El Saadany, Riham
(2024).
« An auto-scaling architecture for blockchain in the context of the Internet of Things » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en informatique.
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Résumé
Les dispositifs de l’internet des objets (IoTDs) sont omniprésents, aujourd’hui. Les IoTDs sont caractérisés par le grand nombre de transactions produites et leur susceptibilité aux problèmes de confidentialité et de sécurité. Les chaînes de blocs représentent un registre distribué immutable qui convient à toutes sortes de transactions sans intermédiaire. Les chaînes de blocs sont caractérisées par des long délais reliés au calculs mathématiques et au nombre des sauts (délais de propagations) nécessaires afin que les nœuds participants atteignent un consensus. Nous proposons une solution d’organisation des nœuds qui pourra permettre aux chaînes de blocs de soutenir les IoTDs en regroupant tous les nœuds incluant les IoTDs. À cette fin, nous introduisons un concept multi-niveaux (forêt) qui sert à augmenter la mise à l’échelle et l’efficacité du consensus ainsi qu’à créer un équilibre entre la décentralisation du consensus et la lourdeur de gestion des nœuds. Au cœur du design, se trouve un algorithme d’accélération de consensus qui sert a limiter le nombre de sauts nécessaire entre les nœuds ainsi que le nombre de nœuds participant au consensus à un nombre borné logarithmiquement comparativement aux nœuds aux niveaux inférieurs. Ainsi, plus la forêt est profonde, plus elle devient évolutive et efficace. Nous proposons trois architectures, indépendantes des applications et des algorithmes de regroupement et de consensus, tirées de notre concept multi-niveaux : i) Self-Scalable Dynamic (SSD) (Auto-Évolutive Dynamique), ii) Partitioned (Partitionnée) et iii) Ring of Rings (Anneau d’anneaux). Nous choisissons d’implementer une des architectures pour valider notre concept multiniveaux : l’architecture SSD. Dans l’architecture SSD, un seuil minimal est fixé par niveau pour la taille des groupes afin de garantir un consensus équitable conformément aux règles de décentralisation des chaînes de blocs. De même, un seuil maximal par niveau est établi pour faciliter une gestion efficace des nœuds du groupe par les nœuds gérants. Compte tenu de la nature dynamique des nœuds rejoignant et quittant le système, le respect de ces seuils maximums et minimums nécessite des ajustements dynamiques de la taille des groupes. Par conséquent, les groupes sont conçus pour se diviser ou fusionner en cascade. Ce redimensionnement dynamique affecte également l’architecture globale, entraînant son expansion ou sa contraction en termes de nombre de niveaux. Les IoTDs se trouvent au plus bas niveau de la hiérarchie où les transactions sont générées et propagées vers les plus hauts niveaux de l’architecture. Ce trajet vertical, même s’il peut impliquer un certain nombre de niveaux à traverser, se fait dans un seul saut grâce à l’utilisation d’un mécanisme de repérage de nœuds conçu pour indiquer la position de chaque nœud ainsi que de ses parents aux niveaux supérieurs. La vérification des transactions ainsi que la vérification des blocs se font par un petit nombre de nœuds, ce qui réduit le temps des propagations, spécialement si l’on compare au temps nécessaire à faire les mêmes vérifications dans le cas du modèle des chaînes de blocs traditionnel ou même un modèle à deux-niveaux. La colocalité des nœuds participant dans une même transaction dans un même arbre de la forêt a un grand effet sur l’efficacité du modèle car le nombre de sauts nécessaire pour verifier les transactions diminue significativement. Le temps de consensus est réduit à O(1) plus une constante fois l’ordre du délai de propagation maximal vers les nœuds les plus élevés. La constante est égale à trois, sans colocalité au pire cas; tandis qu’avec colocalité, la constante est égale à deux, dans le meilleur cas. Les simulations effectuées mettent à l’épreuve trois modèles des chaînes de blocs: le modèle traditionnel plat, le modèle à deux-niveaux, ainsi que notre modèle SSD. Les résultats des simulations montrent que bien que le modèle à deux niveaux ait surpassé le modèle traditionnel plat en termes de temps de consensus de 23,7%, le modèle SSD a surpassé le modèle à deux niveaux et le modèle plat (lorsque le modèle plat a 6% des nœuds en tant que nœuds générateurs de blocs) de 198%. L’avantage augmente à mesure que le nombre de nœuds générants les blocs augmente dans le modèle plat, atteignant 2677% lorsque le modèle plat a 88,6% des nœuds en tant que nœuds générateurs de blocs. Nous avons aussi effectué des simulations pour le modèle SSD ayant des différents nombres de nœuds générants les blocs afin de valider le concept de colocalité qui s’est avéré prometteur. Tous nos résultats s’accordent bien avec nos hypothèses et représentent une preuve de concept valide. Les designs et concepts proposés peuvent servir de solutions à usage général pour la mise à l’échelle, le repérage de nœuds pair-à-pair et le routage de messages pour les systèmes distribués ainsi que l’équilibrage de charge pour les systèmes en grappes.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Chaînes de blocs, IoT, Consensus, Mise à l’Échelle, Équilibrage de Charge, Décentralisation, Sécurité, Lourdeur de Gestion, Architecture Multi-Niveaux, Repérage des Nœuds, Acheminement des Messages.
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
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| Informations complémentaires: |
Fichier numérique reçu et enrichi en format PDF/A. |
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Directeur de thèse: |
Bégin, Guy |
| Mots-clés ou Sujets: |
Chaînes de blocs / Internet des objets / Scalabilité |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département d'informatique |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
20 juin 2024 11:08 |
| Dernière modification: |
20 juin 2024 11:08 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/17808 |
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