Logo Международный форум «Евразийская экономическая перспектива»
На главную страницу
Новости
Информация о журнале
О главном редакторе
Подписка
Контакты
ЕВРАЗИЙСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ English
Тематика журнала
Текущий номер
Анонс
Список номеров
Найти
Редакционный совет
Редакционная коллегия
Представи- тельства журнала
Правила направления, рецензирования и опубликования
Научные дискуссии
Семинары, конференции
 
 
Проблемы современной экономики, N 4 (84), 2022
ПРОБЛЕМЫ МАРКЕТИНГА. ЛОГИСТИКА
Багиев Г. Л.
профессор кафедры менеджмента и инноваций
Санкт-Петербургского государственного экономического университета,
доктор экономических наук, заслуженный деятель науки РФ

Пинчук А. В.
генеральный директор ООО «ВидиГайд» (г. Санкт-Петербург),
кандидат экономических наук


Проблемы формирования архитектуры децентрализованной системы на основе распределенного реестра в отрасли интернета вещей
В статье приводится методический подход организации и дизайна архитектуры данных распределительного реестра децентрализованной системы интернета вещей.
Ключевые слова: интернет вещей, блок-чейн, дизайн архитектуры данных, архитектура данных, распределительный реестр
ББК У5–13в612   Стр: 113 - 115

В данной работе предлагается практическая реализация автоматизированного информационного обмена предприятия за счет использования данных от IoT-устройств, обрабатываемых или хранящихся в децентрализованной среде, с последующим исполнением управленческих воздействий на основе универсальных производственных самоисполняющихся программ, которые носят название «смарт-контракты».
Архитектура системы по стандартизации данных для импорта в распределенный реестр, предлагаемая в данной работе, построена с использованием гибридного взаимодействия следующих компонентов (рис.1):
1. Файловая система децентрализованного типа (IPFS).
2. Глобальный блокчейн (Ethereum).
3. Среда исполнения смарт-контрактов (EVM Solidity)
4. Протокол консенсуса сети (PoW и PoV)
5. Ациклический направленный граф (DAG).
6. Нереляционная СУБД (MongoDB).
Опишем подробнее выбор каждого из элементов системы и принципы их работы. Для начала поясним, почему среди всего многообразия блокчейн платформ был выбран Ethereum.
Рис. 1. Архитектура гибридной системы для подготовки и стандартизации данных
для импорта в систему распределенного реестра

Дело в том, что контекст работы с IoT устройствами предполагает обязательное наличие следующих свойств блокчейн-системы:
• Возможность исполнять смарт-контракты на базе условных функций;
• Эффективность использования ограниченной вычислительной мощности и памяти малых устройств;
• Возможность выпуска токенов для организационного управления;
• Корректность работы протокола сетевого консенсуса, определяющая степень надежности и достоверности данных распределенного реестра.
Поток данных устройств IoT при подготовке и стандартизации данных для импорта структурируется в виде направленного ациклического графа (рис. 2): вершины в нем представляют транзакции, а ребра — операции подтверждения достоверности. Когда создается новая транзакция, она должна быть подтверждена двумя предыдущими транзакциями, а результат представлен в виде направленных ребер.
Рис. 2. Направленный ациклический граф транзакций данных IoT

Направленный граф работает по принципу древа «Меркла»: в его основе лежит криптографический принцип одноразовых блокнотов (one-time pads) с использованием шифра Вернама. Каждая запись в цепочке передается в виде зашифрованного маской потока данных (masked stream). Потоки данных имеют форму каналов, образованных связанным списком транзакций в хронологическом порядке, и содержат три идентификационных элемента:
• Идентификатор канала и ключ авторизации;
• Хеш-ключ корня (основания) древа «Меркла», позволяющий произвести проверочные преобразования с помощью односторонней функции Лампорта;
• Порядковый номер записи, реализующий принцип Винтерница, для защиты данных от подмены в форме двоичного кода.
Другими словами, такая система авторизации позволяет пользователям подписываться (при наличии ключа) и следить за потоком данных, генерируемым каким-либо устройством. Без ключа информация останется просто набором символов, поэтому поток данных не сможет прочитать тот, кому это не предназначалось. Главным аргументом в сторону использования именно ациклического графа, а не линейного блокчейн, является вычислительная эффективность, которую придает системе принцип дерева Меркла. Дело в том, что в обычном блокчейн каждая транзакция последовательно объединяется в цепочку блоков, и необходимо дождаться обработки хеш-функций всего набора, прежде чем достоверность будет подтверждена. То есть в гипотетическом примере для 10 транзакций понадобится 10 хеш-записей. Древо Меркла позволяет сократить вычисления для тех же 10 транзакций: потребуется хеш корня, одной из родительских ветвей, и ключ дочернего «листка» (транзакции) — остальное вычисляется за счет зеркального отображения (и добавления пустых значений, если число записей нечетное), так как система основана на двоичном коде. Вместо 15 отдельных ключей, древу Меркла достаточно всего 5 ключей для полной дешифровки. При этом на масштабе данная экономия становится еще более ощутимой. Это простое и оригинальное решение было предложено Ральфом Мерклом в 1979 г. в работе, посвященной созданию системы сертифицируемых цифровых подписей, используемой по сей день.
Данные преобразуются в JSON и записываются в реестр на основе файловой системы IPFS (межпланетная файловая система). IPFS создает устойчивую систему хранения и совместного использования файлов без единой точки отказа, в которой узлам не нужно доверять друг другу. Эта технология полезна для хранения данных, которые неудобно размещать в дорогостоящем блокчейн.
Проверка достоверности данных при записи производится на основе подписи двух предыдущих транзакций узлами, с использованием системы весов (рис. 3).
Рис. 3. Пример схемы расчета весов при валидации и стандартизации данных в ациклическом графе

Принцип валидации при использовании ациклического графа предполагает необходимость действий по обработке утверждением других транзакций пользователей, что способствует обеспечению безопасности сети. Узлы проверяют, не являются ли одобренные транзакции конфликтующими, и не одобряют (прямо или косвенно) конфликтующие транзакции. По мере получения транзакцией числа одобрений (прямых или косвенных) одобрений, она становится все более принимаемой системой. Другими словами, будет сложнее (или даже практически невозможно) заставить систему принимать ложную или повторяющуюся транзакцию (с двойным расходом одной суммы). Большое количество узлов (узлы представляют собой микросхемы устройств с предустановленной прошивкой) следует данному правилу и выполняет следующие действия:
1. Узел выбирает для утверждения две другие транзакции. Он проверяет, не конфликтуют ли эти две транзакции, и не утверждает конфликтующие транзакции. Чтобы транзакция была признана действительной, узел должен решить криптографическую головоломку (требующую вычислительных ресурсов), аналогичную той, что используется при майнинге в блокчейн.
2. Вычисляется вероятность достоверности транзакции. Важно понимать, что возможны перерывы при работе сети, и узлам может быть доступна различная выборка транзакций. Поэтому узел выполняет вычисление хеш-функции несколько раз и проверяет, какая транзакция с большей вероятностью будет одобрена. Если после 100 запусков алгоритма транзакция была утверждена 98 раз, мы говорим, что она подтверждена с достоверностью 98%.
3. Вычисляется совокупный вес транзакции: он определяется как сумма всех транзакций, которые одобряют эту транзакцию прямо или косвенно, плюс ее собственный вес.
Предлагаемое в работе использование глобальной сети блокчейн в сочетании с нестандартным подходом к процессу обработки потока IoT-данных на основе направленного ациклического графа позволяет получить ряд значительных преимуществ:
• обеспечить надежность хранения и защиту данных;
• снизить экономические затраты на сопровождение информационного обмена и транзакции по подтверждению в сравнении с полным хранением информации в реестре блокчейн;
• реализовать управляемую открытость и проверяемость данных с любого цифрового устройства, подключенного к сети Интернет;
• достигнуть нового уровня отказоустойчивости посредством распределенного хранения данных и устранения единого уязвимого центра обработки данных.


Статья поступила в редакцию 01.09.2022 г.

Список использованных источников:
1. Багиев Г.Л. К вопросу разработки и функционирования комплексных систем децентрализованного управления на основе блокчейн-технологии с интеграцией данных среды «Интернета вещей» // Общество. Среда. Развитие. — 2020. — № 3 (56). URL https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-razrabotki-i-funktsionirovaniya-sistem
2. Мартин Фаулер, Прамодкумар Дж. Садаладж. NoSQL: новая методология разработки нереляционных баз данных. NoSQL Distilled. — М.: «Вильямс», 2013. — 192 с. — ISBN 978–5–8459–1829–1.
3. Perrin M. Distributed Systems: Concurrency and Consistency. 1st Edition, ISTE Press — Elsevier, March 2017.
4. Wood G. Ethereum: a secure decentralized generalized transaction ledger, 2018. URL https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf
5. Dwork C., Naor M. Pricing via processing or combatting junk mail // 12th Annual International Cryptology Conference, 1992. — p. 139–147. URL http://www.wisdom.weizmann.ac.il/~naor/PAPERS/pvp.pdf

Вернуться к содержанию номера

Copyright © Проблемы современной экономики 2002 - 2024
ISSN 1818-3395 - печатная версия, ISSN 1818-3409 - электронная (онлайновая) версия