基于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)算力性能優(yōu)化分析

陳心瑜，阮凱斌

（1.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院信息與機(jī)電工程系，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院物理系，福建 福州 350002）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)多布設(shè)在無(wú)人監(jiān)管的區(qū)域，物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)需要自組的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多態(tài)變化，并且自適應(yīng)多重角色轉(zhuǎn)換[1-3]。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要考慮數(shù)據(jù)中繼的可靠性；在處理數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要考慮數(shù)據(jù)的完整性；在管理網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要考慮網(wǎng)絡(luò)性能的持久性。自適應(yīng)的特點(diǎn)決定著物聯(lián)網(wǎng)是一種無(wú)中心管理模型，節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的關(guān)系[4]。在以往的網(wǎng)絡(luò)管理模式中，網(wǎng)絡(luò)待久性的管理需要節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)段比較持久扮演管理者，這種狀態(tài)使得節(jié)點(diǎn)在這一時(shí)段很難達(dá)到在管理網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)又兼顧傳輸了數(shù)據(jù)[5]。這種情況下，不得不調(diào)用性能相對(duì)比較優(yōu)秀的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)籌管理網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)“管理員”角色，因此只能稱(chēng)為“虛擬第三方監(jiān)管”[6-8]，并不是真正意義上節(jié)點(diǎn)每時(shí)每刻都可以在不同角色之間轉(zhuǎn)換。因此，本文通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鏈的管理架構(gòu)模式，借鑒區(qū)塊鏈分析數(shù)據(jù)的方法，使得節(jié)點(diǎn)在去中心化的物聯(lián)網(wǎng)中，在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，也兼顧了網(wǎng)絡(luò)管理的穩(wěn)定性。

1 背景知識(shí)

在區(qū)塊鏈中，每隔10分鐘將產(chǎn)生一次流水記賬的權(quán)利競(jìng)爭(zhēng)，人員之間將依據(jù)自己的算力向其它節(jié)點(diǎn)證明通過(guò)自己努力所達(dá)到的工作量，這就是工作量證明方式（Proof of work,POW）[9]，工作量證明方法在很大的程度證明了自己可以完成記賬任務(wù)的誠(chéng)心與工作實(shí)力。在物聯(lián)網(wǎng)中，本文將每一次的數(shù)據(jù)傳輸記為一次“流水記賬”，在節(jié)點(diǎn)廣播傳輸數(shù)據(jù)的需求信息后，接收方節(jié)點(diǎn)將依據(jù)自身的算力、能耗及信用值向發(fā)送方節(jié)點(diǎn)證明自己的“工作量”。發(fā)送方節(jié)點(diǎn)從中選擇出自己最適合的傳輸節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，而被選中的中繼節(jié)點(diǎn)在成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，也同樣將獲得增值信用作為酬勞。

在區(qū)塊鏈中，每一次的記賬都會(huì)生成一個(gè)新的“區(qū)塊”，這個(gè)區(qū)塊信息將全網(wǎng)發(fā)布，使得每個(gè)人都收到此信息，這是每個(gè)人員的數(shù)據(jù)唯一性備份，使得入侵者很難更改以往信息，從而有效防止了數(shù)據(jù)的篡改，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在文獻(xiàn)中形象的稱(chēng)這種人員為“礦工”，而每位礦工所挖的礦即是找到新的區(qū)塊。伴隨每一次的記賬都會(huì)產(chǎn)生新的區(qū)塊，也會(huì)給對(duì)應(yīng)的礦工一定的酬勞，這也就是礦工需努力工作的激勵(lì)機(jī)制。在物聯(lián)網(wǎng)中，信用機(jī)制將是節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)機(jī)制，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)也是一名“礦工”，每個(gè)節(jié)點(diǎn)努力尋求傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)是為了提高自身的信用值，以獲得更多節(jié)點(diǎn)的信任，增加可靠性。

2 基于區(qū)塊鏈理論的模型建立

2.1 前提假設(shè)

在對(duì)機(jī)制描述之前，先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的一些前提假設(shè)做說(shuō)明。

在物聯(lián)網(wǎng)中存在 個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間鏈路具有對(duì)稱(chēng)性[10]。本文中，為了更加集中討論區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的可行性應(yīng)用，暫時(shí)不考慮節(jié)點(diǎn)的隱終端與顯終端問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)等各方面的硬件是具有局限性的，動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（Dynamic Source Routing ,DSR）更適合節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 建立模型

第一步：首先發(fā)送方i要對(duì)自己傳輸數(shù)據(jù)的難度系數(shù)（Difficulty Coefficient of Transmission，DCOT）進(jìn)行估算，使所有的中繼節(jié)點(diǎn)在隨后的算力估算中作為參考。根據(jù)實(shí)際情況，數(shù)據(jù)的難度系數(shù)考慮因素主要包括本次傳輸?shù)膱?bào)文長(zhǎng)度，是否要密文傳輸，協(xié)商加密算法，以及本次傳輸任務(wù)完成時(shí)中繼方所能獲得的信用報(bào)酬，所以數(shù)據(jù)的難度系數(shù)可表示為：

第二步：發(fā)送方通過(guò)DSR路由協(xié)議，廣播信息請(qǐng)求中繼的報(bào)文請(qǐng)求，在發(fā)送方i的傳輸范圍Ri內(nèi)，有個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到該控制信息，以其中任意一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)為例，說(shuō)明中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)建算力策略空間的過(guò)程。作為競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)中繼的“記賬”節(jié)點(diǎn)將根據(jù)發(fā)送方發(fā)來(lái)的信息難度，自身剩余能量及本次傳輸?shù)目尚行运懔υu(píng)估自己是否可以承擔(dān)本次的中繼任務(wù)

備選中繼節(jié)點(diǎn)作為一名“礦工”，將根據(jù)發(fā)送方所發(fā)送的消息傳輸難度，計(jì)算出自己本次傳輸所要消息的算力。每傳輸一次數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)所固有的硬件資源就要進(jìn)行一次折損，因此備選中繼節(jié)點(diǎn)不僅要考慮當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)的算力，還要考慮傳輸數(shù)據(jù)所付出的資源折舊率，故可行性算力。假設(shè)折舊率是根據(jù)以往的平均算力進(jìn)行折舊而得的[11]，折舊率符合高斯白噪聲，其方差為，噪聲有效范圍 。

節(jié)點(diǎn)不僅要通過(guò)算力性能評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)內(nèi)在因素的估測(cè)，還應(yīng)通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈實(shí)際信道情況的信息獲取進(jìn)行外在因素分析。文獻(xiàn)［6］將信干比作為信道狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義如式4所示。

其中C表示信道容量，表示節(jié)點(diǎn)j對(duì)第g種通道“挖礦”能力的評(píng)估，表示節(jié)點(diǎn)j的發(fā)送功率，表節(jié)點(diǎn)j處理數(shù)據(jù)的折舊增益代價(jià)，表示信道噪聲。

節(jié)點(diǎn)i將結(jié)合可能存在的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)個(gè)數(shù)n，給出在不同節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)個(gè)數(shù)條件下節(jié)點(diǎn)j成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。由于信道處理數(shù)據(jù)的折舊增益代價(jià)與節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)個(gè)數(shù)有著緊密的聯(lián)系[12]，因此，假設(shè)在具有相同維數(shù)的前提下，設(shè)置節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻對(duì)節(jié)點(diǎn)j的“記賬”期望等于

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i可以對(duì)所有候選中繼節(jié)點(diǎn)完成期望評(píng)測(cè)時(shí)，策略矩陣則簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)i對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)上一時(shí)刻t-1的期望與當(dāng)前時(shí)刻t期望的集合，即：

發(fā)送端i從所構(gòu)建的策略矩陣中依據(jù)式（6）選擇出最符合條件的中繼節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合上一次與當(dāng)前的期望值求出最大的平均值，可使節(jié)點(diǎn)i有效的幫助中繼節(jié)點(diǎn)提高收益，而式7則是為了尋求出與平均值最相近的一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樾诺涝谳^小時(shí)隙內(nèi)的變化是不明顯的，所以可被視為如果某一中繼節(jié)點(diǎn)能夠符合式（6），則表示該節(jié)點(diǎn)具有較好的穩(wěn)定性。

最后，節(jié)點(diǎn)i根據(jù)式8選擇出符合的中繼節(jié)點(diǎn)，并將更新為，同時(shí)將捎帶發(fā)送給選中的中繼節(jié)點(diǎn)，以供節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送端的可靠性進(jìn)行評(píng)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

為了驗(yàn)證基于區(qū)塊鏈模型分析物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)化的合理性，本文的仿真區(qū)域設(shè)置為1000*1000，在該仿真區(qū)域內(nèi)隨機(jī)投放200個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效傳輸半徑為100，每組單元實(shí)驗(yàn)隨機(jī)初始化節(jié)點(diǎn)剩余能量及已有信用值。每組單元進(jìn)行2000次通信息實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行10組單元實(shí)驗(yàn)。

本文以其中一組單元的節(jié)點(diǎn)傳輸信息為例展開(kāi)討論。圖1（a）所示為第1次通信時(shí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的初始能量狀態(tài)。隨著通信次數(shù)的增加，圖1（b）與圖1（c）分別表示第600次通信與1200次通信時(shí)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量隨著通信次數(shù)的增加，正在逐漸減少，直至圖1（d）所示。圖1（d）為物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)第1800次通信所剩余能量顯示圖，節(jié)點(diǎn)的多次通信，網(wǎng)絡(luò)中絕大部分節(jié)點(diǎn)已處于低電量狀態(tài)。從這四幅圖可以看出，每次的通信節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的消耗分布基本均勻，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以理性的通過(guò)自己傳輸水平的能力正確估算是否愿意傳輸中繼數(shù)據(jù)。

圖1 基于區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)能量值分布圖

這一組單元實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信用值顯示情況如下圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)信用值分布圖

結(jié)合能量圖1與對(duì)應(yīng)的信用值圖2可以看出，在多次傳輸后，還有少許的節(jié)點(diǎn)存在比較高的能量。能量較高節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)信用值圖可以看出，節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信用值并不高，信用值的高低體現(xiàn)的是節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。從圖2（a）可以看出，初始化的第1次通信所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)生成的信用值，到多次通信后節(jié)點(diǎn)的信用值如圖2(b)(c)(d)所示，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)都在為獲取更多的信用值，而不斷努力傳輸數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)的全局信用趨勢(shì)依然是比較均勻分布，這說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將信用值作為激勵(lì)，努力為別的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)挠行浴?/p>

為了突顯本文機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，在另一組實(shí)驗(yàn)中，將分別對(duì)基于區(qū)塊鏈理論、信用機(jī)制、能量機(jī)制三種情況進(jìn)行討論。首先假設(shè)三種機(jī)制初始生成一樣的地理坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)、剩余能量及信用值，以方便顯示機(jī)制對(duì)比的公平性。本文以第600次時(shí)的通信能量對(duì)比圖為例。

圖3（a）與圖4（a）表示的是同組實(shí)驗(yàn)中，相同節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)前提下，隨機(jī)生成的相同能量值與信用值。圖3（b）（c）（d）與圖4（b）（c）（d）所分別對(duì)應(yīng)了在第600次通信中，區(qū)塊鏈機(jī)制、信用機(jī)制、能量機(jī)制的能量值與信用值的分布情況。可以明顯的看出，當(dāng)通信的次數(shù)達(dá)到600次時(shí)，基于區(qū)塊鏈機(jī)制的節(jié)點(diǎn)的能量明顯要高于信用機(jī)制與能量機(jī)制。根據(jù)本文所介紹的機(jī)制，備選中繼節(jié)點(diǎn)在計(jì)算自身是否符合中繼條件時(shí)，不僅通過(guò)式1考慮了本次傳輸數(shù)據(jù)的難度，還結(jié)合以往的傳輸數(shù)據(jù)的能力式3進(jìn)行綜合判斷，所以節(jié)點(diǎn)對(duì)自己傳輸能力的判斷更加精確，對(duì)能源的控制更加協(xié)調(diào)，更具全局性。

圖3 三種機(jī)制，能量值對(duì)比

圖4 三種機(jī)制，信用值對(duì)比

4 總結(jié)&改進(jìn)

區(qū)塊鏈的分析方法最早出現(xiàn)在金融領(lǐng)域，專(zhuān)家學(xué)者試圖將貨幣的流通隱退第三方銀行監(jiān)管機(jī)制作為研究的目的，用以顯示幣流通中的公平性與合理性。這點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)的特性在本質(zhì)上是一樣的，作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)交叉的結(jié)合體，物聯(lián)網(wǎng)也在試圖尋找一種無(wú)人監(jiān)管的平等傳輸方式，使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸更具智能性，多態(tài)性，減少人為管理所可能產(chǎn)生的差錯(cuò)，使網(wǎng)絡(luò)更適用于復(fù)雜區(qū)域。本文通過(guò)基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)通信模型，討論了區(qū)塊鏈對(duì)物聯(lián)網(wǎng)適用的性能優(yōu)化的分析方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了該機(jī)制的可行性與優(yōu)越性。

當(dāng)然，在本文中為了突出該機(jī)制的分析方法，弱化了節(jié)點(diǎn)的一些特性屬性的考慮，比如節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的誠(chéng)實(shí)性。所以，在以后的工作中，可以考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)性質(zhì)更為細(xì)致的考慮，從而達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)更加精準(zhǔn)的優(yōu)化。