[论文解读] What is a Blockchain? A Definition to Clarify the Role of the Blockchain in the Internet of Things

Lorenzo Ghiro, Francesco Restuccia+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 146被引用 11

一句话总结

本文基于三个核心要素——强分布式共识、完整的公开交易历史记录以及开放匿名性，提出了对区块链的严格定义。文章认为，只有同时满足这三个标准的区块链才真正具备安全性和去中心化特性，并由此得出结论：由于资源消耗高、吞吐量低，且与数据隐私法规存在不可逆性冲突，此类区块链并不适合大多数物联网（IoT）应用场景。因此，文章主张采用链下交易通道，并通过定期将交易摘要锚定至区块链以实现全局可问责性。

ABSTRACT

The use of the term blockchain is documented for disparate projects, from cryptocurrencies to applications for the Internet of Things (IoT), and many more. The concept of blockchain appears therefore blurred, as it is hard to believe that the same technology can empower applications that have extremely different requirements and exhibit dissimilar performance and security. This position paper elaborates on the theory of distributed systems to advance a clear definition of blockchain that allows us to clarify its role in the IoT. This definition inextricably binds together three elements that, as a whole, provide the blockchain with those unique features that distinguish it from other distributed ledger technologies: immutability, transparency and anonimity. We note however that immutability comes at the expense of remarkable resource consumption, transparency demands no confidentiality and anonymity prevents user identification and registration. This is in stark contrast to the requirements of most IoT applications that are made up of resource constrained devices, whose data need to be kept confidential and users to be clearly known. Building on the proposed definition, we derive new guidelines for selecting the proper distributed ledger technology depending on application requirements and trust models, identifying common pitfalls leading to improper applications of the blockchain. We finally indicate a feasible role of the blockchain for the IoT: myriads of local, IoT transactions can be aggregated off-chain and then be successfully recorded on an external blockchain as a means of public accountability when required.

研究动机与目标

• 澄清术语'区块链'在各类应用中模糊且过度泛滥的使用。
• 基于分布式系统理论，识别定义真正区块链的核心技术与架构要素。
• 在区块链特性与典型物联网需求存在不匹配的背景下，评估区块链在物联网应用中的适用性。
• 根据应用特定的信任模型与约束条件，为选择合适的分布式账本技术提供指导。
• 倡导一种混合架构：本地物联网交易在链下处理，仅在需要全局不可篡改审计时将摘要锚定至区块链。

提出的方法

• 基于三个相互依赖的属性——强共识协议、完整的公开交易历史记录、匿名用户开放访问——提出区块链的形式化定义。
• 分析分布式共识协议的理论基础，特别是区块链三难困境（可扩展性、安全性、去中心化）。
• 对比无许可区块链（如比特币）与许可制账本，指出后者在功能上与传统数据库并无本质区别。
• 引入'交易通道'（Transaction Channels）的概念，即用于物联网应用的轻量级本地账本，通过定期聚合并将摘要锚定至公共区块链实现审计。
• 通过形式化分析共识机制（PoW、PoS）评估其稳定性、能耗水平，以及对中心化和市场动态的脆弱性。
• 将该定义应用于真实物联网用例（如智能电网、电子投票、供应链管理），识别区块链技术的误用情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 定义真正区块链所必需的、不可妥协的核心属性是什么？
• RQ2 为何当前'区块链'一词的广泛使用导致了物联网系统中的混淆与误用？
• RQ3 区块链在性能、安全性和隐私方面的特性，如何与物联网典型需求（如低延迟、能效高、数据隐私）产生冲突？
• RQ4 在存在局限性的前提下，区块链在物联网生态系统中仍可在哪些场景中提供价值？
• RQ5 何种替代性架构模式可在保留区块链全球可问责优势的同时，支持物联网应用？

主要发现

• 区块链必须同时满足强共识、完整公开交易历史记录和开放匿名性，方可被视为真实区块链；缺少任一条件即不构成真正区块链。
• 为实现不可篡改性而要求的强共识协议，导致计算与能耗成本过高，使区块链不适合资源受限的物联网设备。
• 大多数物联网应用需要数据机密性及用户数据删除能力（如符合GDPR要求），这与区块链的不可篡改性及公开透明性直接冲突。
• 许可制区块链尽管名称中带有'区块链'，但其本质与传统数据库无异，不具备无许可区块链所具备的去中心化与信任特性。
• 基于权益的共识机制（PoS）虽能耗低于PoW，但易受市场操纵与中心化影响。
• 最优物联网架构应采用本地轻量级的'交易通道'处理日常操作，仅在需要全局不可篡改审计时，将聚合结果锚定至公共区块链。