تخلیه ‌بار محاسباتی مقیاس‌پذیر و بی‌نام در فناوری زنجیره بلوکی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران ، ایران.

2 فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران ، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران ، ایران

چکیده

امروزه با پیاده­سازی نسل جدید شبکه­های ارتباطی شاهد تحولی عظیم در توسعه اینترنت اشیاء و ظهور برنامه­های جدید در این بستر می­باشیم. محدودیت در توان محاسباتی و انرژی دستگاه­های متصل به این بستر موجب ایجاد چالش و عدم پشتیبانی این دستگاه­ها از اجرای برنامه­ها با بار محاسباتی بالا و نیازمند تاخیر کم می­شود. تخلیه‌ بار محاسباتی در ابر و لبه شبکه به عنوان یک رویکرد مناسب برای مقابله با این محدودیت‌ها معرفی شده است. استفاده از ظرفیت دستگاه‌های دارای توان مناسب در مجاورت ادوات اینترنت اشیاء به عنوان مقصد تخلیه از مبادله حجم عظیمی از داده‌ها در هسته شبکه جلوگیری می‌کند. بهره‌مندی از این دستگاه‌ها نیازمند حفظ حریم خصوصی و امنیت بار تخلیه‌شده می‌باشد تا اطلاعات حساس و محرمانه کاربران اینترنت اشیاء در طی فرآیند تخلیه­بار با خدشه­ای مواجه نگردد. به این منظور از زنجیره بلوکی استفاده می‌شود. فناوری زنجیره بلوکی ویژگی‌های منحصر به فردی از جمله شفافیت، تغییرناپذیری و تمرکززدایی، ایمن کردن و خودکارسازی کاربردها را دارا است که سبب می­گردد گزینه مناسبی برای تامین امنیت انتقال و ذخیره­سازی داده­های تولیدشده در بستر اینترنت اشیاء باشد. استفاده از زنجیره بلوکی در حوزه تخلیه بار محاسباتی به علت طراحی پرهزینه‌ی روش‌های اجماع با محدودیت‌هایی همچون مدیریت تعداد زیاد درخواست‌ها روبه‌رو است. به‌علاوه، گروه‌های با نفوذ می‌توانند با تحلیل تراکنش‌ها و ترافیک، هویت صاحبان بارهای محاسباتی تخلیه‌شده و محتوای حساس آن‌ها را به دست آورند و حریم خصوصی را با خدشه مواجه کنند. به منظور رفع این چالش‌ها، این مقاله با ارائه یک روش تخلیه‌بار محاسباتی مقیاس‌پذیر و بی‌نام در فناوری زنجیره بلوکی، با تغییرات در معماری زنجیره بلوک با استفاده از گراف جهت‌دار بدون دور، زنجیره مرکل و بهینه‌سازی روش اجماع برای رفع چالش‌های مقیاس‌پذیری گام برداشته و با استفاده از اثبات دانش صفر حفظ حریم خصوصی و بی‌نام‌ مانی را بهبود می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Scalable and Anonymous Computation Offloading Solution in Blockchain

نویسندگان [English]

  • Shokufeh Norouzi 1
  • Yuoosef Ghobadi 2
  • Zeinab Movahedi 3
1 PhD Student, School of Computer Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 MSc Graduated, School of Computer Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
3 Associate Professor, Faculty of Computer Engineering, School of Computer Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Today, with the implementation of the new generation of communication networks, we are witnessing a huge evolution in the development of the Internet of Things (IoT) and the emergence of new programs in this context. The limitation in the computing power and energy of the devices connected to this platform creates a challenge and lack of support for these devices to run programs with high computation load and low delay. Computation offloading in the cloud and edge network has been introduced as a suitable approach to deal with these limitations. Using the capacity of devices with appropriate power in the vicinity of IoT devices as an offloading destination prevents the exchange of a huge amount of data in the network core. The use of these devices requires maintaining the privacy and security of the offloaded workload so that the sensitive and confidential information of IoT users is not compromised during the computation offloading process. For this purpose, blockchain is used. Blockchain technology has unique features such as transparency, immutability and decentralization, securing and automating applications, which makes it a suitable option for securing the transfer and storage of data generated in the IoT platform. The use of blockchain in computation offloading faces limitations such as managing a large number of requests due to the expensive design of consensus methods. In addition, by analyzing the transactions and traffic, the influential groups can obtain the identity of the owners of the offloaded workloads and their sensitive content and violate the privacy. In order to solve these challenges, this article takes a step forward by presenting a scalable and anonymous computation offloading method in blockchain. The proposed approach changes the blockchain architecture using Merkel chain as a Directed Acyclic Graph and optimizes the consensus method to solve the challenges of scalability. As well, the proposed appraoch uses the zero-knowledge proof to improve privacy and anonymity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Computation offloading
  • blockchain
  • anonymity
  • scalability
[1] In Jayabalan, N. Jeyanthi, "Scalable blockchain model using off-chain IPFS storage for healthcare data security and privacy", Journal of parallel and distributed computing, vol. 164, pp. 152-167, 2022.
[2] Reno, M. M. Haque, "Solving blockchain trilemma using off‐chain storage protocol", IET information security, vol. 17, no. 4, pp. 681-702, 2023.
[3] Z. Yanjun, "Making smart manufacturings marter a survey on blockchain technology in Industry 4.0", Enterprise information systems, vol. 15, no. 10, pp. 1323-1353, 2021.
[4] Statista Research Department, "Internet of Things - Number of connected devices worldwide 2015-2025, " [Online}, Available: <https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/>, Date Published: Nov 27, 2016, Last access on: 31 October 2021.
[5] Abbas, Y. Zhang, A. Taherkordi and T. Skeie, "Mobile Edge Computing: A Survey, " in IEEE Internet of Things Journal, vol. 5, no. 1, pp. 450-465, 2018.
[6] Firouzi, S. Jiang, K. Chakrabarty, B. Farahani, M. Daneshmand, J.S. Song, K. Mankodiya, "Fusion of IoT, AI, Edge-Fog-Cloud, and Blockchain: Challenges, Solutions, and a Case Study in Healthcare and Medicine", IEEE internet of things journal, vol. 10, no. 5, p.1-1, 2023.
[7] Hassanzadeh-Nazarabadi, A. Kupcu, O. Ozkasap, "LightChain: Scalable DHT-Based Blockchain," IEEE transactions on parallel and distributed systems, vol. 32, no. 10, pp. 2582-2593, 2021.
[8] Zamani, M. Movahedi, M. Raykova. "RapidChain: Scaling Blockchain via Full Sharding. " Proceedings of the 2018 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security, pp. 931–948, 2018.
[9] Jayabalan, N. Jeyanthi, "Scalable blockchain model using off-chain IPFS storage for healthcare data security and privacy", Journal of parallel and distributed computing, vol. 164, pp. 152-167, 2022.
[10] Reno, M. M. Haque, "Solving blockchain trilemma using off‐chain storage protocol", IET information security, vol. 17, no. 4, pp. 681-702, 2023.
[11] Miller, I. Bentov, R. Kumaresan, C. Cordi, P. McCorry, "Sprites and State Channels: Payment Networks that Go Faster than Lightning", arXiv preprint.
[12] Kwon, H. Kim, J. Shin and Y. Kim, "Bitcoin vs. Bitcoin Cash: Coexistence or Downfall of Bitcoin Cash", 2019 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP), San Francisco, CA, USA, pp. 935-951, 2019.
[13] Bitcoin unlimited: The peer-to-peer electronic cash system for planet earth, 2020, [Online]. Available online: https://www.bitcoinunlimited.info.
[14] Yang, H. Guo, V. Zhu, X. Fan, X. Cui, and X. Kong, "Smart Blockchain", First International Conference, SmartBlock 2018, Tokyo, Japan, Proceedings, pp. 179, 2018.
[15] Körbel, M. Sigwart, P. Frauenthaler, M. Sober, S. Schulte, "Blockchain-Based Result Verification for Computation Offloading", 19th International Conference, ICSOC 2021, pp. 99-115, 2021.
[16] "The golem project crowdfunding whitepaper, " White Paper, TheGolem Project, 2016. [Online]. Available: https://golem.network/doc/Golemwhitepaper.pdf
[17] Puthal, S. P. Mohanty, P. Nanda, E. Kougianos, G. Das, "Proof-of-Authentication for Scalable Blockchain in Resource-Constrained Distributed Systems", 2019 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), pp. 1-5, 2019.
[18] Ghaemi, H. Khazaei, P. Musilek, "ChainFaaS: An Open Blockchain-Based Serverless Platform", IEEE Access, vol. 8, pp. 99, 2020.
[19] A. Mostafavi, E. Barkhordari, "A Mobility Aware Task Offloading Scheme Based On Ant Colony Optimization Algorithm In Software-Defined Fog Computing, " in Tabriz Journal of Electrical Engineering (TJEE), vol. 53, no. 4, pp. 245-256, 2023.
[20] Mehdikhan, H. Khaleghi Bizaki, S. G. H. Tabatabaei, " Blockchain Based Multi-Domain Resource Allocation of Network Slicing, " in Tabriz Journal of Electrical Engineering (TJEE), vol. 54, no. 1, pp. 73-85, 2024.