TrustMesh：適用於開放式異構物聯網環境的區塊鏈賦能可信賴分散式運算框架

核心概念

TrustMesh 是一個針對異構物聯網環境設計的區塊鏈賦能分散式運算框架，透過結合許可制區塊鏈和創新的多階段 PBFT 共識協議，在確保拜占庭容錯的同時，實現了靈活的資源分配和安全的任務調度。

摘要

TrustMesh：適用於開放式異構物聯網環境的區塊鏈賦能可信賴分散式運算框架

論文概述

本論文介紹了 TrustMesh，這是一個針對開放式異構物聯網環境設計的區塊鏈賦能可信賴分散式運算框架。隨著物聯網生態系統的規模和複雜性不斷增長，確保數據完整性、維護信任和提供嚴格的可審計性已成為首要問題，尤其是在無法假設集中式信任的環境中。TrustMesh 透過結合許可制區塊鏈和創新的多階段實用拜占庭容錯（PBFT）共識協議，解決了這些挑戰。

TrustMesh 架構

TrustMesh 採用三層架構：

• **網路管理層：**負責系統設置、配置和應用程式管理。管理員可以使用此層來部署新的應用程式映像、實例化容器、重新啟動失敗的應用程式實例，以及從網路中移除應用程式或其映像。
• **運算層：**構成了 TrustMesh 的基礎，由參與區塊鏈網路的運算節點組成。此層又分為三個子層：
  • **數據子層：**管理持久性和臨時性儲存需求。
  • **共識子層：**採用 PBFT 來確保所有操作的一致性，並使用一種新穎的協議來處理基於非確定性方法（例如機器學習演算法）的調度決策。
  • **服務子層：**透過事件處理程式、排程程序和訂閱者的組合來驅動運算節點的操作邏輯。
• **感知層：**作為 TrustMesh 框架與物理環境之間的介面，物聯網節點在此層中充當數據生產者和處理結果的消費者。

TrustMesh 的優勢

TrustMesh 提供了以下優勢：

• **安全性：**透過區塊鏈技術和 PBFT 共識協議，確保數據完整性和系統可靠性。
• **靈活性：**支援非確定性調度演算法，允許使用機器學習和啟發式方法進行資源分配。
• **可審計性：**所有操作都記錄在區塊鏈上，提供透明且不可篡改的審計追蹤。

評估

論文透過一個真實世界的冷鏈監控場景對 TrustMesh 進行了實驗評估。結果顯示，TrustMesh 成功地維持了拜占庭容錯，故障檢測延遲低於 150 毫秒，同時在不同的運算負載和網路規模下保持了一致的框架開銷。

總結

TrustMesh 是一個適用於開放式異構物聯網環境的創新分散式運算框架。它結合了區塊鏈技術和先進的共識協議，在確保安全性和可靠性的同時，提供了靈活性和可審計性。

統計資料

平均網路延遲為 5.12 毫秒。
感知層和運算層之間的平均延遲為 12.2 毫秒。
運算層的 CPU 使用率在運行過程中穩定在 45% 左右。
在 16 個節點的配置中，框架開銷時間在所有三種工作負載變化中均保持在約 4.2 秒。
在模擬拜占庭行為的實驗中，系統檢測並拒絕了 100% 的未經授權嘗試，且沒有出現誤報。
檢測延遲（惡意提案與網路檢測之間的時間）在兩種攻擊場景中分別為 127 ± 15 毫秒和 142 ± 18 毫秒。
恢復時間（直到創建新的有效時間表為止的時間）在兩種攻擊場景中分別為 5.23 ± 0.12 秒和 5.31 ± 0.15 秒。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

TrustMesh: A Blockchain-Enabled Trusted Distributed Computing Framework for Open Heterogeneous IoT Environments

by Murtaza Rang... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13039.pdf

深入探究

TrustMesh 如何應對物聯網設備資源受限的挑戰，特別是在處理區塊鏈運算方面？

TrustMesh 透過多種設計策略來應對物聯網設備資源受限的挑戰：

輕量級區塊鏈平台: TrustMesh 選擇 Hyperledger Sawtooth 作為其區塊鏈平台，相較於 Ethereum 或 Fabric，Sawtooth 具有更高的交易吞吐量和更低的延遲，更適合資源受限的邊緣設備。
零進程感知層: TrustMesh 的感知層採用零進程設計，物聯網節點在預設情況下不運行任何進程，僅在需要時才載入輕量級函式庫進行數據處理和加密操作，最大程度地減少資源消耗。
混合數據存儲架構: TrustMesh 結合 CouchDB 和 Redis，僅將必要數據持久化存儲，並利用 Redis 的高效緩存機制來加速數據訪問，減輕區塊鏈的存儲和計算壓力。
分層架構: TrustMesh 的三層架構將計算密集型任務分配給計算能力較強的計算節點，而感知層的物聯網節點僅負責數據採集和結果接收，有效分擔了區塊鏈運算負擔。
批次處理: TrustMesh 將資源狀態更新等信息進行批次處理，並定期提交至區塊鏈，而非每次更新都記錄，減少了區塊鏈的交易數量和頻率，降低了資源消耗。
總體而言，TrustMesh 透過選擇合適的技術、優化系統架構和數據處理流程，有效地減輕了區塊鏈運算對物聯網設備的資源壓力，使其能夠在資源受限的環境中運行。

如果網路中的拜占庭節點數量超過三分之一，TrustMesh 的安全性是否仍然得到保障？

如果網路中的拜占庭節點數量超過三分之一，TrustMesh 的安全性將無法得到完全保障。
TrustMesh 的共識子層採用 PBFT 算法，該算法的容錯上限為網路中最多三分之一的節點出現拜占庭錯誤。當拜占庭節點數量超過這個閾值時，PBFT 算法將無法保證共識的達成，攻擊者將有可能控制網路，進而影響數據完整性和系統安全性。
在這種情況下，TrustMesh 需要採取其他安全措施來應對，例如：

身份驗證和授權: 加强對節點身份的驗證，並限制惡意節點的權限，防止其發起攻擊。
入侵檢測和隔離: 部署入侵檢測系統，監控網路中的異常行為，並及時隔離可疑節點，阻止攻擊擴散。
冗餘備份: 對關鍵數據和服務進行冗餘備份，即使部分節點遭到攻擊，也能夠保證系統的可用性和數據的完整性。
總之，當拜占庭節點數量超過三分之一時，TrustMesh 需要結合其他安全機制來彌補 PBFT 算法的不足，才能有效抵禦攻擊，保障系統安全。

TrustMesh 的設計理念是否可以應用於其他需要安全性和靈活性的分散式系統，例如供應鏈管理或醫療保健系統？

是的，TrustMesh 的設計理念可以應用於其他需要安全性和靈活性的分散式系統，例如供應鏈管理或醫療保健系統。其核心設計理念包括：

去中心化信任: TrustMesh 使用區塊鏈技術構建去中心化信任框架，無需依賴中心化機構，這對於多方參與、缺乏互信的供應鏈管理和醫療保健系統尤為重要。
數據安全和隱私: TrustMesh 採用加密技術、數據完整性驗證和細粒度訪問控制等安全機制，確保數據在傳輸和存儲過程中的安全性和隱私，這對於處理敏感信息的醫療保健系統至關重要。
靈活的工作流程: TrustMesh 支持基於 DAG 的工作流程定義，可以靈活地配置數據處理流程，滿足供應鏈管理中不同環節的特定需求，以及醫療保健系統中複雜的數據分析和處理流程。
可擴展性和異構性: TrustMesh 的分層架構和容器化部署方式使其具有良好的可擴展性和異構性，可以適應供應鏈管理中不同規模的企業和不同類型的設備，以及醫療保健系統中不同醫療機構和數據源的整合。
以下是一些 TrustMesh 在供應鏈管理和醫療保健系統中的應用場景：

供應鏈管理: TrustMesh 可以追蹤產品從生產到銷售的整個流程，記錄每個環節的數據，確保數據的透明度和可追溯性，防止偽造和篡改，提高供應鏈的效率和安全性。
醫療保健系統: TrustMesh 可以安全地存儲和共享病歷、診斷信息和治療方案等敏感數據，同時保障患者隱私和數據安全，促進醫療機構之間的協作，提高醫療服務質量。
總之，TrustMesh 的設計理念具有普適性，可以應用於各種需要安全性和靈活性的分散式系統，為其提供可靠的數據安全保障和靈活的系統架構。