一种基于IOTA区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法

本发明属于信息通信，具体涉及一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，适应于大规模业务融合的物联网。

背景技术：

1、随着物联网的发展，越来越多的设备连接到互联网，例如智能汽车、智能家居设备、安防监控设备、智慧医疗设备、智能电网监控设备、智能交通设备等。这些设备会产生大量的数据，如果能够有效地将这些数据进行联合应用，将会产生巨大的利用价值。例如，综合利用智能交通的数据可以提前预知用户的目的地，从而对电网进行电力供应的调度和需求响应，同时进一步可以对智能家居设备的用电进行动态调节，降低用电成本，缓解电网高峰压力；利用智能家居和安防监控等数据可以辅助智能交通系统对车辆导航进行整体路径规划，尽可能减少拥堵等；综合利用所有的物联网数据辅助智慧城市建设以及城市运营、管理、规划等。因此，如何在没有预先建立信任的情况下，融合各个领域的不同需求，实现跨领域、安全可信的数据的共享，以促进各领域之间自主、可靠的数据交互和共享经济体系构成了一项重大挑战。

2、区块链技术开放、透明、可追溯、防篡改，无论是人还是机器，都可以通过区块链系统实现可信的价值交换和数据共享。利用区块链技术及其激励机制建立一种“我为人人，人人为我”的开放、共享的生态体系。目前，区块链已经被大量应用在金融、健康医疗、供应链、资产管理等诸多领域，但是受吞吐量、网络孤立性、监管、伸缩性等因素的制约，目前的区块链项目难以承载大规模的商业落地。在区块链所面临的诸多问题中，跨链互操作性是阻碍区块链应用程序广泛采用的关键挑战之一。

3、因此，急需要一种新的区块链架构，打破区块链孤岛，实现区块链的互操作性，目前主流的跨链技术有三种:公证机制、哈希锁定和侧链/中继，然而这三种区块链技术都是在传统区块链的基础上进行的改进，受传统区块链本身固有缺陷的限制，无法同时实现原子交换，资产转移和信息的充分共享，难以满足大规模物联网多业务融合的需求。而专为物联网开发的iota区块链，打破了传统区块链的链式结构，采用有向无环图的存储方式，允许所有的节点随时，随地，并发地向分布式账本中写入数据，且写入账本中的数据不再由区块链中的节点验证，而是由后续的交易验证，使得iota打破了区块链的“不可能三角”，同时达到了安全、去中心化和可扩展三方最优，它具有0交易费用、资源占用低、共识时间短，网络吞吐量大，抗量子级加密等优点。然而，目前的iota只适用于单个领域，而无法满足多业务融合的需求。

技术实现思路

1、本发明基于iota设计了一个融合多领域、面向大规模分布式物联网、可信、多链、智能、高效的区块链架构。有效的解决了区块链吞吐量低，无法通用的问题，实现不同领域区块链的低成本可信互通，建立安全的共享生态模型，提高了系统吞吐量。

2、一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，包括如下步骤：

3、步骤1，基于iota设计区块链架构，将iota区块链分为分布式身份信息did链和若干个应用链，一个节点有不同的did，并将did信息在did链中进行注册，节点在不同应用链中选择性地上传部分个人信息来保护用户个人隐私；对于链内交易，当设备链接到区块链之后，首先由did字符，所属的应用链和应用链专属id组成生成的did信息，并创建did文件；跨链交互包括原子交易、资产转移、跨链数字共享三部分；

4、步骤2，从共识时间、吞吐量、安全性、跨链交互效率分析新架构的性能；采用随机网络演算理论分析节点的一跳时延，根据iota共识流程计算一个应用链中iota的共识时间，并在事件到达率较大的情况下，推导出网络的可以承载的最大吞吐量，并计算出恶意节点寄生链攻击成功所需要的事件达到率；

5、步骤3，采用定向传播的方法代替iota的谣言算法；一个应用链中的数据只需要传输到此链中的节点，即一个应用链中的节点每次定向传输给他的虚拟邻居节点。

6、本发明达到的有益效果为：

7、(1)基于iota设计了一个融合多领域、面向大规模分布式物联网、可信、多链、智能、高效的区块链架构，该网络架构实现了不同领域区块链的低成本可信互通，建立安全的共享生态模型。

8、(2)从共识时间，吞吐量，安全性，跨链交互效率几个方面，分析了新架构的性能，为区块链的落地提供了理论基础。

9、(3)提出了以定向传播的方法代替iota的谣言算法，降低了网络开销。

技术特征：

1.一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤1中，链内交易包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤1中，对于原子交易，当节点a希望与节点b进行交易时，其具体流程如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤1中，对于资产转移，当节点a希望将其资产转移到其他域的应用链为例，其具体流程如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤1中，对于跨链数据共享，任意节点自由查看iota中的任何应用链，iota中每条应用链上的数据得到综合利用。

6.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤2中，对于共识时间，网络中的节点数为n，网络中有d＝{1,2,3,…，d}条应用链，每个应用链的节点个数为nd，节点到虚拟邻居节点的平均转发跳数为k，节点到虚拟邻居节点的平均时延为td，网络的共识时间为tcd；网络中的末端交易总数量r0d＝2λdshd趋于稳定，其中，为应用链d中总的事件到达率，hd为应用链d中事件写入iota的平均时间，应用链d的共识时间为

7.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤2中，对于系统吞吐量，由于iota交易共识是由后面的交易验证前面的交易，对于应用链d，网络中tips总数量为r0d，网络的共识时间为tcd，则应用链d的吞吐量

8.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤2中，对于安全性，目的在于解决双花问题，且对于应用链d，寄生链攻击成功的概率为

9.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤2中，对于跨链交互效率，资产转移需要两个共识时间，假设资产从应用链i转移到应用链j，则资产转移的共识时间为则资产转移的共识时间为原应用链的共识时间和新应用链的共识时间之和，即

10.根据权利要求1所述的一种基于iota区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，其特征在于：步骤3中，对于网络中的两个应用链1和应用链2，在传输数据时，应用链1中的数据只需要传给应用链1中的节点。

技术总结
一种基于IOTA区块链面向大规模物联网的跨链架构设计及性能分析方法，基于IOTA设计了一个融合多领域、面向大规模分布式物联网、可信、多链、智能、高效的区块链架构，实现了不同领域区块链的低成本可信互通，建立安全的共享生态模型。并用随机演算理论推导出一跳传输的时延，从共识时间，吞吐量，安全性，跨链交互效率几个方面，分析了新架构的性能，为区块链的落地提供了理论基础。同时，为了加快信息传播、降低网络开销，综合考虑实际网络拓扑结构提出了以定向传播的方法代替IOTA的谣言算法，降低了网络开销。

技术研发人员：朱晓荣,张秀贤,李海铭
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14