P-Dledger： blockchain edge node security architecture

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2024111579

Abstract

Abstract:

In response to the issues of open deployment environment， weak security measures， vulnerability to security attacks， and insufficient computing and network resources of blockchain edge nodes， a blockchain security architecture based on Trusted Execution Environment （TEE）， named P-Dledger， was proposed. In this architecture， by constructing a two-stage trust chain， the trustworthiness of the loaded components was ensured on the basis of meeting requirements for convenient software iteration； by constructing a trustworthy execution framework for smart contracts and a trustworthy data storage based on Serial Peripheral Interface Not OR Flash （SPI NOR Flash）， the trustworthy computation of smart contracts and the secure storage of data were guaranteed. Additionally， a monotonically increasing unique identifier was assigned to consensus proposals to restrict the behavior of Byzantine nodes. Experimental and analysis results demonstrate that this architecture ensures the security and trustworthiness of loaded entities， ledger data， and execution processes. When the network latency exceeds 60 ms or the number of nodes is greater than 8， P-Dledger achieves higher throughput than blockchain systems employing Practical Byzantine Fault Tolerance （PBFT） algorithm， and P-Dledger has more stable performance as network latency and the number of nodes increase.

Key words: blockchain, edge node, Trusted Execution Environment (TEE), consensus protocol, Byzantine fault

摘要：

针对区块链边缘节点的部署环境开放、安全措施薄弱、易受到安全攻击，以及计算和网络资源不足等问题，提出一种基于可信执行环境（TEE）的区块链安全架构P-Dledger。该架构通过构建两阶段的信任链，在满足软件便捷迭代的基础上，确保加载部件的可信；通过实现智能合约可信执行框架以及基于串行外设接口或非门存储器（SPI NOR Flash）的数据可信存储，保证智能合约的可信计算与数据的可信存储；同时，为共识提案赋予单调递增的唯一标识，限制拜占庭节点的行为。实验与分析结果表明：所提架构确保了加载主体、账本数据与执行过程的安全可信；当网络延时大于60 ms或节点数大于8时，P-Dledger比采用拜占庭容错（PBFT）算法的区块链系统的吞吐量更高，且随着网络延时与节点数的增加，P-Dledger性能表现更稳定。

关键词: 区块链, 边缘节点, 可信执行环境, 共识协议, 拜占庭故障

CLC Number:

TP302

Di WANG. P-Dledger： blockchain edge node security architecture[J]. Journal of Computer Applications, 2025, 45(8): 2630-2636.

王迪. 区块链边缘节点安全架构P-Dledger[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2025, 45(8): 2630-2636.

Figures/Tables 13

Tab. 1 Comparison of security requirements between traditional nodes and edge nodes

区块链架构	传统节点安全需求	边缘节点安全需求
应用层	无故障	防止恶意代码注入
合约层	避免智能合约漏洞	执行过程安全
共识层	一致性、有效性、活性	低计算及网络开销
网络层	数据可信传递	防止身份伪造
数据层	保密性、完整性、可用性	防止物理手段的数据窃取

Fig. 1 Blockchain architecture based on TEE

Fig. 2 Trusted boot flow

Fig. 3 Smart contract architecture based on TEE

Fig. 4 Structure of SPI NOR Flash file system index

Fig. 5 Encryption and decryption processes

Fig. 6 Unique serial number generation TA

Fig. 7 Hierarchical verification after trust chain tampering

Fig. 8 Stealing account data

Fig. 9 Reading secure memory from REE

Tab. 2 Comparison of key access time between REE and TEE

存取位置	读取密钥耗时	存储密钥耗时
REE	1.17	70.58
TEE	76.67	152.67

Fig. 10 Throughput comparison under different network latencies

Fig. 11 Throughput comparison with different numbers of nodes

References 29

[1]	HEILMAN E， KENDLER A， ZOHAR A， et al. Eclipse attacks on bitcoin’s peer-to-peer network［C］// Proceedings of the 24th USENIX Security Symposium. Berkeley： USENIX Association， 2015： 129-144.
[2]	LAMPORT L， SHOSTAK R， PEASE M. The Byzantine generals problem［J］. ACM Transactions on Programming Languages and Systems， 1982， 4（3）： 382-401.
[3]	NAKAMOTO S. Bitcoin： a peer-to-peer electronic cash system［EB/OL］. ［2024-07-13］..
[4]	Index Hashrate. Hashrate Index’s homepage［EB/OL］. ［2024-07-13］..
[5]	CASTRO M， LISKOV B. Practical Byzantine fault tolerance and proactive recovery［J］. ACM Transactions on Computer Systems， 2002， 20（4）： 398-461.
[6]	冯了了，丁滟，刘坤林，等. 区块链BFT共识算法研究进展［J］. 计算机科学， 2022， 49（4）：329-339.
	FENG L L， DING Y， LIU K L， et al. Research advance on BFT consensus algorithms［J］. Computer Science， 2022， 49（4）： 329-339.
[7]	佟兴，张召，金澈清，等. 面向端边云协同架构的区块链技术综述［J］. 计算机学报， 2021， 44（12）：2345-2366.
	TONG X， ZHANG Z， JIN C Q， et al. Blockchain for end-edge-cloud architecture： a survey［J］. Chinese Journal of Computers， 2021， 44（12）： 2345-2366.
[8]	DOUCEUR J R. The Sybil attack［C］// Proceedings of the 2002 International Workshop on Peer-to-Peer Systems， LNCS 2429. Berlin： Springer， 2002： 251-260.
[9]	LUU L， CHU D H， OLICKEL H， et al. Making smart contracts smarter［C］// Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. New York： ACM， 2016： 254-269.
[10]	LAMPORT L. How to make a multiprocessor computer that correctly executes multiprocess programs［J］. IEEE Transactions on Computers， 1979， C-28（9）： 690-691.
[11]	韩璇，袁勇，王飞跃. 区块链安全问题：研究现状与展望［J］. 自动化学报， 2019， 45（1）：206-225.
	HAN X， YUAN Y， WANG F Y. Security problems on blockchain： the state of the art and future trends［J］. Acta Automatica Sinica， 2019， 45（1）： 206-225.
[12]	朱立，俞欢，詹士潇，等. 高性能联盟区块链技术研究［J］. 软件学报， 2019， 30（6）：1577-1593.
	ZHU L， YU H， ZHAN S X， et al. Research on high-performance consortium blockchain technology［J］. Journal of Software， 2019， 30（6）： 1577-1593.
[13]	TANG S， WANG Z， JIANG J， et al. Improved PBFT algorithm for high-frequency trading scenarios of alliance blockchain［J］. Scientific Reports， 2022， 12： No.4426.
[14]	KOKORIS-KOGIAS E， JOVANOVIC P， GAILLY N， et al. Enhancing bitcoin security and performance with strong consistency via collective signing［C］// Proceedings of the 25th USENIX Security Symposium. Berkeley： USENIX Association， 2016： 279-296.
[15]	夏清，窦文生，郭凯文，等. 区块链共识协议综述［J］. 软件学报， 2021， 32（2）：277-299.
	XIA Q， DOU W S， GUO K W， et al. Survey on blockchain consensus protocol［J］. Journal of Software， 2021， 32（2）： 277-299.
[16]	XU G， BAI H， XING J， et al. SG-PBFT： a secure and highly efficient distributed blockchain PBFT consensus algorithm for intelligent Internet of vehicles［J］. Journal of Parallel and Distributed Computing， 2022， 164： 1-11.
[17]	张锋巍，周雷，张一鸣，等. 可信执行环境：现状与展望［J］. 计算机研究与发展， 2024， 61（1）：243-260.
	ZHANG F W， ZHOU L， ZHANG Y M， et al. Trusted execution environment： state-of-the-art and future directions［J］. Journal of Computer Research and Development， 2024， 61（1）： 243-260.
[18]	VERONESE G S， CORREIA M， BESSANI A N， et al. Efficient Byzantine fault-tolerance［J］. IEEE Transactions on Computers， 2013， 62（1）： 16-30.
[19]	FU X， WANG H M， SHI P C， et al. TEEgraph： trusted execution environment and directed acyclic graph-based consensus algorithm for IoT blockchains［J］. SCIENCE CHINA Information Sciences， 2022， 65（3）： No.139104.
[20]	MÜLLER C， BRANDENBURGER M， CACHIN C， et al. TZ4Fabric： executing smart contracts with ARM TrustZone［C］// Proceedings of the 2020 International Symposium on Reliable Distributed Systems. Piscataway： IEEE， 2020： 31-40.
[21]	CHENG R， ZHANG F， KOS J， et al. Ekiden： a platform for confidentiality-preserving， trustworthy， and performant smart contracts［C］// Proceedings of the 2019 IEEE European Symposium on Security and Privacy. Piscataway： IEEE， 2019： 185-200.
[22]	RUSSINOVICH M， ASHTON E， AVANESSIANS C， et al. CCF： a framework for building confidential verifiable replicated services［EB/OL］. ［2024-07-30］..
[23]	XIE H， ZHENG J， ZHANG Z， et al. TEDA： a trusted execution environment-and-blockchain-based data protection architecture for Internet of Things［J］. Computing， 2024， 106（3）： 939-960.
[24]	杨保绚，董攀，张利军，等. 基于TrustZone的安全应用性能优化［J］. 计算机工程与科学， 2020， 42（12）：2141-2150.
	YANG B X， DONG P， ZHANG L J， et al. Performance optimization of secure application based on TrustZone［J］. Computer Engineering and Science， 2020， 42（12）： 2141-2150.
[25]	杨霞，雷林，吴新勇，等. 采用数字签名技术的可信启动方法研究［J］. 电子科技大学学报， 2016， 45（3）：448-452.
	YANG X， LEI L， WU X Y， et al. Research on the trusted-boot technology using digital signature technique［J］. Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2016， 45（3）： 448-452.
[26]	郑显义，李文，孟丹. TrustZone技术的分析与研究［J］. 计算机学报， 2016， 39（9）：1912-1928.
	ZHENG X Y， LI W， MENG D. Analysis and research on TrustZone technology［J］. Chinese Journal of Computers， 2016， 39（9）： 1912-1928.
[27]	王迪，惠怀海，罗艺，等. 一种基于TEE的区块链智能合约架构设计［J］. 通信技术， 2023， 56（3）：351-356.
	WANG D， HUI H H， LUO Y， et al. A TEE-based blockchain smart contract architecture design［J］. Communications Technology， 2023， 56（3）： 351-356.
[28]	靳世雄，张潇丹，葛敬国，等. 区块链共识算法研究综述［J］. 信息安全学报， 2021， 6（2）： 85-100.
	JIN S X， ZHANG X D， GE J G， et al. Overview of blockchain consensus algorithm［J］. Journal of Cyber Security， 2021， 6（2）： 85-100.
[29]	田国华，胡云瀚，陈晓峰. 区块链系统攻击与防御技术研究进展［J］.软件学报， 2021， 32（5）：1495-1525.
	TIAN G H， HU Y H， CHEN X F. Research progress on attack and defense techniques in block-chain system［J］. Journal of Software， 2021， 32（5）： 1495-1525.