基于马尔科夫链理论的区块链建模与性能分析

SLoC 2019.1
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区块链技术的基础理论研究尚未成熟[6]。目前区块链技术的国内研究[2,3,6,7,13]侧重技术应用，对于基础理论的讨 论较少；而国外研究论文[8,9,12]侧重密码学的讨论，较少关注军事通信应用。作为一项新兴技术和崭新应用模式， 区块链在网络通信和计算方面的性能分析是一项重要的研究课题，而目前这方面的研究工作尚处于起步阶段[10]， 在军事领域的研究和应用更少。本文将对区块链在网络通信和计算方面进行性能建模与分析，为未来
基于马尔科夫链理论的区块链建模与性能分析*
赵全鑫 （四川灵通电讯有限公司技术中心，四川绵阳 621000）
摘 要：区块链是计算机和通信网络领域一种新兴应用模式，受到工业界和学术界广泛关注。 区块链应用呈现爆发性增长，而理论基础尚未成熟。在强调指挥和控制数据完整性以保障重点用户 需求为首要原则的军事通信领域，区块链的研究仍是一个开放问题，亟待开展性能分析研究。首先， 提出基于马尔科夫链理论的性能分析模型来建模区块链工作过程。其次，推导模型的系统稳态性能 理论值。最后，仿真验证所提模型的准确性，分析区块数量、交易数量和网络时延对区块链性能的 影响。
Abstract：Blockchain is a novel application in the area of computing and communications, attracting variety of attentions from both academia and industry. There exists weak theory basis for the blΒιβλιοθήκη Baiduckchain though it has an explosive increase in the application. It is an open issue to apply the blockchain in military communications, aiming at guaranteeing data integrity in command and control as well as important users’ necessities. It is necessary to study performance analysis of the blockchain. First, this paper proposes an Markovian chain based performance analysis model to describe the working process of blockchain. Second, the stable distribution in theory of the proposed model is derived. Last, the performance of blockchain is analyzed by simulation to demonstrate the model accuracy. Simulation results find the number of blocks, the number of transactions, and network delay have effect on the performance of blockchan.
军事应用提供理论基础和工程指导。
图 1 区块链的应用
图 2 区块链在军事领域的应用 区块链技术可以在无须信任单个节点的同时构建起由多节点构成的整个网络的信任共识，这对军事应用来说是非 常重要的。区块链的设计思路为[1]：首先，区块链系统中的每个节点都有机会参与记账，系统会在一段时间内选出记 账最快最好的节点来记账，该节点会把这段时间数据库的变化和账本的变化记在一个区块中。周而复始，系统寻找下 一个记账又快又好的节点，而系统中的其他所有节点都会获得整个账本的副本。然后，当上面步骤的节点在完成工作 量证明后，将新的区块广播到全网，该过程是将所有的交易打上时间戳标记的过程，从而达成记账系统共识的一致[2， 6，7]。总体上看，区块链的工作过程就是节点之间传递产生的交易信息、节点基于收集的交易信息计算得到区块并传递 区块的过程。 在军事应用领域，对区块链性能分析的研究较少[10]，目前尚不成熟的区块链理论基础会给未来更加广泛的应用 带来局限性。因此，本文重点开展区块链性能分析研究，研究内容如下： （1）为描述区块链的网络通信和计算过程，提出一种基于马尔科夫链理论的区块链性能分析模型； （2）根据离散时间马尔科夫链模型状态转移，推导所提性能分析模型的系统稳态性能理论解析式； （3）通过蒙特卡罗仿真，分析区块数量、交易数量和网络时延等因素对区块链性能的影响，验证所提性能分 析模型的准确性。
关键词：区块链；军事通信；马尔科夫链
Performance Analysis of the Blockchain Based on Markovian Chain
ZHAO Quan-xin （Dept. of Technology Center, Sichuan Netop Telecom Co, Mianyang Sichuan 621000）
区块链技术利用一个去中心化的数据库，使用密码学方法产生一串相关联的数据块，该技术的战略意义已经 得到公认。除了在民用领域的广泛使用外，该技术
也同样适用于军事领域，这在国外军事报道中已经初见端倪。首先，数据完整性特别是指挥和控制信息完整 性对军事领域来说非常重要。其次，军事通信领域的首要原则是要保障重点用户需求。目前区块链的军事应用机 构涉及北约通信与信息处（NATO Communications and Information Agency）、美国国防部（DoD）、美国国防高 级研究计划局（DARPA）、美国国家航空航天局（NASA）等，其军事应用领域如图 2 所示[5]。
Key words：Blockchain; Military Communication; Markovian Chain
0 引言
在全球兴起 10 年左右的区块链技术起源于中本聪的论文[1]，该技术作为比特币的底层关键技术和基础架构， 其广泛的应用领域涉及金融资产交易、供应链、智能制造、物联网、网络安全与身份管理等[2]，如图 1 所示。作为 一种包含分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的新型应用模式，区块链吸引了美国、日本 和欧盟等国家组织以及 IBM、微软等 IT 巨头在内的大量参与方。中国已经推出首个区块链参考架构标准[3]，并且 在“十三五”信息规划中多次提及具有战略性和前沿性的区块链技术[4]。