Методи і засоби побудови мереж Інтернету речей на основі гібридної блокчейн-архітектури з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням вузлами
Тип публікації :
Дисертація
Дата випуску :
9 липня 2026 р.
Автор(и) :
Чепель, Леонід Валерійович
Науковий(і) керівник(и)/редактор(и) :
Мова основного тексту :
Ukrainian
eKNUTSHIR URL :
Цитування :
[APA 7] Чепель, Л. В. (2026). Методи і засоби побудови мереж Інтернету речей на основі гібридної блокчейн-архітектури з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням вузлами [Дис. доктора філософії, Київський національний університет імені Тараса Шевченка]. eKNUTSHIR. https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/35757
[ДСТУ] Чепель Л. В. Методи і засоби побудови мереж Інтернету речей на основі гібридної блокчейн-архітектури з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням вузлами : дис. … доктора філософії : 123 Комп’ютерна інженерія. Київ, 2026. 134 с. URL: https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/35757
Чепель Л. В. Методи і засоби побудови мереж Інтернету речей на основі гібридної блокчейн-архітектури з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням вузлами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 «Комп'ютерна інженерія». – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2026.
Робота присвячена дослідженню та розробці нових методів і засобів побудови блокчейн-орієнтованих мереж Інтернету речей (IoT) з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням обчислювальними вузлами. Особливу увагу приділено підвищенню ефективності функціонування таких мереж у значенні категорії Performance Efficiency стандарту ISO/IEC 25010.
У роботі обгрунтовано потребу в гібридному підході до побудови блокчейн-IoT мереж. Проведений порівняльний аналіз блокчейн-платформ засвідчив, що жодна окрема платформа не задовольняє одночасно всі наступні вимоги: низька затримка, підтримка апаратно обмежених пристроїв, масштабованість та безпека. На основі аналізу наукових джерел сформульовано дослідницькі прогалини: обмеженість існуючих методів координації вузлів та відсутність інтегрованих рішень, що поєднують рівень консенсусу з рівнем розподілу обчислювальних задач.
У дисертації проведено дослідження в трьох взаємопов'язаних напрямах.
1. Гібридна багаторівнева блокчейн-архітектура. Удосконалено модель тришарової кластерної організації IoT-мережі, що включає рівень сенсорів із симетричним шифруванням для апаратно обмежених пристроїв, рівень локальної блокчейн-мережі з підтримкою смарт-контрактів, рівень зовнішньої блокчейн-мережі з агрегацією транзакцій. Розроблено адаптацію архітектури для спеціалізованих сценаріїв.
2. Метод адаптивного консенсусу Proof of Indicators (PoI). Запропоновано та реалізовано консенсус протокол, що поєднує динамічний вибір валідаторів на основі комплексної метрики ефективності, техніку створення оптимізованих блокчейн блоків на основі хешів транзакцій та підхід для зменшення ймовірності розгалужень ланцюга блоків.
3. Модель мультифакторного вибору периферійних вузлів. Розроблено мультифакторну скорингову функцію, що поєднує шість факторів для комплексної оцінки обчислювальних вузлів з лінійною обчислювальною складністю.
Запропоновані рішення оцінено експериментально у контрольованому тестовому середовищі з моделюванням IoT-умов. Результати підтвердили правильність теоретичного підходу, що демонструє практичну придатність розроблених методів.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в обгрунтуванні, розробці та експериментальній перевірці нових методів побудови блокчейн-орієнтованих мереж IoT.
Удосконалено модель гібридної багаторівневої блокчейн-архітектури для мереж IoT, яка, на відміну від відомих рішень, використовує тришарову кластерну організацію з обгрунтованим вибором типу блокчейну для кожного рівня на основі порівняльного аналізу за критеріями пропускної здатності, безпеки та придатності для IoT. Це дозволяє побудувати масштабовану, децентралізовану та безпечну мережу з підтримкою гетерогенних пристроїв та можливістю автономної роботи кластерів.
Уперше запропоновано метод адаптивного консенсусу Proof of Indicators, який, на відміну від консенсусу довірених валідаторів (Proof of Authority, PoA) в реалізації Clique, впроваджує три взаємодоповнюючі удосконалення: динамічний вибір валідаторів на основі комплексної метрики продуктивності, техніку поширення оптимізованих блоків та конфігуровну затримку старту поширення блоку позачерговими вузлами. Як результат – зменшення мережевого трафіку на 20,5%, скорочення кількості розгалужень ланцюга на 80%, підвищення пропускної здатності (TPS) до 10% та зменшення часу поширення блоків на 8,5% у порівнянні з Clique.
Удосконалено модель мультифакторного вибору периферійних вузлів, яка, на відміну від існуючих підходів, несумісних з виконанням в блокчейні, використовує мультиплікативну скорингову функцію з розділенням обчислень поза блокчейном та координації в блокчейні через смарт-контракти. Це дає змогу запобігти концентрації задач на перевантажених вузлах та досягти автоматичного балансування навантаження з лінійною обчислювальною складністю.
Практична цінність роботи полягає в створенні програмних засобів, придатних для безпосереднього впровадження: реалізації консенсусу PoI мовою Go на базі проекту Go-Ethereum, платформи мультифакторного управління вузлами на базі смарт-контрактів та Python-агентів, результатів порівняльного аналізу блокчейн-платформ та моделей для спеціалізованих сценаріїв. Запропоновані рішення функціонують на пристроях класу Raspberry Pi та орієнтовані на широке практичне використання.
Перспективи подальших досліджень передбачають впровадження моделей прогнозування оцінки стану вузлів, розроблення адаптивних ваг факторів скорингової функції, інтеграцію з механізмом шардингу для масштабування на множину кластерів, використання доказів без розкриття інформації (zero-knowledge proof) для верифікації позаланцюгових обчислень та адаптацію комбінованої системи для сценаріїв федеративного навчання в IoT-мережах.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 «Комп'ютерна інженерія». – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2026.
Робота присвячена дослідженню та розробці нових методів і засобів побудови блокчейн-орієнтованих мереж Інтернету речей (IoT) з адаптивним консенсусом та мультифакторним управлінням обчислювальними вузлами. Особливу увагу приділено підвищенню ефективності функціонування таких мереж у значенні категорії Performance Efficiency стандарту ISO/IEC 25010.
У роботі обгрунтовано потребу в гібридному підході до побудови блокчейн-IoT мереж. Проведений порівняльний аналіз блокчейн-платформ засвідчив, що жодна окрема платформа не задовольняє одночасно всі наступні вимоги: низька затримка, підтримка апаратно обмежених пристроїв, масштабованість та безпека. На основі аналізу наукових джерел сформульовано дослідницькі прогалини: обмеженість існуючих методів координації вузлів та відсутність інтегрованих рішень, що поєднують рівень консенсусу з рівнем розподілу обчислювальних задач.
У дисертації проведено дослідження в трьох взаємопов'язаних напрямах.
1. Гібридна багаторівнева блокчейн-архітектура. Удосконалено модель тришарової кластерної організації IoT-мережі, що включає рівень сенсорів із симетричним шифруванням для апаратно обмежених пристроїв, рівень локальної блокчейн-мережі з підтримкою смарт-контрактів, рівень зовнішньої блокчейн-мережі з агрегацією транзакцій. Розроблено адаптацію архітектури для спеціалізованих сценаріїв.
2. Метод адаптивного консенсусу Proof of Indicators (PoI). Запропоновано та реалізовано консенсус протокол, що поєднує динамічний вибір валідаторів на основі комплексної метрики ефективності, техніку створення оптимізованих блокчейн блоків на основі хешів транзакцій та підхід для зменшення ймовірності розгалужень ланцюга блоків.
3. Модель мультифакторного вибору периферійних вузлів. Розроблено мультифакторну скорингову функцію, що поєднує шість факторів для комплексної оцінки обчислювальних вузлів з лінійною обчислювальною складністю.
Запропоновані рішення оцінено експериментально у контрольованому тестовому середовищі з моделюванням IoT-умов. Результати підтвердили правильність теоретичного підходу, що демонструє практичну придатність розроблених методів.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в обгрунтуванні, розробці та експериментальній перевірці нових методів побудови блокчейн-орієнтованих мереж IoT.
Удосконалено модель гібридної багаторівневої блокчейн-архітектури для мереж IoT, яка, на відміну від відомих рішень, використовує тришарову кластерну організацію з обгрунтованим вибором типу блокчейну для кожного рівня на основі порівняльного аналізу за критеріями пропускної здатності, безпеки та придатності для IoT. Це дозволяє побудувати масштабовану, децентралізовану та безпечну мережу з підтримкою гетерогенних пристроїв та можливістю автономної роботи кластерів.
Уперше запропоновано метод адаптивного консенсусу Proof of Indicators, який, на відміну від консенсусу довірених валідаторів (Proof of Authority, PoA) в реалізації Clique, впроваджує три взаємодоповнюючі удосконалення: динамічний вибір валідаторів на основі комплексної метрики продуктивності, техніку поширення оптимізованих блоків та конфігуровну затримку старту поширення блоку позачерговими вузлами. Як результат – зменшення мережевого трафіку на 20,5%, скорочення кількості розгалужень ланцюга на 80%, підвищення пропускної здатності (TPS) до 10% та зменшення часу поширення блоків на 8,5% у порівнянні з Clique.
Удосконалено модель мультифакторного вибору периферійних вузлів, яка, на відміну від існуючих підходів, несумісних з виконанням в блокчейні, використовує мультиплікативну скорингову функцію з розділенням обчислень поза блокчейном та координації в блокчейні через смарт-контракти. Це дає змогу запобігти концентрації задач на перевантажених вузлах та досягти автоматичного балансування навантаження з лінійною обчислювальною складністю.
Практична цінність роботи полягає в створенні програмних засобів, придатних для безпосереднього впровадження: реалізації консенсусу PoI мовою Go на базі проекту Go-Ethereum, платформи мультифакторного управління вузлами на базі смарт-контрактів та Python-агентів, результатів порівняльного аналізу блокчейн-платформ та моделей для спеціалізованих сценаріїв. Запропоновані рішення функціонують на пристроях класу Raspberry Pi та орієнтовані на широке практичне використання.
Перспективи подальших досліджень передбачають впровадження моделей прогнозування оцінки стану вузлів, розроблення адаптивних ваг факторів скорингової функції, інтеграцію з механізмом шардингу для масштабування на множину кластерів, використання доказів без розкриття інформації (zero-knowledge proof) для верифікації позаланцюгових обчислень та адаптацію комбінованої системи для сценаріїв федеративного навчання в IoT-мережах.
Ключові слова :
Інтернет речей блокчейн децентралізовані мережі комп’ютерні системи гібридна архітектура адаптивний консенсус мультифакторний вибір вузлів периферійні обчислення вбудовані системи смарт-контракти Internet of Things blockchain decentralized networks computer systems hybrid architecture adaptive consensus multi-factor node selection edge computing embedded systems smart contracts
Галузі знань та спеціальності :
F7 Комп’ютерна інженерія
Файл(и) :![Ескіз]()
Вантажиться...
Формат :
Adobe PDF
Розмір :
2.3 MB
Контрольна сума :
(MD5):499cb8e89fe1fbeaaf32bdfe0421df07
Якщо не вказано інше, ця робота розповсюджується на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International