物联网与区块链的结合需求

物联网（IoT）是由大量物理设备组成、通过互联网持续采集和共享数据的网络，范围从微小传感器到自动驾驶汽车和工业设备。随着这些设备快速普及，一个高度互联的世界正在逐步成形。

为了确保这些设备产生的数据安全、可追溯且难以篡改，工程师们越来越多地关注区块链技术。区块链常被视为加密货币的基础，但其本质是一种去中心化的数字账本：数据不依赖单一公司或服务器，而是由分布在网络中的多台计算机共同维护。

现实问题：区块链对物联网来说太慢

在实际物联网场景中，许多应用需要接近实时的决策和响应。然而，现有区块链系统在这方面往往表现迟缓，难以满足要求。

研究表明，造成延迟的关键原因并不完全在于区块链协议本身，而是点对点网络中节点之间通信方式的无序和低效。过去的研究大多忽略了一个重要因素：网络中节点如何互联、整体结构如何组织，即所谓的“网络拓扑”，对物联网区块链性能有着直接影响。

研究目标：优化物联网区块链网络

为弥补这一空白，日本千叶大学先进学术研究所/信息学研究生院副教授阮建（Kien Nguyen）带领团队，系统研究了如何优化物联网区块链网络的运行方式。

相关成果发表在《IEEE网络与服务管理汇刊》（IEEE Transactions on Network and Service Management）上。论文分析了不同网络拓扑对性能的影响，并提出了一种能够保持数据高效流动的新方法。

阮建表示：“我们的目标是缩小物联网区块链系统在理论设计与实际部署之间的差距，找出高延迟的根本原因，并提出一种既简单又有效的去中心化解决方案。” 该研究由千叶大学的越苏（Yue Su）、越川幸树（Koki Koshikawa）和关谷浩夫（Hiroo Sekiya）共同完成。

找出延迟与拥堵的根源

为理解延迟从何而来，研究团队首先构建了一套方法，用于生成不同的网络拓扑，并在其上连接模拟的区块链客户端。通过对多种具有代表性的网络结构进行分析，他们发现，物联网网络的高度去中心化特性，往往会导致数据在传输过程中出现大量冗余。

更具体地说，目前用于传播“交易”（单条数据记录）和“区块”（打包后的已验证记录）的协议，会让同一数据在网络中被复制和转发多次，数量呈指数级增长。这种重复传播会造成网络拥堵和排队延迟，尤其是在节点连接方式导致路径大量重叠的情况下，问题更为突出。

Dual Perigee：一种新的节点选择算法

为缓解上述问题，研究人员提出了“Dual Perigee”算法。这是一种轻量级、完全去中心化的机制，使每个节点都能更智能地选择其在网络中的“邻居”节点。

在传统方式下，节点通常维持一组近乎随机的连接。而在 Dual Perigee 中，节点会根据邻居转发单笔交易和完整区块的速度，对这些邻居进行评分。如果某个邻居在数据传输上持续表现缓慢，节点就会主动断开与其的连接，并尝试与新的节点建立连接。

随着时间推移，整个网络在没有任何中心控制器的前提下，会逐步自组织为一种更高效、更高速的连接结构。

实验结果：延迟显著降低

研究团队在一个包含 50 个节点的模拟物联网环境中，对 Dual Perigee 算法进行了测试。结果显示，与广泛使用的以太坊区块链标准方法相比，Dual Perigee 将区块相关的延迟降低了 48.54%。

与当前先进方法（例如原始的 Perigee 算法）相比，Dual Perigee 的性能也提升了 23% 以上。

值得一提的是，这些性能提升并未给物联网设备带来额外的计算压力。算法主要依赖于对设备已接收数据的“被动”测量，只需要极少的额外计算资源，非常适合算力和能耗受限的物联网终端。

对未来物联网区块链系统的意义

这项研究对多个技术方向具有潜在影响。通过缩短区块链确认和数据共享的时间，系统可以更好地支持对时延敏感的任务，使区块链在更多实时或近实时的物联网应用中变得可行。

阮建指出：“我们提出的去中心化、延迟感知的节点选择机制，有望成为未来区块链平台的基础，用于支撑实时、关键任务的物联网服务，从而构建更安全、更快速、更值得信赖的数字基础设施。”

随着物联网网络规模和复杂度不断提升，对去中心化且可信的数据通信方式的需求只会持续增加。研究团队认为，Dual Perigee 在这一进程中将发挥重要作用。

阮建表示：“我们的方法可以应用于多种需要快速、可靠数据共享的新兴物联网服务，例如智慧城市、智能家居、工业监控、医疗系统以及供应链追踪等。”