Blockchain Application for Mesh and Mobile Ad Hoc Networks
Applications Blockchain pour les réseaux Mesh et Ad hoc mobiles
Résumé
Blockchain is a technology that maintains a single record of information in a decentralized and distributed manner while ensuring data security. This technology, which is behind the most popular cryptocurrency, Bitcoin, is changing the way we think about information records in distributed systems. Indeed, the cryptographic feature set and the distributed nature of the technology make blockchain one of the most secure tools available today for maintaining a record of information. The first applications to have adopted this technology are in the field of finance, where it is now possible to carry out transactions directly between users without going through a central authority. However, other fields have also shown interest in this technology, such as medicine, for the secure sharing of medical records; art and music, for the tracking of copyrights and royalties; governance, for secure voting, IoT, etc. However, to benefit from such technology it is necessary to count with high reliability and connectivity, as provided by the Internet. In mesh and mobile ad hoc networks, it is often necessary to deploy its own infrastructure and services where the infrastructure of operators are not available due to the geography of the site or to an exceptional situation as is the case of natural disasters, war zones or monitoring of protected areas to achieve specific missions. The dynamism of these networks makes it difficult to use a blockchain to maintain a record of information. Indeed, the mobility of nodes can cause partitions in the network that may or may not be desired; nodes can appear and disappear, partitions can split or reunite depending on the mobility of the nodes. This poses a problem for a traditional blockchain, as partitions in the network lead to forks (competing chains) that are often resolved by choosing the longest chain and ignoring other competing chains. For the use cases of mesh and mobile ad hoc networks that we seek to solve, the concurrent chains constructed by the effect of network partitions can be considered as legitimate chains carrying information related to a given network partition. It is therefore important to include these chains in the information register. In this thesis manuscript, we propose the Blockgraph, a blockchain-like technology capable of dealing with network partitions for mobile mesh and ad hoc networks. The Blockgraph, takes the form of a direct acyclic graph based on node mobility and inherits all the security properties of the blockchain. In addition, we propose C4M, a RAFT-based consensus algorithm that has been adapted to work with the Blockgraph and is also tolerant to network partitions. To validate our solutions, we first implemented the Blockgraph and C4M in the discrete event simulator, NS-3. We performed a first performance study of each system, then we implemented the Blockgraph in real proof-of-concept mesh routers to validate the effectiveness of our solution. Finally, we performed a performance study and presented our conclusions.
La blockchain est une technologie qui permet de maintenir un unique registre d’information de façon décentralisé et distribué tout en garantissant la sécurité des données. Cette technologie, qui est à l’origine de la cryptomonnaie la plus populaire, le Bitcoin, est en train de changer la façon dont nous concevons les registres d’informations dans les systèmes distribués. En effet, l’ensemble des fonctions cryptographiques ainsi que la nature distribuée de la technologie font de la blockchain, un des outils les plus sécurisés de nos jours pour maintenir un registre de l’information. Les premières applications à avoir adopté cette technologie se trouvent dans le domaine des finances, où il est désormais possible de réaliser des transactions directement entre les utilisateurs sans passer par une autorité centrale. Néanmoins, d’autres domaines ont aussi suscité leurs intérêts pour cette technologie, telle que la médecine, pour le partage sécurisé des données médicales ; l’art et la musique, pour le suivi des droits d’auteur et des redevances ; la gouvernance, pour le vote sécurisé, l’IoT, etc. Or, pour bénéficier d’une telle technologie il est nécessaire de compter avec une haute fiabilité et connectivité, telle que fourni par l’Internet. Dans les réseaux mesh et ad hoc mobile, il est souvent nécessaire de déployer sa propre infrastructure et ses propres services là où l’infrastructure des opérateurs ne sont pas disponibles dus à la géographie du site ou à une situation d’exception comme est le cas de désastres naturels, zone de guerre ou le monitorat des zones protégées pour réaliser des missions déterminées. La dynamiste de ces réseaux rend difficile l’utilisation d’une blockchain pour maintenir un registre d’information. En effet, la mobilité des nœuds peut causer des partitions dans le réseau qui peuvent ou pas être désirées ; des nœuds peuvent apparaitre et disparaitre, les partitions peuvent se séparer ou se réunir en fonction de la mobilité des nœuds. Cela pose un problème pour une blockchain traditionnelle, car les partitions dans le réseau entraînent des forks (des chaînes concurrentes) qui sont souvent résolu en choisissant la chaîne la plus longue et en ignorant les autres chaînes concurrentes. Pour les cas d’utilisation des réseaux mesh et ad hoc mobile que nous cherchons à résoudre, les chaînes concurrentes construites par effet des partitions réseaux peuvent être considérés comme des chaînes légitimes portant des informations relatives à une partition réseau déterminé. Il est donc important d’inclure ces chaînes dans le registre d’information. Dans ce manuscrit de thèse, nous proposons le Blockgraph, une technologie semblable à la blockchain capable de faire face aux partitions réseaux pour les réseaux mesh et ad hoc mobiles. Le Blockgraph, prend la forme d’un graph orienté acyclique en fonction de la mobilité de nœuds et hérite de toutes les propriétés de sécurité de la blockchain. De plus, nous proposons C4M, un algorithme de consensus inspiré en RAFT qui a été adapté au Blockgraph et qui également est tolérant aux partitions du réseau. Pour valider nos solutions, nous avons d’abord implémenté le Blockgraph et C4M dans le simulateur à événements discrets, NS-3. Nous avons réalisé une première étude des performances de chaque système, puis nous avons implémenté le Blockgraph dans des vrais routeurs mesh à mode de proof-of-concept pour valider l’efficacité de notre solution. Finalement nous avons réalisé une étude de performances et présenté nos conclusions.
Origine : Version validée par le jury (STAR)