Rendre la blockchain suffisamment rapide pour les réseaux IoT

La vision d'un monde entièrement connecté devient rapidement une réalité grâce à l'Internet des objets (IoT) — un réseau croissant d'appareils physiques qui collectent et partagent des données sur Internet, incluant tout, des petits capteurs aux véhicules autonomes et aux équipements industriels.

Pour garantir la sécurité et l'intégrité de ces données, les ingénieurs se tournent de plus en plus vers la blockchain, une solution prometteuse. Souvent associée aux cryptomonnaies, la blockchain est en réalité un registre numérique décentralisé ; au lieu d'être contrôlées par une seule entreprise, les données sont partagées et gérées collectivement par un réseau d'ordinateurs.

Malheureusement, les systèmes blockchain actuels peuvent s'avérer trop lents pour les décisions instantanées requises dans les environnements IoT réels. Cette lenteur est principalement due non pas au protocole blockchain lui-même, mais à la communication désorganisée entre les nœuds des réseaux peer-to-peer.

La plupart des recherches précédentes ont ignoré la manière dont la forme globale de ces connexions — appelée « topologie du réseau » — influe sur la vitesse des systèmes IoT-blockchain.

Pour combler ce manque de connaissances, une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Kien Nguyen de l'Institut de recherche académique avancée/École supérieure d'informatique de l'Université de Chiba, au Japon, a étudié comment rationaliser les opérations dans les réseaux IoT-blockchain.

Leur étude, publiée dans la revue IEEE Transactions on Network and Service Management , examine l'impact des différentes topologies de réseau sur les performances et introduit une nouvelle méthode pour assurer une circulation efficace des données.

« Notre objectif était de combler le fossé entre la conception théorique et le déploiement pratique des systèmes IoT-blockchain en identifiant les causes fondamentales de leur latence élevée et en proposant une solution décentralisée à la fois simple et efficace », explique le Dr Nguyen. L’étude a été co-écrite par Koki Koshikawa, Yue Su et Hiroo Sekiya, tous trois de l’Université de Chiba.

Comprendre les retards et la congestion du réseau

Pour comprendre l'origine des retards, les chercheurs ont d'abord mis en œuvre une méthode permettant de générer différentes topologies de réseau et de connecter des clients blockchain simulés. Après avoir analysé plusieurs cas représentatifs, ils ont démontré que la nature décentralisée des réseaux IoT entraîne souvent une transmission de données redondante.

Plus précisément, ils ont constaté que les protocoles actuels de partage des « transactions » (les entrées de données individuelles) et des « blocs » (les ensembles plus importants d'enregistrements vérifiés) peuvent entraîner une augmentation exponentielle du nombre de copies de données. Il en résulte une congestion du réseau et des délais d'attente, notamment lorsque les nœuds sont connectés de manière à créer un trop grand nombre de chemins qui se chevauchent.

Présentation de l'algorithme Dual Perigee

Pour répondre à ce problème, les chercheurs ont développé « Dual Perigee », un algorithme léger et décentralisé qui permet à chaque nœud de choisir intelligemment ses « voisins » préférés dans le réseau.

Au lieu de se connecter aléatoirement, un nœud utilisant Dual Perigee attribue des scores à ses pairs en fonction de leur rapidité d'exécution, tant pour les transactions individuelles que pour les blocs complets. Si un voisin est systématiquement lent, le nœud se déconnecte automatiquement et tente de se connecter à d'autres pairs. Progressivement, le réseau s'auto-organise en une configuration à haut débit sans nécessiter de contrôleur central.

Après des tests réalisés dans un environnement IoT simulé de 50 nœuds, l'algorithme Dual Perigee a réduit les délais liés aux blocs de 48,54 % par rapport à l'approche standard utilisée sur la blockchain Ethereum. Il a également surpassé les méthodes de pointe, comme l'algorithme Perigee original, de plus de 23 %.

Il est à noter que les chercheurs ont obtenu ces résultats sans ajouter de charge de calcul supplémentaire aux dispositifs IoT eux-mêmes, car l'algorithme repose sur des mesures « passives » des données que les dispositifs recevaient déjà et ne nécessite que des calculs minimes.

Implications pour les futurs systèmes IoT-blockchain

Ces travaux ont des implications importantes dans de nombreux domaines technologiques. En minimisant le temps nécessaire à la confirmation et au partage des données par une blockchain, le système devient suffisamment réactif pour les tâches urgentes.

« Le mécanisme de sélection des pairs décentralisé et sensible à la latence proposé peut servir de base aux futures plateformes blockchain qui prennent en charge les services IoT critiques en temps réel, permettant ainsi des infrastructures numériques plus sûres, réactives et fiables », explique le Dr Nguyen.

À mesure que les réseaux IoT continuent de croître en taille et en complexité, le besoin de moyens de communication décentralisés et fiables ne fera que s'accroître.

L'équipe de recherche estime que Dual Perigee pourrait jouer un rôle clé dans un avenir proche, comme l'explique le Dr Nguyen : « Notre approche peut être appliquée aux services émergents basés sur l'Internet des objets qui nécessitent un partage de données rapide et fiable, tels que les villes intelligentes, les maisons intelligentes, la surveillance industrielle, les systèmes de santé et le suivi de la chaîne d'approvisionnement. »

https://www.chiba-u.ac.jp/e/news/research/making_blockchain_fast_enough_for_iot_networks.html