ和共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力閾值對(duì)區(qū)塊傳播時(shí)延τ和網(wǎng)絡(luò)去中心化程度D的影響；最后給出了區(qū)塊傳播時(shí)延τ和網(wǎng)絡(luò)去中心化程度D的均衡化分析。本文的仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示[34-35]。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖4 展示了在共識(shí)節(jié)點(diǎn)招募的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)比例α不同的情況下區(qū)塊傳播時(shí)延τ與區(qū)塊大小s的關(guān)系。同時(shí)將本文提出的基于Gossip 協(xié)議的分層區(qū)塊傳播方案與傳統(tǒng)Gossip 協(xié)議的區(qū)塊傳播方案進(jìn)行對(duì)比。其中，ζ=2，Xc=10 000 Hz，Xv=8 000 Hz。區(qū)塊大小s是指每個(gè)區(qū)塊存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)。從圖4中可以看出，在區(qū)塊大小s一定的情況下，相較于傳統(tǒng)的區(qū)塊傳播方案，本文提出的方案區(qū)塊傳播時(shí)延大幅降低。在本文提出的區(qū)塊傳播方案中，共識(shí)節(jié)點(diǎn)不僅要負(fù)責(zé)共識(shí)節(jié)點(diǎn)層的區(qū)塊傳輸，還要負(fù)責(zé)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)層的區(qū)塊傳輸，從而使區(qū)塊傳播時(shí)延降低。同時(shí)，區(qū)塊的傳播時(shí)延τ隨著α的增大而增大。因?yàn)楫?dāng)α增大時(shí)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證區(qū)塊時(shí)招募的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，區(qū)塊被驗(yàn)證的次數(shù)增多，從而導(dǎo)致區(qū)塊的傳播時(shí)延增大。在α一定的情況下，區(qū)塊的傳播時(shí)延τ隨著區(qū)塊大小s的增大而增大。

圖4 區(qū)塊傳播時(shí)延τ 與區(qū)塊大小s 的關(guān)系

圖5 展示了在參數(shù)ζ不同的情況下區(qū)塊傳播時(shí)延τ與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力閾值關(guān)系，其中驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)能力閾值與共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值同幅增長(zhǎng)。從圖5(a)中可以看出，在ζ一定的情況下，區(qū)塊的傳播時(shí)延τ隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值Xc的增大而減小。因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值Xc與Xv增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)以及驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例減小，區(qū)塊的共識(shí)需要得到的驗(yàn)證次數(shù)減少，從而使區(qū)塊的總傳播時(shí)延減小。在Xc一定的情況下，區(qū)塊的傳播時(shí)延τ隨著ζ的增大而減小。因?yàn)楫?dāng)ζ增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例減小，區(qū)塊的共識(shí)需要得到的驗(yàn)證次數(shù)減少，從而使區(qū)塊的總傳播時(shí)延減小。從圖5(b)中可以看出，在ζ一定的情況下，區(qū)塊的傳播時(shí)延τ隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值Yc的增大而減小。在Yc一定的情況下，區(qū)塊傳播時(shí)延τ隨著ζ的增大而減小。

圖5 區(qū)塊傳播時(shí)延τ 與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)系

圖6 展示了在參數(shù)ζ和方差var 不同的情況下去中心化程度D與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)系，其中驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)能力閾值與共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值同幅增長(zhǎng)。從圖6(a)中可以看出，在ζ和var 一定的情況下，區(qū)塊鏈去中心化程度D隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值Xc的增大而減小。因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值Xc與Xv增大時(shí)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)以及驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例減小，使網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度D減小。在Xc和var 一定的情況下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度D隨著ζ的增大而減小，因?yàn)楫?dāng)ζ增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)以及驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例減小，使網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度D減小。在Xc和ζ一定的情況下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度D隨著var 的增大而減小。從圖6(b)中可以看出，在ζ和var 一定的情況下，區(qū)塊鏈去中心化程度D隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值Yc的增大而減小。

圖6 去中心化程度D 與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)系

圖5 和圖6 表明，隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值和存儲(chǔ)能力閾值的增加，物聯(lián)網(wǎng)中共識(shí)節(jié)點(diǎn)的比例減小，區(qū)塊傳播時(shí)延和去中心化程度也隨之減小。

圖7 展示了在參數(shù)ζ不同的情況下，參數(shù)φ與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)系。從圖7 中可以看出，ζ對(duì)φ的影響較小。在圖7(a)中，Yc=100 GB，當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值為0.535 ×104Hz 或1.015 ×104Hz 時(shí)，φ≈ 0，即去中心化程度D與區(qū)塊總的傳播時(shí)延τ達(dá)到均衡。在圖7(b)中，Xc=5 000 Hz，當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值為106 GB 或315 GB 時(shí)，φ≈ 0，去中心化程度D與區(qū)塊總的傳播時(shí)延τ達(dá)到均衡。

5.2 數(shù)據(jù)共享智能合約實(shí)現(xiàn)

本節(jié)針對(duì)新冠肺炎疫情期間確診患者軌跡數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享智能合約并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?；谝蕴坏腟olidity 語(yǔ)言以及truffle 框架實(shí)現(xiàn)智能合約的編寫(xiě)和編譯，并將智能合約部署到以太坊的Geth 節(jié)點(diǎn)集群上，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能合約的測(cè)試。同時(shí)，借助IPFS 實(shí)現(xiàn)本文提出的共享數(shù)據(jù)地址鏈上存儲(chǔ)而共享數(shù)據(jù)鏈下分布式存儲(chǔ)的機(jī)制，并建立了由3 個(gè)Geth 節(jié)點(diǎn)組成的節(jié)點(diǎn)集群。Geth 節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)和賬戶信息如表2 所示。

圖7 φ 與共識(shí)節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)系

節(jié)點(diǎn)1 分別與節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 相互連接搭建區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)集群，在geth 節(jié)點(diǎn)中使用admin.peers()來(lái)獲取與節(jié)點(diǎn)1 相連的節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的IP 地址、端口號(hào)和支持的協(xié)議等。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1 需要發(fā)布某確診病患的唯一標(biāo)識(shí)碼patientID 和肖像數(shù)據(jù)patientphoto 時(shí)，節(jié)點(diǎn)1 通過(guò)調(diào)用智能合約中發(fā)布數(shù)據(jù)需求的函數(shù)進(jìn)行信息的發(fā)布。節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 通過(guò)監(jiān)聽(tīng)函數(shù)事件PatientInfocreated，獲得該確診病患的信息。在監(jiān)聽(tīng)日志中，節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 可以得到節(jié)點(diǎn)1 發(fā)布的數(shù)據(jù)，其中patientID 為4131479，patientphoto 為確診病患肖像的Base64 編碼在IPFS上的地址。

節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 收到節(jié)點(diǎn)1 發(fā)布的確診患者信息后，開(kāi)始在自己的攝像頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者云端數(shù)據(jù)庫(kù)中查找是否有該確診病患的數(shù)據(jù)，包括確診病患出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)等。如果存在關(guān)于該確診病患的數(shù)據(jù)，則將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)IPFS 獲得哈希值，然后將該數(shù)據(jù)文件的哈希值上傳到區(qū)塊鏈上。節(jié)點(diǎn)2 將測(cè)試文件test1.txt 的哈希值上傳到區(qū)塊鏈上，節(jié)點(diǎn)3 將測(cè)試文件test2.txt 的哈希值上傳到區(qū)塊鏈上，哈希值就是文件在IPFS 網(wǎng)絡(luò)的地址。節(jié)點(diǎn)1 調(diào)用智能合約中的函數(shù)File_Find()，通過(guò)輸入確診病患的唯一識(shí)別碼獲得文件test1.txt 和文件test2.txt 的哈希值。節(jié)點(diǎn)1的查詢(xún)結(jié)果如圖8 所示，其中，test1.txt 的存儲(chǔ)地址為QmYMQDn2UnoZ5vy82EzoxpkrjuBtnGXfNLRvwo YwXrbkGn，test2.txt 的存儲(chǔ)地址為 QmcJQCNtn x1vWDvQNkvzKrDbP9Udsv5kZJXyK5jpBnYQjT。

表2 Geth 節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)和賬戶信息

圖8 數(shù)據(jù)需求者查詢(xún)獲得需要的數(shù)據(jù)文件

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出一種面向6G 的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)框架，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的去中心化共享和存儲(chǔ)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能力，將物聯(lián)網(wǎng)中部分節(jié)點(diǎn)選為共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。通過(guò)PoS 的共識(shí)機(jī)制，將區(qū)塊共識(shí)和共享數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)相結(jié)合?；贕ossip 協(xié)議提出針對(duì)共識(shí)節(jié)點(diǎn)層和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)層的分層傳播機(jī)制，同時(shí)推導(dǎo)了區(qū)塊傳播時(shí)延模型和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化評(píng)估模型。仿真分析表明，分層的傳播方案相較于傳統(tǒng)方案在區(qū)塊傳播時(shí)延方面有大幅降低，而且隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的能力閾值增加，即共識(shí)節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的比例減小，區(qū)塊傳播時(shí)延和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度隨之減小。當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值為0.535 ×104Hz 或1.015 ×104Hz、共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值為106 GB 或315 GB 時(shí)，去中心化程度與區(qū)塊的總傳播時(shí)延達(dá)到均衡。最后，以確診患者軌跡數(shù)據(jù)共享場(chǎng)景為例，借助以太坊開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享智能合約的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)方案實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)鏈下存儲(chǔ)，即共享數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在共識(shí)節(jié)點(diǎn)組成的分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，而不是存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈的分布式賬本。數(shù)據(jù)擁有者可以根據(jù)需要控制共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間，從而改善了由于區(qū)塊鏈的透明性和不可篡改性帶來(lái)的數(shù)據(jù)隱私泄露問(wèn)題。未來(lái)的工作將進(jìn)一步探討時(shí)變信道對(duì)區(qū)塊傳播時(shí)延的影響和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)共享去中心化問(wèn)題。