[区块链]Blockchain for IIoT_Survey&Idea Conclusion

Preparations

• Acedeminc Sector ：
  1、 Computer System & Theory [Have Attended]
  2、 Parallel and distributed computing
  3、[Research Fielded] Mobile Computing & Communication System
  4、[Research Fielded] Internet of Things [Have Attended]
  5、[Research Fielded] Information Security
  6、 ICT( Information and Communication Technology ) Convergence
  7、 Software Engineering
  8、 Data Engineering
  9、 [Team-member Fielded]Artificial Intelligence
  10、 Multimedia Processing
  11、 Web Science
  12、 Human-Computer Interaction

• Target Journal/Mag. : Journl of Ambient Intelligence and Humanized Computing

Background

what is blockchain

区块链最初是为了支持电子加密货币比特币而提出的技术，起初主要应用于电子交易领域。后来随着区块链应用的不断扩展，也在金融商务·电子医疗·信息安全等领域逐渐形成成熟的商业体系。此外，区块链改变了许多原有基础产业的结构，在减少经济投入的同时，提高了基础产业的安全性、责任性和分散性。例如供应链，电子商务，数据迁移等。

区块链是使用公钥加密提供身份认证，并在P2P网络中记录每个身份的每一笔交易信息，一旦交易完成则不可撤销的去中心化技术。网络中的每个节点都记录着其所在的分布式网络的所有交易信息，并按照时间顺序打包成区块。每个新产生的区块都带有时间戳并严格按照时间线形顺序推进，多个区块串联起来形成不可逆的链条。区块链中的每一个区块都包含上个区块的哈希值，网络攻击者想要篡改区块链信息时，需要将篡改区块之后所有的新区块信息。区块链采取单向哈希算法导致任何试图入侵篡改区块链内数据信息的行为易被追溯。
区块链系统中的节点处于分散的分布式P2P网络中，广播消息到达节点的时间是不同的。攻击者可以利用这个延迟以更快的单播通信方式传递伪造的虚假信息给临近节点，为了避免这个问题区块链系统提供了共识机制。我们希望共识机制能够给分布式网络中的所有节点提供足够的可信性，网络中的每个节点都有公布消息给其他节点，当网络中其他节点节点收到了某个通过共识机制认证后的节点发布的广播，我们就认为这个消息是可信任且未伪造的信息并将该信息打包为一个新的区块并加入到当前区块链的链条中。
去中心化系统中的共识节点本身是自利的, 最大化自身收益是其参与数据验证或记账的根本目标。区块链系统会奖励完成共识机制的节点，从而保证网络中的各个节点都愿意参与到共识机制下的数据验证中。

Type of blockchain

公共区块链是网络中任何一个节点都可以访问并且参与共识机制的区块链。公共区块链中，只要一个节点完成共识机制的算法要求，就可以将数据添加到区块链上并获得相应的经济奖励。公有区块链同城可以被看作完全去中心化的，也因此网络中的作恶节点会更多。公共区块链由加密经济学保证数据的可靠性与安全性，一般使用工作量证明或股权证明等共识机制的加密验证相结合来保证可信任的访问。
私有区块链则是中心化的区块链，相关组织掌握该区块链的所有写权限，读权限则可用根据需要进行动态调整。一般用于公司等经济体制的内部数据库管理或审计方面，读取权限只在需要时公开。根据区块链的特性，小规模网络的溯源是容易的，因此该网络中的恶意节点最少。根据小群体需求的不同，激励机制和共识机制可以适当放宽从而便捷网络中各节点之间的通信和交易。
联合区块链被认为是部分去中心化的。由多个组织构成的联盟共同协商下参与交易或者数据验证的介于私有链和公有链之间的区块链。每个组织都运行着一个或以上的节点，节点的数据只允许联盟内成员读写或发送交易信息。联盟内部节点数量有限，因此能够在分布式网络内部相对容易的达成共识。联盟区块链内数字签名是身区块上链的基本条件，只有联盟内节点签名数量超过全网节点的某个阈值区块的打包才会被视为有效。对于联盟区块链上的数据，可以是公开的也可以是仅限于联盟成员的，也可以是基于权限的。基于权限模式下允许联盟链开放API以提供有限数量的访问机会。
智能合约保证区块链网络中的所有操作在条件满足的情况下都可以执行，即使没有第三方监督。所有违反智能合约的节点都将受到处罚。

diagram: Type of blockchain-this part will not be published until conference end.

物联网中存在一些挑战，如中心化的管理结构不能够自证清白；随着物联网设备的几何级增长，未来的中心化结构难以负担如此海量的数据连接。而且很多物联网都是运营商、企业内部的自组织网络。涉及到跨多个运营商、多个对等主体之间的协作时，建立信用的成本很高。
区块链的多中心、弱中心化的特质将降低中心化架构的高额运维成本，信息加密、安全通信的特质将有助于保护隐私，身份权限管理和多方共识有助于识别非法节点并及时阻止恶意节点的接入，依托链式的结构有助于构建可证可溯的电子证据存证，分布式架构和主体对等的特点有助于打破物联网现存的多个信息孤岛桎梏，促进信息的横向流动和多方协作。

Reference:
[1] A Survey of Blockchain From the Perspectives of Applications, Challenges, and Opportunities
[2] The blockchain: State-of-the-art and research challenges
[3] Public blockchain evaluation using entropy and TOPSIS.
[4] Block5GIntell_Blockchain_for_AI-Enabled_5G_Networks
[5] Blockchain_for_Internet_of_Things_A_Survey
[6] A survey on the security of block chain systems

Existing solutions for IIoT

微型低成本传感器和高带宽无线网络的出现，意味着当下只要有一定水平的数字智能，即使是最小的设备也可以连接起来。对它们进行监控和跟踪，共享它们的状态数据，并与其他设备进行通信。然后还可以收集和分析所有的这些数据，来提高业务流程的效率。IIoT不应该与消费者物联网混淆，但是消费物联网的核心理念与IIoT基本相同，都是使用传感器和自动化来提高效率。如果把物联网在工业行业里的应用抽象出来，我们可以总结为四个层次：数据的采集与展示、基础的数据分析与管理、深度数据分析与应用、工业控制。
在调查论文A Comprehensive Survey on Attacks,Security Issues and BlockchainSolutions for IoT and IIoT中，作者整理了基于物联网四阶层的安全威胁和对应解决策略以及工业物联网中基于不同目标的各种网络攻击和基于区块链的解决方案。工业物联网中的安全目标目标可以大致分为基础设施安全，认证与信任协议，认证模式，安全的数据管理系统以及传统的攻击预防战略。

Ref: A_Blockchain-based_Data_Sharing_Scheme_in_The_Supply_Chain_by_IIoT
工业物联网更重视公司之间有限和特殊信息的收集和共享。如在传统的供应链中，新订单通过传真或快递邮件发送给供应商。作者提出了应用区块链的IIoT供应链结构。与IIoT相结合，供应链可以部署为无需实际操作的资源交互网络，供应链中的每个传感器都是自动的，为供应链涉及产品生产和分销的一系列过程提供自动化处理。为了保证在传感器收集数据时数据不泄露，将工业物联网设备的监控和记录通过智能合约在网络中实时存储，将工业物联网设备升级到区块链。

Ref :Integration of Next Generation IIoT with Blockchain for the Development of Smart Industries

作者提出了工业物联网和区块链在工业过程中如何协同工作以实时解决安全问题。并设计了工业物联网和区块链的安全要求，还描述了工业物联网如何集成到区块链用于智能工业应用。通过DEMATEL方法计算出工业物联网在行业中所面临的经济挑战，并通过区块链因素解决基础设施设计和部署成本问题。
Ref: Blockchain_Enabled_Industrial_Internet_of_Things_Technology
作者将区块链节点分为全节点(FN)和轻节点(LN)。FN可以下载和检查所有区块和交易并且可以作为挖掘节点为区块链创建块。LN由于资源的限制，能在区块链上存储和处理部分数据。在工业物联网中，LN参与在节点之间传播的新交易，并可以将添加到区块链中的一个块中。这个框架非常适合工业互联网要求的可扩展性和海量数据的操作模式。

Ref: Blockchain-Enhanced_Data_Sharing_With_Traceable_and_Direct_Revocation_in_IIoT
作者为了实现智能工厂数据的安全存储、访问控制、信息更新和删除，以及对恶意用户的跟踪和撤销等要求，设计了基于区块链的工业互联网数据共享机制。
利用区块链在支持身份认证和可追溯的前提上，增强了智能工厂数据在云中的安全存储和共享。该机制下的密钥体积小，作业效率高且可以抵抗共谋密钥攻击。
Ref: Convergence_of_Blockchain_and_Edge_Computing_for_Secure_and_Scalable_IIoT_Critical_Infrastructures_in_Industry_4.0
在这篇文献中，作者提议使用结合边缘计算的区块链来解决现有工业物联网的扩展性问题和数据安全问题。边缘计算为区块链提供了新的节点部署选择。把区块链部署在边缘计算节点上，数据对接便捷，传播路径可控，可以缓解带宽压力，提升传输实时性，集成运营商开发能力从而提升IIoT整体作业效率。并且区块链可以促进不同的边缘节点之间的协作同步，帮助建立边缘计算系统的完整性保障和防伪存证支撑资源，推动终端、数据、能力的开放共享，从而为垂直行业提供可信任的服务。
Ref: Performance_Optimization_for_Blockchain-Enabled_Industrial_Internet_of_Things_IIoT_Systems_A_Deep_Reinforcement_Learning_Approach
在这个工作中，作者提出了一个基于区块链的工业物联网系统的性能优化框架，以在考虑系统去中心化、安全性和延迟的同时优化可伸缩性/吞吐量。而且为了处理工业物联网系统的动态、复杂特性，使用DRL进行了深度强化学习有效处理海量数据。该框架能够在保证IIoT安全的同时增加作业效率。根据提出的区块链系统性能的定量度量系统评估各区块生产者和共识算法，再利用DRL技术调整区块大小和区块间隔，最大限度地提高区块链系统的链上事务吞吐量。
Ref: Towards secure an deficient energy trading in IIoT-enabled energy internet A blockchain approach

作者将能源交易模型分为两个层次，保护隐私的同时实现电力供需平衡的基于区块链的能源交易方案——BC-ETS。此外，为适应能源互联网中底层物联网设备计算能力相对较弱的情况，追加设计了基于诚信的公平证明机制，大大提高系统可用性。BC-ETS不仅能够满足安全性要求，能源交易方案性能也很高。

table-this part will not be published until conference end.

Schedule

• Part1： Investigate and Survey

• Part2： Write survey paper and discussion with lab member

• Part3： Read published paper and do presentation

• Part4： Add idea to survey paper

• Part5： Submit paper to Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing

Learning Outcome

Architecture of research Field

Idea decision

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Content of Thesis

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