[论文解读] Trinity: A Distributed Publish/Subscribe Broker with Blockchain-based Immutability

Gowri Ramachandran, Kwame-Lante Wright+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用 11

一句话总结

Trinity 提出了一种分布式、集成区块链的发布-订阅代理，确保在多利益相关方的物联网和供应链应用中实现数据不可篡改性、一致性和信任。通过将 MQTT 与 Tendermint 区块链及智能合约结合，Trinity 实现了去中心化、防篡改的数据记录，性能开销极低，在 20 个树莓派 3 节点的网络中实现了约 3 秒的端到端延迟。

ABSTRACT

Internet-of-Things (IoT) and Supply Chain monitoring applications rely on messaging protocols for exchanging data. Contemporary IoT deployments widely use the publish-subscribe messaging model because of its resource-efficiency. However, the systems with publish-subscribe messaging model employ a centralized architecture, wherein the data from all the devices in the application network flows via a central broker to the subscribers. Such a centralized architecture make publish-subscribe messaging model susceptible to a central point of failure. Besides, it provides an opportunity for the organization that owns the broker to tamper with the data. In this work, we contribute Trinity, a novel distributed publish-subscribe broker with blockchain-based immutability. Trinity distributes the data published to one of the brokers in the network to all the brokers in the network. The distributed data is stored in an immutable ledger through the use of the blockchain technology. Furthermore, Trinity executes smart contracts to validate the data before saving the data on the blockchain. Through the use of a blockchain network, Trinity can guarantee persistence, ordering, and immutability across trust boundaries. Our evaluation results show that Trinity consumes minimal resources, and the use of smart contracts enable the stakeholders to automate the data management processes. To the best of our knowledge, Trinity is the first framework that combines the components of the blockchain technology with the publish-subscribe messaging model.

研究动机与目标

• 解决集中式物联网发布-订阅系统中的单点故障和数据篡改风险。
• 通过确保数据不可篡改性和一致性，在供应链和物联网监控中实现多利益相关方之间的信任。
• 在不牺牲效率的前提下，将区块链技术与现有发布-订阅消息协议集成。
• 在去中心化、多组织环境中，通过智能合约实现自动化数据验证。
• 在真实、资源受限的测试环境中评估区块链集成带来的性能开销。

提出的方法

• Trinity 使用分布式代理架构，消息发布到一个代理后，通过共识机制传播至所有其他代理。
• 它集成 Tendermint 区块链框架，以在所有代理之间维护加密安全的复制账本。
• 每条消息在提交至区块链前均通过智能合约验证，确保符合策略要求。
• 系统使用许可制区块链，在维护数据有序性和持久性的同时，对已知利益相关方强制建立信任。
• 该框架将区块链逻辑与代理逻辑解耦，支持与任何区块链或消息协议的集成。
• 评估在 20 个树莓派 3 节点的测试平台上进行，使用 MQTT 和 Tendermint，测量 CPU、内存和延迟开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在多利益相关方物联网环境中，使发布-订阅代理具备抵御单点故障和数据篡改的能力？
• RQ2 如何高效地将区块链技术与现有轻量级消息协议（如 MQTT）集成，以确保不可篡改性和有序性？
• RQ3 在资源受限环境中，为分布式代理添加基于区块链的不可篡改性，其性能开销如何？
• RQ4 智能合约能否在去中心化、多组织系统中有效实现数据验证的自动化？
• RQ5 该系统如何在无中心权威机构的情况下，保持分布式代理间消息的一致性和有序性？

主要发现

• Trinity 在 20 个树莓派 3 节点的测试平台上实现了约 3 秒的端到端延迟增加，证明了其实际可行性。
• 该框架通过区块链共识和复制机制，在信任边界之间实现了数据不可篡改性、有序性和持久性。
• 智能合约成功依据预设策略验证数据，实现了利益相关方之间协议的自动化执行。
• 系统额外消耗的 CPU 和内存开销极低，共识和区块创建期间 CPU 使用率和内存使用率均保持在较低水平。
• Trinity 是首个将发布-订阅消息机制与基于区块链的不可篡改性相结合的框架，为多利益相关方的物联网和供应链应用提供了创新解决方案。
• 评估结果确认，在实际部署中区块链集成带来的信任优势远超过其适度的性能成本。