[论文解读] ChainSplitter: Towards Blockchain-based Industrial IoT Architecture for Supporting Hierarchical Storage

Gang Wang, Zhijie Shi+2 more|IACR Cryptology ePrint Archive|Oct 2, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

本文提出 ChainSplitter，一种基于区块链的工业物联网（IIoT）架构，采用分层存储机制，通过将大部分区块链数据存储在云端，同时在本地 IIooT 叠加网络中保留最近的区块，显著降低本地资源使用。它使用区块链连接器从 IIoT 数据构建区块，使用云连接器与云存储同步，从而在保持不可篡改性和可验证性的同时，大幅减轻资源受限设备的存储负担。

ABSTRACT

The fast developing Industrial Internet of Things (IIoT) technologies provide a promising opportunity to build large-scale systems to connect numerous heterogeneous devices into the Internet. Most existing IIoT infrastructures are based on a centralized architecture, which is easier for management but cannot effectively support immutable and verifiable services among multiple parties. Blockchain technology provides many desired features for large-scale IIoT infrastructures, such as decentralization, trustworthiness, trackability, and immutability. This paper presents a blockchain-based IIoT architecture to support immutable and verifiable services. However, when applying blockchain technology to the IIoT infrastructure, the required storage space posts a grant challenge to resource-constrained IIoT infrastructures. To address the storage issue, this paper proposes a hierarchical blockchain storage structure, extit{ChainSplitter}. Specially, the proposed architecture features a hierarchical storage structure where the majority of the blockchain is stored in the clouds, while the most recent blocks are stored in the overlay network of the individual IIoT networks. The proposed architecture seamlessly binds local IIoT networks, the blockchain overlay network, and the cloud infrastructure together through two connectors, the extit{blockchain connector} and the extit{cloud connector}, to construct the hierarchical blockchain storage. The blockchain connector in the overlay network builds blocks in blockchain from data generated in IIoT networks, and the cloud connector resolves the blockchain synchronization issues between the overlay network and the clouds. We also provide a case study to show the efficiency of the proposed hierarchical blockchain storage in a practical Industrial IoT case.

研究动机与目标

• 解决资源受限的工业物联网（IIoT）环境中大规模区块链存储需求的挑战。
• 在多方 IIoT 系统中实现去中心化、无需信任且可验证的数据管理。
• 通过将大部分区块链数据卸载到云存储，减少 IIoT 网络中的本地存储开销。
• 在分布式 IIoT 网络和云基础设施之间保持区块链的一致性和完整性。
• 设计一种可扩展的分层存储架构，支持工业环境中长期的区块链运行。

提出的方法

• 提出三层架构：本地 IIoT 网络、区块链叠加网络和云基础设施。
• 引入一种分层区块链存储模型，其中最近的区块存储在叠加网络中，而较旧的区块则存储在云端。
• 在叠加网络中部署区块链连接器，聚合 IIoT 事务数据并构建新区块。
• 使用云连接器将本地叠加网络中的最新区块同步到云端，确保一致性。
• 根据区块链大小和节点存储容量，动态调整本地与云端存储之间的数据分配比例。
• 利用现有的去中心化云存储系统（如 Storj）来管理基于云的区块链持久性和完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不使资源受限设备因存储需求而超载的情况下，将区块链集成到 IIoT 系统中？
• RQ2 何种分层存储架构能够实现在 IIoT 网络和云端之间高效、可扩展且一致的区块链操作？
• RQ3 本地 IIoT 网络如何在将旧数据卸载到云端的同时，保持最近的区块链数据？
• RQ4 何种机制可确保本地叠加网络与基于云端的区块链存储之间的一致性和同步？
• RQ5 所提出的架构如何在分布式 IIoT 环境中保持区块链的不可篡改性和可验证性？

主要发现

• 由于存储限制，本地共识节点上存储的区块链数据比例随时间推移而减少，从而触发自动向云端同步。
• 系统在本地与云端存储之间维持动态平衡，本地存储阈值（例如 100GB）作为触发云端同步的条件。
• 分层存储模型通过将大部分区块链数据转移至云端，显著减轻了单个 IIoT 设备的存储负担。
• 区块链连接器与云连接器的使用，实现了本地 IIoT 网络、叠加区块链网络与云存储之间的无缝集成。
• 所提出的架构支持在多方 IIoT 环境中实现可验证且不可篡改的数据记录，而无需在每个设备上完整复制区块链。
• 该方法是首个纯粹从链结构层面解决区块链存储可扩展性问题的方案，而非依赖客户端优化或部分验证机制。