Ứng dụng Blockchain trong xây dựng thành phố thông minh
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG 07/2020
ỨNG DỤNG BLOCKCHAIN TRONG XÂY DỰNG THÀNH PHỐ THÔNG MINH
ThS. Phạm Minh Tuấn(*)
ThS. Đỗ Phúc Hảo(**)
Tóm tắt
Xây dựng thành phố thông minh đang được triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới
cũng như ở Việt Nam. Với việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo, điện toán đám mây và Internet vạn
vật, việc quản lý và điều hành cũng như dịch vụ tại các thành phố thông minh trở nên dễ dàng
và tiết kiệm chi phí hơn. Tuy nhiên, nhu cầu dich vụ, quản lý lớn dẫn đến việc truyền tải và xử
lý dữ liệu lớn trở nên khó khăn đối với mô hình truyền thống. Nghiên cứu này đề xuất áp dụng
blockchain trong việc truyền dẫn và xử lý dữ liệu ở thành phố thông minh. Nghiên cứu đã cho
thấy việc ứng dụng blockchain có thể giảm chi phí và tăng khả năng tính toán trong các dịch
vụ của thành phố thông minh lên hàng trăm lần.
1. Đặt vấn đề
Thành phố thông minh là một nhu cầu
Tuy nhiên, trong vi c xây dựng thành
phố thông minh hi n nay, hầy hết đều theo
mô hình x lý tập trung. Ngh a là t t c các
dữ li u thu thập đ c trong thành phố đều
đ c tập trung t i trung tâm dữ li u. Mô
hình này tuy d qu n lý nh ng ch a t nh t i
vi c thu thập và x lý các dữ li u l n. Hầu
hết các h thống đều bị tê li t không ho t
động sau khi l p đặt xong h thống. Nguyên
nhân chính là dữ li u trong các mô hình
thành phố th ng minh th ờng là r t l n và
kh năng x lý t i trung tâm dữ li u c ng
nh ăng th ng đ ờng truyền hi n t i là h n
chế. Vì vậy, vi c truyền t i dữ li u về trung
tâm dữ li u c ng nh x lý các dữ li u này
trong thời gian thực là một v n đề cần gi i
quyết.
c p thiết đối v i c d n c ng nh ch nh
quyền hi n nay trong xu thế tốc độ đ thị
h a ngày càng tăng ở n c ta c ng nh tr n
thế gi i hi n nay. Đặc bi t là trong bối c nh
thiết h t về ngu n nhân lực qu n lý hay ho t
động trong l nh vực nh m i tr ờng, giao
th ng năng l ng,... thì vi c áp d ng công
ngh th ng tin[1] c ng nh tr tu nhân t o
là một trong những ph ơng ph p quan trọng
trong vi c xây dựng thành phố thông minh.
V i vi c phát triển công ngh thông tin về
đi n to n đ m m y [2] Internet v n vật
(IoT) [3] hi n nay, chúng ta có thể thu thập
dữ li u l u trữ và x lý các bài toán xã hội
hay cung c p dịch v cho thành phố v i chi
phí th p. Từ đ vi c cung c p cho thành
phố các gi i ph p nh giao th ng th ng
minh, qu n lý năng l ng, ch t th i thông
minh đã di n ra ở nhiều thành phố l n trên
thế gi i. Dẫn đến, khái ni m thành phố
th ng minh đ c hình thành.
Trong nghiên cứu này ài o đề xu t
mô hình x lý phân tán s d ng công ngh
blockchain[4] nhằm gi i quyết v n đề l u
trữ và x lý tập trung mà các mô hình thành
phố thông minh hi n nay đang gặp ph i. Các
block trong blockchain sẽ đ ng vai trò nh
một v tinh thu thập, x lý và cung c p dữ
li u. Ngoài ra m hình đề xu t này còn là
một trong những gi i pháp b o mật dữ li u,
(*) Gi ng viên Khoa CNTT, Tr ờng ĐH Bách khoa ĐN
(**) Gi ng viên Khoa CNTT Tr ờng ĐH Kiến trúc ĐN
19
07/2020
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG
giúp cho các dữ li u thu thập đ c đ m b o
đ c tính minh b ch của nó.
toàn an ninh, giao thông thông minh. Tầng
nền t ng tích h p cung c p các công c ,
dịch v dùng chung để phát triển và tích h p
các h thống dịch v . Tầng qu n lý dữ li u
l n qu n lý t t c các ngu n tài nguyên số
của thành phố nh c c dữ li u trong các
ho t động đô thị m i tr ờng nh giao
thông, an ninh công cộng n c l y từ các
h thống c m biến (IoT) trong thành phố
thông minh hay từ m ng xã hội. Tầng trung
tâm qu n lý dữ li u x lý và đ m b o ho t
động toàn bộ thành phố th ng minh. Đ y là
tầng quan trọng nh t d i góc nhìn của ứng
d ng công ngh thông tin trong thành phố
thông minh. Tầng h tầng truyền dẫn đ m
b o sự kết nối toàn bộ các h thống CNTT
c ng nh kết nối đến các h thống IoT của
các ứng d ng thông minh. Tầng IoT/M2M
g m các thực thể vật lý và thực thể o. Tầng
cuối cùng là các thiết bị sensor vật lý để
giúp thành phố nhìn nghe đo đếm đ c các
đối t ng cần quan sát.
Báo cáo này g m 4 m c. M c đầu là
đặt v n đề. M c thứ 2 đ a ra tổng quan về
thành phố thông minh hi n nay. Muc thứ 3
đề xu t ph ơng ph p ứng d ng blockchain
cho vi c thu thập, x lý và cung c p dữ li u
trong trong mô hình thành phố thông minh.
M c cuối cùng là kết luận của bài báo.
2. Tổng quan về thành phố thông minh
Hi n nay ch a c một định ngh a
chính thức về thế nào là một thành phố
thông minh. Tuy nhiên, mỗi khu vực trên
thế gi i có một định h ng ri ng để phát
triển mô hình thành phố thông minh. Các
n c Ch u Âu h ng t i m i tr ờng xanh,
tiết ki m năng l ng hay giao thông minh.
C c n c châu Á l i h ng t i ứng d ng
Công ngh Thông tin trong chính quyền, y
tế, giáo d c, qu n lý đ thị trong quá trình
xây dựng thành phố thông minh. Tuy nhiên
có thể có một số tiêu chí chính chung cho
các thành phố thông minh trên thế gi i là:
Nền kinh tế thông minh, giao thông thông
minh m i tr ờng thông minh, qu n lý đ thị
thông minh, công dân thông minh hay cuộc
sống th ng minh. Để triển khái t t c những
v n đề trên thì công ngh thông tin là một
phần không thể thiếu. Mô hình kiến trúc
tổng thể của một thành phố thông minh có
thể tổng qu t h a nh Hình 1. C 8 tầng
trong kiến trúc này. Tầng đầu tiên là tầng
giao di n ng ời dùng. Ở tầng này, các h
thống t ơng t c đ c cung c p nhằm giúp
cho c c đối t ng li n quan t ơng t c v i
các dịch v trong mô hình thành phố thông
minh. Tầng ứng d ng cung c p dịch v
thuộc c c l nh vực của đời sống xã hội,
trong đ c h thống du lich thông minh,
giáo d c thông minh, y tế thông minh, an
20
Hình 1. Mô hình kiến trúc tổng thể của 1
thành phố thông minh.
Tuy nhiên trong mô hình tổng thể trên,
vi c triển khai gặp nhiều v n đề kh khăn vì
l ng dữ li u l u th ng c ng nh cần x lý
th ờng r t l n. Kh năng về cơ sở h tầng
của hầu hết các thành phố trên thế gi i
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG 07/2020
th ờng kh ng đ p ứng đ c v i nhu cầu
thực tế. L y một ví d đơn gi n về h thống
giám sát s d ng camera trong thành phố
thông minh. Có camera liên t c g i dữ
li u về trung tâm x lý dữ li u v i
frames/s. Mỗi frame là một hình nh g m
điểm nh. Mỗi điểm nh đ c bi u
di n bằng 4 byte thì cứ mỗi gi y l ng dữ
li u g i về trung tâm dữ li u là byte.
Nếu số l ng camera là , hình nh
đủ m t để xem thì và độ phân gi i
tối thiểu của một bức nh là
thì dữ li u g i về trung tâm dữ li u là
261.12 GByte trên giây. Ch a n i t i x lý
dữ li u này, thì vi c truyền dữ li u về trung
tâm dữ li u ở đ y c ng đã là một thách thức
cần gi i quyết.
Trong mô hình này, v n đề b o mật
c ng đ c nêu ra. Dữ li u trong quá trình x
lý có thể bị thay đổi bởi các qu n trị viên
hay hacker v i các m c đ ch phi ph p. Vì
vậy nghiên cứu một mô hình b o mật hơn là
một nhu cầu c p thiết không vi c xây dựng
thành phố thông minh.
3. Mô hình đề xuất
Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu
đề xu t mô hình phân tán s d ng kỹ thuật
chuỗi khối (Blockchain) nhằm gi i quyết
v n đề truyền t i l u trữ và x lý dữ li u
trong thành phố thông minh. Blockchain là
một kỹ thuật đ c sinh ra trong m c đ ch
xây dựng tiền o v i tính b o mật l n.
Blockchain là kỹ thuật l u trữ và truyền t i
thông tin bằng các khối đ c liên kết v i
nhau và mở rộng theo thời gian. Mỗi khối
chứa đựng các thông tin về thời gian khởi
t o và đ c liên kết v i các khối tr c đ .
Cách thức kết nối đ c mã hoá bằng một
ph ơng ph p mã h a khiến cho dữ li u nếu
c thay đổi sẽ không thể t ơng th ch v i các
dữ li u tiếp theo về mặt thời gian. Vì thế,
vi c xác thực dữ li u trong mô hình
blockchain này r t phù h p cho mô hình
thành phố thông minh trong vi c l u trữ dữ
li u một cách an toàn nh t. Ngoài ra đặc
bi t blockchain còn có kh năng truyền t i
dữ li u mà kh ng đòi hỏi trung gian để xác
nhận thông tin. H thống blockchain bao
g m nhiều n t độc lập có kh năng x c thực
và l u trữ thông tin. Mỗi nút có thể đ c
tham gia bởi ng ời dùng trong cộng đ ng
tham gia, vì thế hoàn toàn có thể áp d ng
mô hình blockchain này trong mô hình
thành phố th ng minh mà trong đ mỗ
ng ời dẫn trong thành phố sẽ là một nút của
m ng l i s d ng và cung c p dịch v x
lý l u trữ dữ li u trong thành phố.
Hình 2. Mô hình server trung gian
Để kh c ph c tình tr ng quá t i trong
quá trình truyền t i và x lý dữ li u, các mô
hình server trung gian th ờng đ c đề xu t
để gi i quyết v n đề nh Hình 2. C c dữ
li u sẽ không trực tiếp chuyển về trung tâm
x lý dữ li u mà sẽ thông qua server trung
gian. T i server trung gian, những dữ li u sẽ
đ c x lý và tr kết qu về cho ph a ng ời
dùng. Mô hình này tuy c i thi n một phần
trong vi c x lý dữ li u nh ng đòi hỏi chi
ph đầu t l n và c độ tr trong quá trình
truyền dẫn dữ li u.
21
07/2020
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG
Hình 3. Mô hình phân tán dữ liệu sử
Hình 4. Các bước truyền dữ liệu trong
dụng blockchain
mô hình blockchain
Hình 3 là m hình đề xu t s d ng
blockchain trong vi c xây dựng h tầng t i
thành phố th ng minh [5]. Ng ời dân trong
thành phố sẽ cùng tham gia s d ng c ng
nh cung c p dịch v trong thành phố thông
minh. Để làm đ c nh vậy, những ng ời
tham gia cung c p dịch v sẽ s d ng các
server cá nhân (User Server) tham gia vào
h thống h tầng công ngh thông tin của
thành phố thông minh. Các dữ li u cần l u
trữ hay x lý không trực tiếp g i về trung
tâm dữ li u mà sẽ thông qua các server cá
nhân. Các server cá nhân này sẽ tính toán và
tr về kết qu ngay cho ph a ng ời dùng đầu
cuối (End User).
Gi s , thành phố cung c p dịch v
truyền hình trực tuyến cho toàn thành phố.
C c c thực hi n yêu cầu, truyền t i và
xác thực dữ li u nh Hình 4. C c c g i
yêu cầu và nhận dữ li u có thể đ c mô t
nh sau:
Bước 1: Khi ng ời dùng đầu cuối 1
(End user 1) muốn xem truyền hình trực
tuyến ng ời dùng đ sẽ g i yêu (request)
cầu t i trung tâm dữ li u.
Bước 2: Trung tâm dữ li u sẽ không
g i dữ li u hình nh trực tiếp về ph a ng ời
dùng đầu cuối 1 mà sẽ g i cho server cá
nhân 1 (User server 1) gần đ để l u trữ.
Qu trình đ sẽ đ c xác thực trong kỹ thuật
chuỗi khối (blockchain).
Câu hỏi đặt ra ở đ y là những ng ời
cung c p server cá nhân sẽ đ c gì khi tham
gia vào mô hình này. Khi tham gia các dịch
v của trong mô hình thành phố thông minh,
ng ời tham gia dịch v ph i tr chi phí tham
gia. Những ng ời cung c p server cá nhân
sẽ đ c gi m chi phí dịch v hay nhận đ c
thù lao cho vi c tham gia server cá nhân
này. Sau đ y là một dịch v ví d trong mô
hình thành phố thông minh.
Bước 3: Sau đ từ server cá nhân 1,
dữ li u sẽ chuyển về ng ời dùng đầu cuối 1.
Bước 4: T i thời điểm này, khi những
ng ời dùng đầu cuối kh c End user 2 c ng
muốn s d ng dịch v truyền hình này và
c ng cùng một nội dung nh ng ời dùng 1
thì khi yêu cầu đến trung tâm dữ li u, trung
tâm dữ li u sẽ g i địa ch server cá nhân có
dữ li u cần thiết gần đ và mã x c thực về
cho ng ời dùng. Từ đ ng ời dùng đầu
cuối 2 sẽ yêu cầu server cá nhân 1 g i nội
dung bằng cách g i mã xác thực đã nhận
22
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG 07/2020
đ c cho server c nh n 1 đ . C c mã x c
thực sẽ sẽ đ c coi nh một giao dịch trong
mô hình chuỗi khối và đ c l u trữ nh c c
mô hình tiền o hi n nay. Đ là tiền đề để
tính toán chi phí của những thành viên tham
gia server cá nhân.
nghìn server c nh n để h thống ch y ổn
định. Tốc độ x lý lúc này sẽ tăng 100 lần
so v i mô hình truyền thống.
4. Kết luận
Nghiên cứu này đã trình ày tổng quan
về vi c xây dựng thành phố thông minh.
Chú trọng vào vi c xây dựng mô hình ứng
d ng công ngh thông tin [5] trong thành
phố thông minh. Ch ra b t cập trong vi c
truyền t i, cập nhật và x lý dữ li u t i các
mô hình hi n t i. Nghiên cứu đề xu t s
d ng kỹ thuật khối chuỗi (Blockchain) trong
thành phố thông minh v i kh năng truyền
t i dữ li u l n. Lý thuyết chứng minh cho
th y kh năng x lý của m hình đề xu t
tăng g p 100 lần so v i các mô hình truyền
thống. Cho th y m hình đề xu t có thể áp
d ng trong vi c triển khai h thống thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bước 5: Dữ li u đ c chuyển t i ng ời
dùng đầu cuối 2 sẽ không do trung t m đ m
đ ơng mà là do server ng ời dùng 1 ph
trách. Vì vậy vi c x lý và truyền t i t i
trung tâm dữ li u sẽ thuận l i và nhanh
ch ng hơn.
Đ nh gi m hình này ta th y nếu mỗi
nội dung của truyền hình trực tuyến có
Mbyte và có server cá nhân thì trung tâm
dữ li u ch m t Mbyte cho vi c truyền
t i. Trong khi đ trong m hình truyền
thống, dữ li u từ trung tâm dữ li u g i trực
tiếp c c ng ời dùng đầu cuối thì dữ li u
truyền t i sẽ r t l n. Gi s có ng ời dùng
đầu cuối thì ta ph i m t Mbyte cho vi c
truyền t i dữ li u. Vì vậy, v i các nhỏ,
vi c truyền t i dữ li u sẽ gi m đi r t nhiều.
[1]. Enticknap, Nicholas (Summer 1998),
"Computing's
Resurrection,
Golden
The
Jubilee",
Computer
Conservation Society (20), ISSN 0958-
7403, retrieved 19 April 2008
Tuy nhiên t i các server cá nhân, dữ li u
truyền t i sẽ là
vì mỗi server cá nhân sẽ
[2]. Oestreich,
"Converged
Ken,
(2010-11-15).
CTO
cung c p dịch v trung bình cho ng ời
Infrastructure".
dùng đầu cuối. Vì thế nếu nhỏ, dữ li u
truyền t i t i các server cá nhân sẽ r t l n.
Vậy để cân bằng h thống thì
Forum. Thectoforum.com. Archived
from the original on 2012-01-13.
Retrieved 2011-12-02.
[3]. Santucci, Gérald. "The Internet of
Things: Between the Revolution of the
Internet and the Metamorphosis of
Objects" (PDF). European Commission
Community Research and Development
Information Service. Retrieved 23
October 2016.
Suy ra
√
V i là năng lực của server cá nhân so
v i năng lực của server t i trung tâm dữ
li u. Nếu thành phố có 1 tri u ng ời là
ng ời dùng đầu cuối và mỗi server cá nhân
c năng lực bằng 1 phần 100 năng lực của
server t i trung tâm dữ li u thì ch cần 10
[4]. M. Babaioff, S. Dobzinski, S. Oren, and
A. Zohar. On bitcoin and red balloons.
research.microsoft.com/pubs/156072/bi
tcoin.pdf, 2011
23
07/2020
KỶ YẾU HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC & GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG
[5]. H. Lee, M.G. Hancock, and M. Hu,
Seoul and San Francisco,
Technological Forecasting and Social
Change, in press, 2014.
Towards an effective framework for
building smart cities: Lessons from
24
6 trang
21340
Free
Bạn đang xem tài liệu "Ứng dụng Blockchain trong xây dựng thành phố thông minh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ung_dung_blockchain_trong_xay_dung_thanh_pho_thong_minh.pdf
