基于哈希图的建筑物联网数据管理方法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021060958

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (8): 2471-2480.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021060958

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基于哈希图的建筑物联网数据管理方法

王旭¹, 申玉民¹, 熊晓芸¹(), 李鹏², 王金龙¹

^1.青岛理工大学信息与控制工程学院，山东青岛 266525
^2.青岛亿联信息科技股份有限公司，山东青岛 266033

收稿日期:2021-06-07 修回日期:2021-09-03 接受日期:2021-09-28 发布日期:2021-10-18 出版日期:2022-08-10
通讯作者: 熊晓芸
作者简介:王旭（1997—），男，山东滨州人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链；
申玉民（1996—），男，山东滨州人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链；
熊晓芸（1972—），女，江西南昌人，副教授，硕士，主要研究方向：大数据、嵌入式系统、区块链；
李鹏（1985—），男，山东青岛人，工程师，主要研究方向：物联网；
王金龙（1979—），男，河南巩义人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：人工智能、物联网、大数据。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(62001262);山东省重点研发计划项目(2019GGX101017)

Data management method for building internet of things based on Hashgraph

Xu WANG¹, Yumin SHEN¹, Xiaoyun XIONG¹(), Peng LI², Jinlong WANG¹

^1.School of Information and Control Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong 266525，China
^2.Qingdao ELink Information Technology Incorporated Company Limited，Qingdao Shandong 266033，China

Received:2021-06-07 Revised:2021-09-03 Accepted:2021-09-28 Online:2021-10-18 Published:2022-08-10
Contact: Xiaoyun XIONG
About author:WANG Xu， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include blockchain.
SHEN Yumin， born in 1996， M. S. candidate. His research interests include blockchain.
XIONG Xiaoyun， born in 1972， M. S.， associate professor. Her research interests include big data， embedded system， blockchain.
LI Peng， born in 1985， engineer. His research interests include Internet of Things.
WANG Jinlong， born in 1979， Ph. D.， professor. His research interests include artificial intelligence， Internet of Things， big data.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62001262);Key Research and Development Program of Shandong Province(2019GGX101017)

摘要/Abstract

摘要：

针对区块链应用于建筑物联网场景时存在的吞吐量严重不足和响应时延高的问题，提出一种基于哈希图的建筑物联网数据管理方法。该方法使用有向无环图（DAG）存储数据，从而利用图式结构的高并发特性提高区块链的吞吐量性能；引入哈希图算法对存储在DAG内的数据达成共识，从而减少共识所需时间；设计智能合约实现访问权限控制，以防止未授权用户对数据的操作。使用区块链性能测试工具Caliper进行的性能测试的结果表明：在由32个节点构成的中等规模仿真环境下，与现有边缘计算方法和跨链方法相比，所提方法的吞吐量为每秒处理1 063.1笔交易，分别为对比方法吞吐量的6倍和3倍；该方法的数据存储时延和控制时延分别为4.57 s和4.92 s，响应速度优于对比方法；该方法在尖峰冲击测试中的交易成功率为87.4%；同时基于该方法的原型系统在稳定性测试中可以平稳运行120 h。可见，所提方法可以有效提高区块链的交易吞吐量和响应速度，满足建筑物联网场景的实际使用需求。

关键词: 区块链, 建筑物联网, 哈希图, 数据管理, 有向无环图

Abstract:

A Hashgraph-based data management method for building Internet of Things （IoT） was proposed to address the problems of severe lack of throughput and high response delay when applying blockchain to the building IoT scenarios. In this method， Directed Acyclic Graph （DAG） was used for data storage to increase the throughput performance of blockchain because of the high concurrency of schematic structure； Hashgraph algorithm was applied to reach consensus on the data stored in DAG to reduce the time consumption of consensus； the smart contracts were designed to realize access control to prevent unauthorized users from operating data. Caliper， a blockchain performance testing tool， was adopted for performance test. The results show that in a medium-scale simulation environment with 32 nodes， the throughput of the proposed method is 1 063.1 transactions per second， which is 6 times and 3 times than that of the edge computing and the cross-chain methods； the data storage delay and control delay of the proposed method are 4.57 seconds and 4.92 seconds respectively， indicating that the proposed method has the response speed better than the comparison methods； and the transaction success rate of this method reaches 87.4% in spike testing. At the same time， the prototype system based on this method can run stably for 120 hours in stability testing. The above illustrates that the proposed method can effectively improve the throughput and response speed of blockchain， and meets actual needs in the building IoT scenarios.

Key words: blockchain, building Internet of Things (IoT), Hashgraph, data management, Directed Acyclic Graph (DAG)

中图分类号:

TP311.13

王旭, 申玉民, 熊晓芸, 李鹏, 王金龙. 基于哈希图的建筑物联网数据管理方法[J]. 计算机应用, 2022, 42(8): 2471-2480.

Xu WANG, Yumin SHEN, Xiaoyun XIONG, Peng LI, Jinlong WANG. Data management method for building internet of things based on Hashgraph[J]. Journal of Computer Applications, 2022, 42(8): 2471-2480.

图/表 13

图1 建筑物联网数据管理框架示意图

Fig. 1 Schematic diagram of building internet of things data management framework

图2 数据采集与存储示意图

Fig. 2 Schematic diagram of data collection and storage

图3 DCG数据统计与存储示意图

Fig. 3 Schematic diagram of DCG data statistics and storage

表1 形式化描述

Tab. 1 Formal description

符号	符号描述
$C R$	控制请求信息，由 $O p t_T y p e$ 和 $U I I$ 组成
$C R r e c o r d$	控制请求信息记录
$D e v i c e_C$	表示用户发起的设备控制命令
$D S T X i$	数据存储交易， $D S T X A$ 、 $D S T X B$ 表示DCG_A、DCG_B发起的数据存储交易
$E k$	事件，Hashgraph中各节点传播数据所使用的数据结构。例如 $E A 1$ ， $E A 2$ 表示DCG_A生成的两个事件
$E_P L H k$	事件 $E k$ 在本节点的父事件的哈希值
$E_P O H k$	事件 $E k$ 在其他节点的父事件的哈希值
$E_T S k$	事件 $E k$ 的时间戳
$E_T X L k$	事件 $E k$ 内部的交易列表，例如 $E_T X L A 1$ 表示DCG_A在 $E A 1$ 内存储的 $D S T X A$
$H C R$	$C R$ 的哈希值
$H G j$	各节点存储在本地的Hashgraph副本，用于记录全网事件历史。 $H G A$ ， $H G B$ ， $H G C$ 分别表示DCG_A、DCG_B、CS_C的本地Hashgraph副本
$O p t_T y p e$	记录用户请求执行的操作类型（数据查询、设备控制等）和操作涉及的设备组编号
$P_T a b l e$	全局权限表，记录用户访问控制权限，随着用户身份在区块链网络中的登记与注销而动态更新
$S i g x$	私钥签名，例如 $S i g H_C R$ ， $S i g E_A 1$ 分别表示对 $H C R$ 和 $E A 1$ 的私钥签名
$U I I z$	记录用户的身份信息， $U I I U s e r_O$ 表示用户O的身份信息

表1 形式化描述

Tab. 1 Formal description

符号	符号描述
$C R$	控制请求信息，由 $O p t_T y p e$ 和 $U I I$ 组成
$C R r e c o r d$	控制请求信息记录
$D e v i c e_C$	表示用户发起的设备控制命令
$D S T X i$	数据存储交易， $D S T X A$ 、 $D S T X B$ 表示DCG_A、DCG_B发起的数据存储交易
$E k$	事件，Hashgraph中各节点传播数据所使用的数据结构。例如 $E A 1$ ， $E A 2$ 表示DCG_A生成的两个事件
$E_P L H k$	事件 $E k$ 在本节点的父事件的哈希值
$E_P O H k$	事件 $E k$ 在其他节点的父事件的哈希值
$E_T S k$	事件 $E k$ 的时间戳
$E_T X L k$	事件 $E k$ 内部的交易列表，例如 $E_T X L A 1$ 表示DCG_A在 $E A 1$ 内存储的 $D S T X A$
$H C R$	$C R$ 的哈希值
$H G j$	各节点存储在本地的Hashgraph副本，用于记录全网事件历史。 $H G A$ ， $H G B$ ， $H G C$ 分别表示DCG_A、DCG_B、CS_C的本地Hashgraph副本
$O p t_T y p e$	记录用户请求执行的操作类型（数据查询、设备控制等）和操作涉及的设备组编号
$P_T a b l e$	全局权限表，记录用户访问控制权限，随着用户身份在区块链网络中的登记与注销而动态更新
$S i g x$	私钥签名，例如 $S i g H_C R$ ， $S i g E_A 1$ 分别表示对 $H C R$ 和 $E A 1$ 的私钥签名
$U I I z$	记录用户的身份信息， $U I I U s e r_O$ 表示用户O的身份信息

图4 数据传播过程

Fig. 4 Process of data propagation

表2 共识算法对比

Tab. 2 Comparison of consensus algorithms

共识	通信代价	容错性	准确性
Hashgraph	无需额外通信代价	<1/3恶意节点	由投票保证
Tendermint、PBFT等	O（n²）	<1/3恶意节点	由 $H G$ 保证

表2 共识算法对比

Tab. 2 Comparison of consensus algorithms

共识	通信代价	容错性	准确性
Hashgraph	无需额外通信代价	<1/3恶意节点	由投票保证
Tendermint、PBFT等	O（n²）	<1/3恶意节点	由 $H G$ 保证

图5 权限控制过程

Fig. 5 Process of access control

表3 软件环境配置

Tab. 3 Software environment configuration

配置项	版本
Ubuntu	18.04
go	v1.13.5
docker	v19.03.6
docker-compose	v1.17.1
Hyperledger Fabric	v2.2

图6 不同节点规模下的吞吐量比较

Fig. 6 Throughput comparison under different scales of nodes

图7 不同节点规模下的平均存储时延对比

Fig. 7 Comparison of average storage delay under different scales of nodes

表4 IBMS项目数据采样频率与数量

Tab. 4 Data-sampling frequencies and numbers of IBMS projects

采样项目	采样间隔/s	采样数
门禁系统	5	49
视频监控	5	453
照明系统	5	146
消防系统	5	115
给排水系统	10	67
新风系统	10	126
机房检测	10	105
精密空调	20	148

表5 权限表信息（部分）

Tab. 5 Information of access table （part）

实体	权限	注册时间	过期时间
U1	$S U 1 {B A S, F A S}$ $C U 1 {E G 01}$	2021-04-29T15：30	2021-05-29T15：30
U2	$S U 2 {S M S}$ $C U 2 {n u l l}$	2021-04-30T17：45	2022-04-30T17：45

表5 权限表信息（部分）

Tab. 5 Information of access table （part）

实体	权限	注册时间	过期时间
U1	$S U 1 {B A S, F A S}$ $C U 1 {E G 01}$	2021-04-29T15：30	2021-05-29T15：30
U2	$S U 2 {S M S}$ $C U 2 {n u l l}$	2021-04-30T17：45	2022-04-30T17：45

图8 不同节点规模下的平均控制时延对比

Fig. 8 Comparison of average control delay under different scales of nodes

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Data management method for building internet of things based on Hashgraph

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