[论文解读] Designing a blockchain-based IoT infrastructure with Ethereum, Swarm and LoRa

Kazım Rıfat Özyılmaz, Arda Yurdakul|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 12被引用 52

一句话总结

本文提出一个标准化、基于区块链的 IoT 后端，将数据存储在 Swarm，并通过以太坊智能合约协调访问，采用以 LoRa 网关为基础的概念验证演示。

ABSTRACT

Today, the number of IoT devices in all aspects of life is exponentially increasing. The cities we are living in are getting smarter and informing us about our surroundings in a contextual manner. However, there lay significant challenges of deploying, managing and collecting data from these devices, in addition to the problem of storing and mining that data for higher-quality IoT services. Blockchain technology, even in today's nascent form, contains the pillars to create a common, distributed, trustless and autonomous infrastructure system. This paper describes a standardized IoT infrastructure; where data is stored on a DDOS-resistant, fault-tolerant, distributed storage service and data access is managed by a decentralized, trustless blockchain. The illustrated system used LoRa as the emerging network technology, Swarm as the distributed data storage and Ethereum as the blockchain platform. Such a data backend will ensure high availability with minimal security risks while replacing traditional backend systems with a single "smart contract".

研究动机与目标

• 将 IoT 设备发现、通信和数据提交规范化到一个区块链支持的后端。
• 创建一个点对点、容错、抗 DDOS 的物联网数据存储与访问基础设施。
• 通过智能合约和统一接口促进对物联网设备的数据查询与检索。
• 展示 LoRa 网关与 Swarm 存储和以太坊智能合约的集成作为概念验证。

提出的方法

• 描述以网关为中心的 IoT 架构，其中数据存储在 Swarm，引用（哈希值）通过智能合约存储在 Ethereum。
• 将 LoRa 网关与 Ethereum 和 Swarm 集成，以通过统一协议实现数据推送、存储和检索。
• 提出 IoT 网关集成策略（网关作为全节点、网关作为轻量客户端、端设备作为各种区块链客户端）。
• 给出一个示例智能合约数据结构，将设备数据映射到 Swarm 文件哈希，并在数据提交时发出事件。
• 使用带 LoRaWAN 硬件的概念验证，演示从传感器到 Swarm 存储及以太坊支持访问的端到端数据流。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将 IoT 网关和端设备集成到使用 Ethereum 和 Swarm 的区块链后端？
• RQ2 哪些数据模型和智能合约结构能够高效将 IoT 数据与 Swarm 存储句柄关联？
• RQ3 在 LoRa 网关下部署区块链支持的 IoT 后端对资源、吞吐量和架构有何影响？
• RQ4 一个 PoC 能否展示从 LoRa 端设备到 Swarm 的端到端数据推送，并可通过以太坊智能合约访问？

主要发现

• 基于区块链的 IoT 后端可以通过 Swarm 提供抗 DDOS 的存储，并通过以太坊智能合约实现去信任的数据访问。
• LoRa 基于 PoC 显示了从端设备通过网关到 Swarm 存储再到以太坊的数据流，并且有一个智能合约将设备数据链接到 Swarm 哈希。
• 不同的网关和设备集成模式（全节点、轻客户端、服务器信任客户端、轻节点与全节点的对比）在易集成性和信任假设方面提供权衡。
• 私有 Ethereum 网络的吞吐量可达到约 16 笔/秒；撰写时公开以太坊约为 10.6 笔/秒。
• 带有 Swarm 的网关增加内存使用量（私有网络中挖矿全节点约 1.2–1.5 GB；在公开网络中最高可达 4 GB），但实现了可扩展的 IoT 数据处理。
• 本文讨论潜在改进，如切换到 PoS、加密与访问控制挑战、带宽考量以及 IoT 区块链系统对实时数据的需求。