《DIBN: A Decentralized Information-Centric Blockchain Network》论文阅读笔记

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Abstract

区块链是一种分布式账本，具有不可变性，匿名性和可审计性，无需信任第三方。 为了提供数据交换以形成这样的账本，区块链网络使交易和区块的传播达到共识，主要由附着策略和沟通策略组成。 当前，它是使用对等覆盖网络来实现的，但是，它受到流量与底层网络拓扑之间不匹配的内在问题的困扰。 为了解决这个问题，我们采用了以信息为中心的网络（ICN）方法来设计去中心化的以信息为中心的区块链网络（DIBN），其中命名类别以使流量能够被去中心化，并且 在每个类别的所有区块链节点（BN）之间建立任意的一对多类别传播结构（CDS）。 对于CDS，一个BN可以有效地将数据发送到所有其他BN，以使流量与基础网络保持一致，从而解决了不匹配问题。 性能分析表明，提出的DIBN可以大大减少区块链数据分发的平均路径长度。

背景

大量移动设备生成大量的大数据，区块链网络的现有工作主要针对数据和面向数据传播的攻击，但是，对于区块链网络本身仍缺乏研究关注。

问题

P2P上层网络中，流量和底层网络拓扑之间存在不匹配问题：现在的BC网络主要基于P2P上层网络技术的应用层多播（ALM）实现，其性能受到上层流量和基础物理网络拓扑之间不匹配问题的影响，从而导致大量冗余流量。

如何解决问题

提出DIBN，命名类别使流量分散；建立any-to-all类别传播结构。在DIBN中，类别、交易和数据块被命名用于数据转发，并通过交易记录高性能区块链节点（HPBN），以选择根设备，即指定的区块链节点（dBN）。
DIBN包含三个过程：类别通信结构（CDS）形成，双向附件策略和任何对所有通信策略。 为每个类别构建一个包含所有BN的双向数据分发树，其中考虑负载平衡，选择一个HPBN作为该树的根dBN。 通过CDS，可以实现任何所有人的通信策略，其中任何BN都可以有效地将数据分发到所有其他BN，从而使流量与基础网络保持一致。
我们分析了DIBN的性能，这表明与区块链网络中现有的典型ALM相比，DIBN可以大大缩短平均路径长度。

具体设计

为了缓解流量集中程度，将对交易和块进行分别命名。交易，语义上有意义的命名。块，无意义的名称标记类别，在负载均衡时分散流量。交易和块通过类别标识符进行分发，并通过数据标识符进行检索。 即，类别，交易和区块具有类别标识符（CID），交易标识符（TID）和区块标识符（BID）的标识符。CID是二进制的< Category Name (CN) | DIBN Domain >，TID的格式为< CN | Transaction Name | DIBN Domain >，BID的格式为< CN | Block Name | DIBN Domain >。

DIBN域：由BN和具有ICN功能的路由器构成的用于数据转发的管理区域。

所有的交易和块都包含在不同类别中。每种流量类别对应一个CDS，它是指一组链路，用于在一个特定类别的BN之间传播交易和块。根据类别和CDS，可以将流量分布在不同交易和块的不同链路上。

为了避免过度依赖中心化的RN（组播中的交汇节点），HPBN通过区块链交易记录自己（HPBN作为dBN的次数）（HPBN可以主动宣布自己愿意作为dBN）。在选择dBN时，当一个BN想形成一个CDS树时，会在区块链中找到HPBN的记录，选择作为dBN次数最少的HPBN作为本CDS树的dBN，并且更新该HPBN作为dBN的次数。

确定dBN后，BN将向所有其他BN广播选出的HPBN的id。然后，那些收到公告的BN向该dBN发送CDS形成请求，并以所请求的类别CID构造一个以该dBN为根的双向到所有通信树。在所有BN向dBN发送请求的过程中，数据包会被路由器记录到FIB表中，生成关于端口组和类别名称的关联映射。当从端口组中的某一个收到该类别的数据后路由器将自动转发给其余端口。如下图建立了蓝色线的CDS树。同时这些映射关系具有一定的TTL生存时间，过期后需要重新构建新的CDS树。

当一个新节点需要加入CDS时，需要向邻近节点查询负责该类流量的HPBN的id，然后向该dBN发送请求，请求会在路由表中建立相应项形成新的CDS树。路由器定期检查与BN的连接。 如果相邻的BN不可访问，则可以将该BN视为击败“离开”状态。 当检测到相邻BN的“ LEAVE”状态时，如果剩余两个或更多个接口，则删除检测到的具有未连接的BN的接口。

一个DBIN域中形成一个类别的CDS时，该CDS树的dBN会和其他域相同类别的dBN组件CDS树形成多级域间数据分发。

在CDS形成之后，事务和块可以将类别的已建立通信结构传递到所有BN。 在基于DIBN的场景中，每个BN都可以与区块链网络之间收发事务和区块。 中间路由器的基本转发策略是路由器在数据包头中的CID和FIB中的CID之间执行完全匹配，然后将数据转发到相应FIB条目中的其余接口（传入接口除外）。如下图所示分别由BN2向所有节点分发了交易1，由BN6向所有节点分发了区块1。

ICN本质上允许隐藏底层设备和网络协议中的异质性，并支持基于名称的转发和网络内缓存[16]。 因此，由于ICN的这些有前途的功能，因此所提出的DIBN具有ALM的优点，例如即时可部署性和易于维护。 此外，它还具有使流量与基础网络基础结构保持一致的优点。 此外，通过采用区块链的基本账本功能，也可以避免使用集中式集合点。

分析

文中并未对所述方法进行实验，只是进行了简单分析和推导。使用平均路径长度作为指标，对比了所提出的DIBN与典型的ALM协议Narada[11]和NICE[12]。与典型值相比，因为DIBN中的CDS将流量与基础网络拓扑对齐，相比于ALM协议，即Narada的O（M log（K））和NICE的O（log（M）log（K）），拟议的DIBN【O（log（K））】可以大大减小将数据从一个BN传播到另一个BN的平均路径长度。 显然，如果BN的数量变得更大，则DIBN可以大大减小平均路径长度。 此外，由于缩短了平均路径长度，因此可以极大地减少通信开销。

原文

http://ieeexplore.ieee.org/document/9013622