适用于物联网的区块链轻量化技术综述

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023121817

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (12): 3688-3698.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023121817

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适用于物联网的区块链轻量化技术综述

陈姿芊¹, 牛科迪¹, 姚中原¹(), 斯雪明¹^,²

^1.中原工学院前沿信息技术研究院，郑州 450007
^2.河南省区块链与数据共享国际联合实验室（中原工学院），郑州 450007

收稿日期:2023-12-29 修回日期:2024-01-12 接受日期:2024-01-23 发布日期:2024-04-19 出版日期:2024-12-10
通讯作者: 姚中原
作者简介:陈姿芊（1998—），女，浙江温州人，硕士研究生，主要研究方向：区块链
牛科迪（2000—），女，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向：区块链，共识算法
斯雪明（1966—），男，浙江诸暨人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：密码学、区块链。
基金资助:
国家重点研发计划“区块链”专项(2023YFB2703600)

Review of blockchain lightweight technology applied to internet of things

Ziqian CHEN¹, Kedi NIU¹, Zhongyuan YAO¹(), Xueming SI¹^,²

^1.The Frontier Information Technology Research Institute，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China
^2.Henan International Joint Laboratory of Blockchain and Data Sharing （Zhongyuan University of Technology），Zhengzhou Henan 450007，China

Received:2023-12-29 Revised:2024-01-12 Accepted:2024-01-23 Online:2024-04-19 Published:2024-12-10
Contact: Zhongyuan YAO
About author:CHEN Ziqian， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include blockchain.
NIU Kedi， born in 2000， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， consensus algorithm.
SI Xueming， born in 1966， Ph. D.， professor. His research interests include cryptology， blockchain.
Supported by:
National Key Research and Development Program on Blockchain(2023YFB2703600)

摘要/Abstract

摘要：

区块链技术凭借去中心化和加密等特性被用于物联网（IoT），然而传统区块链在IoT环境下存在扩展性差、延迟高、密码组件消耗高、共识计算复杂和数据存储规模大等问题。针对传统区块链在IoT设备中性能不佳的问题，对区块链轻量化技术进行综述。首先，将区块链架构分为单链结构和有向无环图（DAG）结构，并比较了两类区块链架构中的轻量化操作；其次，从迭代结构、压缩函数和硬件实现方面分析轻量级hash函数；再次，介绍共识算法和存储中的轻量化方案；最后，结合文献调研成果归纳总结区块链轻量化技术的设计思路，展望未来的研究方向。

关键词: 区块链, 物联网, 轻量化, hash函数, 共识算法, 存储可扩展性

Abstract:

Blockchain technology is used in Internet of Things （IoT） due to its characteristics of decentralization and encryption. However， the traditional blockchain has problems such as poor scalability， high latency， high consumption of cryptographic components， complex consensus computing and large data storage scale in IoT environment. In view of the poor performance of traditional blockchain in IoT devices， the lightweight technology of blockchain was reviewed. Firstly， the blockchain architectures were divided into single-chain structure and Directed Acyclic Graph （DAG） structure， and the lightweight operations in the two types of blockchain architectures were compared. Secondly， the lightweight hash function was analyzed from the perspectives of iterative structure， compression function and hardware implementation. Thirdly， the consensus algorithms and the lightweight schemes in storage were introduced. Finally， the design ideas of blockchain lightweight technology were summarized based on the literature research results， and the future research directions were prospected.

Key words: blockchain, Internet of Things (IoT), lightweight, hash function, consensus algorithm, storage scalability

中图分类号:

TP311.13

陈姿芊, 牛科迪, 姚中原, 斯雪明. 适用于物联网的区块链轻量化技术综述[J]. 计算机应用, 2024, 44(12): 3688-3698.

Ziqian CHEN, Kedi NIU, Zhongyuan YAO, Xueming SI. Review of blockchain lightweight technology applied to internet of things[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3688-3698.

图/表 8

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Javaid等^［20］	单链	dPoW	检查点机制	适用于大规模、高频率的交易
Seok等^［21］	单链	—	节点分工：单元节点、存储节点；可选择轻量级 hash函数	可删除旧的分类账部分内容
LightChain^［25］	LB（单链）	SMP	UBOF	使用LB代替整个区块进行广播，可以节省高达90.55%的网络使用率；UBOF可以卸载高达43.35%的存储资源消耗
IoTeX^［26-27］	单链	Roll-DPoS	可转发的支付代码、HTLC、安全多方计算协议和 Pedersen密码学承诺	多链架构
Oktian等^［28］	单链	—	节点分工：公证节点、代理节点	分层多链架构
Iota^［29］	tangle（DAG）	PoW （Proof of Work）	—	高可伸缩性；无费用；近乎即时传输
Nano^［31］	块格（DAG）	dPoS（delegated Proof of Stake）	剪枝机制；账户链	交易吞吐量没有固定的上限；所有历史数据都可删除
Hashgraph^［32］	DAG	虚拟投票	支持嵌套的gossip协议	节点存储少量数据；交易快
Kriper^［33］	DAG	PoSt、信誉机制	分层：处理层和存储层； LMS签名	挖矿难度最低，出块速度高
Spacechain^［34］	DAG	3D-GHOST	三维账本架构；接触度CD衡量连通性；节点分工：宏块、微块	克服了物联网中的异构性
Vegvisir^［35］	DAG	Proof of Witness	—	可将部分DAG卸载到支持区块链

名称	结构	共识算法	特点	优点
LBA^［18-19］	单链	分层共识	节点分工：决策层、执行层；采用基于DHT的树状结构网络；自定义事务模块	扩展性和容错性好；灵活性高，可根据场景需求定义不同的区块链功能
Javaid等^［20］	单链	dPoW	检查点机制	适用于大规模、高频率的交易
Seok等^［21］	单链	—	节点分工：单元节点、存储节点；可选择轻量级 hash函数	可删除旧的分类账部分内容
LightChain^［25］	LB（单链）	SMP	UBOF	使用LB代替整个区块进行广播，可以节省高达90.55%的网络使用率；UBOF可以卸载高达43.35%的存储资源消耗
IoTeX^［26-27］	单链	Roll-DPoS	可转发的支付代码、HTLC、安全多方计算协议和 Pedersen密码学承诺	多链架构
Oktian等^［28］	单链	—	节点分工：公证节点、代理节点	分层多链架构
Iota^［29］	tangle（DAG）	PoW （Proof of Work）	—	高可伸缩性；无费用；近乎即时传输
Nano^［31］	块格（DAG）	dPoS（delegated Proof of Stake）	剪枝机制；账户链	交易吞吐量没有固定的上限；所有历史数据都可删除
Hashgraph^［32］	DAG	虚拟投票	支持嵌套的gossip协议	节点存储少量数据；交易快
Kriper^［33］	DAG	PoSt、信誉机制	分层：处理层和存储层； LMS签名	挖矿难度最低，出块速度高
Spacechain^［34］	DAG	3D-GHOST	三维账本架构；接触度CD衡量连通性；节点分工：宏块、微块	克服了物联网中的异构性
Vegvisir^［35］	DAG	Proof of Witness	—	可将部分DAG卸载到支持区块链

密码算法	迭代结构	压缩函数	摘要位数	Area/GE
Ascon-Hash （每周期1轮置换）^［37］	Sponge	SPN	320	773
Ascon-Hash （每周期2轮置换）^［37］	Sponge	SPN	320	1 290
PHOTON-Beetle-Hash （并行化）^［41］	Beetle	PHOTON256	256	998
PHOTON-Beetle-Hash （序列化）^［41］	Beetle	PHOTON256	256	602
Romulus^［43］	MDPH	Skinny-128/384+	—	—
Esch（并行化）^［47］	Sponge	Sparkle	256	2 015
Esch（序列化）^［47］	Sponge	Sparkle	256	1 530
Esch（混合）^［47］	Sponge	Sparkle	256	1 656
Esch（并行化）^［47］	Sponge	Sparkle	384	2 665
Esch（序列化）^［47］	Sponge	Sparkle	384	1 762
Esch（混合）^［47］	Sponge	Sparkle	384	1 931
Xoodyak （每周期1轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	678
Xoodyak （每周期2轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	1 192
Xoodyak （每周期3轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	1 701
LNHASH^［53］	Sponge	CA	96	927
LNHASH^［53］	Sponge	CA	128	1 224
LNHASH^［53］	Sponge	CA	160	1 539
赵太飞等^［54］	Sponge	S盒代换、移位、位排列	64	1 042
LNMNT^［61-63］	Sponge	NMNT	128	—
ALIT-Hash^［65］	Beetle	Saturnin	256	—
TJUILIK-Hash^［65］	Beetle	Saturnin	256	—

密码算法	迭代结构	压缩函数	摘要位数	Area/GE
Ascon-Hash （每周期1轮置换）^［37］	Sponge	SPN	320	773
Ascon-Hash （每周期2轮置换）^［37］	Sponge	SPN	320	1 290
PHOTON-Beetle-Hash （并行化）^［41］	Beetle	PHOTON256	256	998
PHOTON-Beetle-Hash （序列化）^［41］	Beetle	PHOTON256	256	602
Romulus^［43］	MDPH	Skinny-128/384+	—	—
Esch（并行化）^［47］	Sponge	Sparkle	256	2 015
Esch（序列化）^［47］	Sponge	Sparkle	256	1 530
Esch（混合）^［47］	Sponge	Sparkle	256	1 656
Esch（并行化）^［47］	Sponge	Sparkle	384	2 665
Esch（序列化）^［47］	Sponge	Sparkle	384	1 762
Esch（混合）^［47］	Sponge	Sparkle	384	1 931
Xoodyak （每周期1轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	678
Xoodyak （每周期2轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	1 192
Xoodyak （每周期3轮置换）^［48］	Sponge	Xoodoo	128	1 701
LNHASH^［53］	Sponge	CA	96	927
LNHASH^［53］	Sponge	CA	128	1 224
LNHASH^［53］	Sponge	CA	160	1 539
赵太飞等^［54］	Sponge	S盒代换、移位、位排列	64	1 042
LNMNT^［61-63］	Sponge	NMNT	128	—
ALIT-Hash^［65］	Beetle	Saturnin	256	—
TJUILIK-Hash^［65］	Beetle	Saturnin	256	—

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[3]	张勇进, 徐健, 张明星. 面向轻量化的改进YOLOv7棉杂检测算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(7): 2271-2278.
[4]	黄河, 金瑜. 基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(7): 2093-2101.
[5]	程小辉, 黄云天, 张瑞芳. 基于多尺度和加权坐标注意力的轻量化红外道路场景检测模型[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(6): 1927-1934.
[6]	李皎, 张秀山, 宁远航. 降低跨分片交易比例的区块链分片方法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(6): 1889-1896.
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[10]	赵莉朋, 郭兵. 基于BDLS的区块链共识改进算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(4): 1139-1147.
[11]	陈美宏, 袁凌云, 夏桐. 基于主从多链的数据分类分级访问控制模型[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(4): 1148-1157.
[12]	高改梅, 张瑾, 刘春霞, 党伟超, 白尚旺. 基于区块链与CP-ABE策略隐藏的众包测试任务隐私保护方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(3): 811-818.
[13]	黄子杰, 欧阳, 江德港, 郭彩玲, 李柏林. 面向牵引座焊缝表面质量检测的轻量型深度学习算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(3): 983-988.
[14]	马海峰, 李玉霞, 薛庆水, 杨家海, 高永福. 用于实现区块链隐私保护的属性基加密方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(2): 485-489.
[15]	张成涵宇, 林钰哲, 谭程珂, 王俊帆, 顾烨婷, 董哲康, 高明煜. 基于轻量化YOLOv5的新型菜品识别网络[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(2): 638-644.

适用于物联网的区块链轻量化技术综述

Review of blockchain lightweight technology applied to internet of things

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摘要/Abstract

引用本文

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图/表 8

参考文献 94

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Metrics

共识算法	区块结构	共识方法	可扩展性	安全性
PoBT	单链	动态选举共识节点	高	中
PoT	单链	指定时间内收集所有的有效证明交易	高	高
PoAh	单链	基于加密认证机制进行共识	高	中
Tree-chain	平行链	基于共识代码收集交易信息	高	高
PoCh	单链	基于两次机会获得区块记账权	高	高