Unganishaji wa Blockchain na Uhakiki wa Kompyuta Kando kwenye IoT: Uchambuzi na Utafiti

Yaliyomo

1. Utangulizi

Unganishaji wa blockchain na uhakiki wa kompyuta kando unawakilisha mabadiliko makubwa ya kimonde katika miundo ya Internet ya Vitu (IoT). Uhakiki wa wingu wa kawaida unakabiliwa na chango kubwa katika kushughulikia ukuaji mkubwa wa data ya IoT, hasa katika matumizi yanayohitaji usindikaji wa papo hapo kama vile Gridi Akili na Internet ya Magari (IoV). Chama cha Viwanda vya Mawasiliano kinakisia vifaa bilioni 29 vilivyounganika kufikia 2022, na takriban bilioni 18 zinazohusiana na IoT, hivyo kuunda mahitaji ya kipekee kwa suluhisho za usalama na usambazaji wa kompyuta.

2. Maelezo ya Msingi

2.1 Misingi ya Blockchain

Tekinolojia ya blockchain hutoa mfumo wa daftari usio na kitovu unaotumia mitandao ya ushirika, usimbuaji, na hifadhi iliyosambazwa kufikia sifa muhimu zikiwemo usimbaji, uwazi, ufuatiliaji, usalama, na kutoweza kubadilika. Muundo wa msingi wa blockchain unaweza kuwakilishwa na fomula ya mnyororo wa hash:

$H_i = hash(H_{i-1} || T_i || nonce)$

ambapo $H_i$ ni hash ya block ya sasa, $H_{i-1}$ ni hash ya block iliyopita, $T_i$ inawakilisha shughuli, na $nonce$ ni thamani ya uthibitisho wa kazi.

2.2 Muundo wa Uhakiki wa Kompyuta Kando

Uhakiki wa kompyuta kando huongeza uwezo wa wingu hadi kwenye kingo za mtandao, hivyo kutoa huduma za usambazaji na ucheleweshaji mdogo wa kompyuta. Muundo kwa kawaida hujumuisha tabaka tatu: tabaka la wingu, tabaka la kingo, na tabaka la kifaa. Nodi za kingo huwekwa karibu na vyanzo vya data, hivyo kupunguza ucheleweshaji kutoka kwa wastani wa 100-200ms katika uhakiki wa wingu hadi 10-20ms katika mazingira ya kingo.

3. Muundo wa Unganishaji

Muundo wa unganishaji wa blockchain na uhakiki wa kompyuta kando (IBEC) una sehemu nne muhimu:

• Tabaka la Vifaa: Vichungi na viendeshaji vya IoT
• Tabaka la Kingo: Nodi za kingo zenye uwezo wa kukokotoa
• Tabaka la Blockchain: Daftari iliyosambazwa kwa usalama na imani
• Tabaka la Wingu: Hifadhi ya nyuma na kuhifadhi rasilimali zilizokusanywa

Muundo huu wa kihierarkia huwezesha usindikaji bora wa data huku ukidumisha usalama kupitia daftari isiyobadilika ya blockchain.

4. Uchambuzi wa Faida za Pande Zote

4.1 Blockchain kwa Uhakiki wa Kompyuta Kando

Blockchain huimarisha usalama wa uhakiki wa kompyuta kando kupitia utaratibu kadhaa. Mikataba ya akili huruhusu udhibiti wa kiotomatiki wa upatikanaji na uthibitisho. Hali ya usimbaji inazuia sehemu moja ya kushindwa, jambo muhimu kwa matumizi muhimu ya IoT. Ugawaji wa rasilimali na upakaji kazi unaweza kusimamiwa kupitia algoriti za msingi wa blockchain, hivyo kuhakikisha uwazi na uadilifu.

4.2 Uhakiki wa Kompyuta Kando kwa Blockchain

Uhakiki wa kompyuta kando hutoa rasilimali za kukokotoa zilizosambazwa kwa shughuli za blockchain. Vifaa vya kingo vinaweza kushiriki katika shughuli za kuchimba madini, hivyo kuunda mtandao zaidi wa usimbaji. Ukaribu na vyanzo vya data hupunguza ucheleweshaji katika usindikaji wa shughuli za blockchain, jambo muhimu hasa kwa matumizi ya papo hapo ya IoT.

5. Changamoto za Kiteknolojia na Suluhisho

Chango kuu katika mifumo ya IBEC ni pamoja na:

• Usimamizi wa Rasilimali: Rasilimali ndogo za vifaa vya kingo huhitaji algoriti bora za ugawaji
• Uboreshaji wa Pamoja: Kuweka usawa kati ya mahitaji ya usalama ya blockchain na utendaji wa uhakiki wa kompyuta kando
• Usimamizi wa Data: Kushughulikia mkondo mkubwa wa data ya IoT huku ukidumisha uadilifu wa blockchain
• Upakaji wa Kokoto: Usambazaji wa kazi unaobadilika kati ya rasilimali za kingo na wingu
• Utaratibu wa Usalama: Kulinda dhidi ya mashambulio katika mazingira yaliyosambazwa

6. Matokeo ya Majaribio

Tathmini za majaribio zinaonyesha maboresho makubwa katika mifumo ya IBEC. Katika hali za IoV, mbinu ya unganishaji hupunguza muda wa wastani wa kukabiliana kwa 45% ikilinganishwa na suluhisho za wingu pekee. Uwezo wa kufanya kazi huongezeka kwa 60% huku ukidumisha viwango vya usalama sawa na mifumo ya kawaida ya blockchain. Vipimo vifuatavyo vya utendaji vilionekana:

Uchambuzi wa usalama unaonyesha kuwa muundo wa IBEC hudumisha uadilifu wa data wa 99.8% huku ukipunguza matumizi ya nishati kwa 35% ikilinganishwa na mbinu za kuchimba madini za kawaida za blockchain.

7. Utekelezaji wa Msimbo

Hapa chini kuna mfano rahisi wa mkataba wa akili kwa ugawaji wa rasilimali katika mifumo ya IBEC:

pragma solidity ^0.8.0;

contract ResourceAllocation {
    struct EdgeNode {
        address nodeAddress;
        uint256 computingPower;
        uint256 storageCapacity;
        bool isAvailable;
    }
    
    mapping(address => EdgeNode) public edgeNodes;
    
    function registerNode(uint256 _computingPower, uint256 _storageCapacity) public {
        edgeNodes[msg.sender] = EdgeNode({
            nodeAddress: msg.sender,
            computingPower: _computingPower,
            storageCapacity: _storageCapacity,
            isAvailable: true
        });
    }
    
    function allocateTask(uint256 _requiredComputing, uint256 _requiredStorage) public view returns (address) {
        // Algoriti rahisi ya ugawaji wa kazi
        for (uint i = 0; i < nodeCount; i++) {
            if (edgeNodes[nodeList[i]].computingPower >= _requiredComputing && 
                edgeNodes[nodeList[i]].storageCapacity >= _requiredStorage &&
                edgeNodes[nodeList[i]].isAvailable) {
                return edgeNodes[nodeList[i]].nodeAddress;
            }
        }
        return address(0);
    }
}

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Mfumo wa IBEC unaonyesha matumaini katika nyanja nyingi:

• Afya Akili: Usindikaji salama wa data ya wagonjwa katika maeneo ya kingo
• Magari Yenye Kujitegemea: Kufanya maamuzi ya papo hapo kwa uadilifu wa data uliothibitishwa
• Viwanda IoT: Ufuatiliaji na udhibiti salama wa michakato ya viwanda
• Miji Akili: Mifumo ya usambazaji wa usimamizi wa mijini

Mwelekeo wa utafiti wa baadaye unajumuisha algoriti za blockchain zinazostahimili quantum, usimamizi wa rasilimali ulioimarishwa na akili bandia, na ushirikiano wa minyororo mingi kwa matumizi ya IoT ya nyanja nyingi.

9. Uchambuzi wa Asili

Unganishaji wa blockchain na uhakiki wa kompyuta kando unawakilisha mabadiliko ya kimsingi ya muundo ambayo inashughulikia ukomo muhimu katika uhakiki wa wingu wa kawaida na mifumo ya pekee ya kingo. Utafiti huu unachunguza kwa kina jinsi teknolojia hizi zinavyounda faida za ushirikiano ambazo huzidi uwezo wao binafsi. Kama vile CycleGAN ilionyesha tafsiri ya pande zote za picha bila mifano iliyowekwa pamoja, mfumo wa IBEC huwezesha uboreshaji wa pande zote wa usalama na utendaji ambao haukuwezekana na miundo ya awali.

Kutoka kwa mtazamo wa kiteknolojia, mchango mkubwa zaidi uko katika kutatua usawa wa imani na kokoto ambao umekuwa ukisumbua mifumo ya IoT iliyosambazwa. Uhakiki wa kingo wa kawaida hutoa baadhi ya usalama kwa ajili ya utendaji, wakati utekelezaji wa blockchain safi huweka kipaumbele usalama kwa gharama ya ufanisi wa kokoto. Mbinu ya IBEC, kama ilivyorekodiwa katika utafiti huu, inaonyesha kuwa unganishaji uliobuniwa vizuri unaweza kufikia malengo yote mawili kwa wakati mmoja. Hii inafanana na matokeo kutoka IEEE Communications Surveys & Tutorials, ambayo inasisitiza kuwa miundo mseto mara nyingi hufanya vizuri zaidi kuliko mbinu za pekee katika mifumo changamani iliyosambazwa.

Chango za usimamizi wa rasilimali zilizotambuliwa katika utafiti zinaangazia eneo muhimu la utafiti wa baadaye. Kama ilivyoelezwa katika toleo maalum la ACM Computing Surveys kuhusu akili ya kingo, tofauti za vifaa vya kingo huunda matatizo ya kipekee ya uboreshaji ambayo hayapo katika mazingira sawa ya wingu. Uundaji wa kihisabati wa matatizo haya mara nyingi hujumuisha uboreshaji wa malengo mengine na vikwazo vinavyokinzana, kama vile kupunguza ucheleweshaji huku ukiongeza usalama. Majadiliano ya utafiti kuhusu mbinu za uboreshaji wa pamoja hutoa maarifa ya thamani katika nafasi hii changamani ya tatizo.

Ikilinganishwa na mifumo mingine ya unganishaji kama ile iliyojadiliwa katika mkusanyiko wa Springer Edge Computing, mbinu ya msingi wa blockchain inatoa faida tofauti katika ukaguzi na kukinzana na kuharibika. Hata hivyo, utafiti unatambua kwa usahihi uwezo wa kuongezeka kama chango inayobaki. Kazi ya baadaye inapaswa kuchunguza mbinu za kugawanya sawa na zile zinazotengenezwa kwa Ethereum 2.0, ambazo zinaweza kushughulikia ukomo wa uwezo wa kufanya kazi huku zikidumisha sifa za usalama ambazo hufanya blockchain kuwa na thamani kwa matumizi muhimu ya IoT.

Matokeo ya majaribio yaliyowasilishwa, yakionyesha kupunguzwa kwa ucheleweshaji kwa 45% na kuokoa nishati kwa 35%, yanaonyesha faida halisi ambazo zinaweza kuharakisha kupitishwa katika utekelezaji wa ulimwengu halisi. Matokeo haya yanahusika hasa kwa matumizi kama vile magari yenye kujitegemea na otomatiki ya viwanda, ambapo utendaji na usalama vyote ni mahitaji yasiyoweza kubishana. Wakati mfumo wa IoT unaendelea kupanuka kuelekea vifaa vilivyopangwa bilioni 29 vilivyounganika, miundo kama IBEC itakuwa muhimu zaidi kwa kusimamia kiwango na utata wa mifumo ya baadaye iliyounganika.

10. Marejeo

1. Chama cha Viwanda vya Mawasiliano. "Utabiri wa Kifaa cha Mtandao wa Kimataifa 2022." TIA, 2020.
2. M. Satyanarayanan. "Kuibuka kwa Uhakiki wa Kompyuta Kando." Kompyuta, 50(1):30-39, 2017.
3. S. Nakamoto. "Bitcoin: Mfumo wa Pesa ya Elektroniki ya Kushirikiana." 2008.
4. W. Wang et al. "Uchunguzi wa Utaratibu wa Makubaliano na Mkakati wa Uchimbaji madini katika Blockchain." IEEE Access, 2020.
5. Y. C. Hu et al. "Uhakiki wa Kompyuta Kando kwa Internet ya Vitu: Uchunguzi." ACM Computing Surveys, 2021.
6. Z. Zhou et al. "Akili ya Kingo: Kuweka Maili ya Mwisho ya Akili Bandia na Uhakiki wa Kompyuta Kando." Proceedings of the IEEE, 2020.
7. IEEE Communications Surveys & Tutorials. "Blockchain kwa Usalama wa IoT." Vol. 23, No. 1, 2021.
8. ACM Computing Surveys. "Akili ya Kingo na Blockchain." Vol. 54, No. 8, 2022.