本文档属于类型a（单篇原创研究报告），以下是针对该研究的学术报告：

作者及机构
本研究的作者为Ying Li、Yaxin Yu和Xingwei Wang，均来自中国东北大学计算机科学与工程学院（College of Computer Science and Engineering, Northeastern University）。研究论文《Three-tier storage framework based on TBchain and IPFS for protecting IoT security and privacy》发表于2023年8月的《ACM Transactions on Internet Technology》期刊第23卷第3期，文章编号37。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于物联网（IoT）安全与隐私保护领域，结合区块链技术与星际文件系统（IPFS）解决当前IoT架构中的核心问题。传统IoT基础设施高度中心化，存在单点故障风险，导致数据安全和隐私问题。区块链技术因其去中心化（decentralization）、不可篡改（non-tampering）、透明可追溯（transparency and traceability）等特性，被视为潜在的解决方案。然而，区块链本身存在扩展性限制（scalability limitations）和存储扩展性差（poor storage extensibility）的问题，难以直接与IoT集成。

研究目标
本研究提出了一种基于三层架构区块链（TBchain）和IPFS的存储框架，旨在：
1. 通过TBchain提升区块链的扩展性和存储扩展性；
2. 利用IPFS实现IoT数据的去中心化存储；
3. 通过分层区块链网络（hierarchical blockchain network）和访问控制机制保障IoT数据的安全性与隐私性。

研究流程与方法

1. TBchain三层架构设计

研究流程
- 架构分层：TBchain分为三层：
- 超级区块链（Super Blockchain, SB）：最高层，负责将数据推送至以太坊（Ethereum）。
- 中间区块链（Middle Blockchain, MB）：中层，存储底层区块链的终端块（Terminal Block, TB）哈希。
- 底层区块链（Underlying Blockchain, UB）：最下层，直接存储IoT交易数据。
- 区块类型：每层包含多种区块类型，如创始块（Genesis Block, GB）、数据块（Data Block, DB）和终端块（TB），通过哈希绑定确保数据不可篡改。

创新方法
- 横向扩展性：通过将交易拆分到不同层级的区块链中，实现并行处理，提升吞吐量。
- 存储优化：仅将哈希值推送至以太坊，而非完整数据，减少区块链存储压力。

2. 分层区块链网络与IPFS集成

研究流程
- 数据存储：IoT数据存储在IPFS中，仅将IPFS文件的哈希值存入TBchain。
- 隐私保护：通过以太坊地址和文件名称的双重验证控制数据访问权限。

实验方法
- 模拟环境：在Windows系统（Intel i7-7700HP CPU, 16GB RAM）上模拟TBchain和IPFS的集成。
- 参数设置：测试不同数据块数量（UB和MB的块数设为1、5、10）对交易吞吐量和存储效率的影响。

3. 性能与安全性验证

实验设计
- 吞吐量测试：对比TBchain与以太坊的交易处理速度。
- 存储效率测试：分析TBchain通过哈希绑定减少以太坊存储压力的效果。
- 安全性测试：验证IPFS文件的防篡改性和访问控制机制的有效性。

主要研究结果

1. 扩展性提升

   • 当UB和MB的数据块数均为10时，TBchain的交易吞吐量达到以太坊的117.8倍（500笔交易测试）。
     
   • 公式证明：吞吐量提升倍数与UB和MB的数据块数乘积成正比（见原文公式5）。
     

2. 存储扩展性优化

   • 一个以太坊区块（存储40个哈希）可验证4000笔TBchain中的交易，存储效率提升100倍。
     
   • IPFS存储5GB文件时，仅需在区块链中保存其哈希值。
     

3. 安全与隐私保障

   • 访问控制：只有注册用户和设备可上传或访问数据（图18-23）。
     
   • 防篡改：IPFS基于内容寻址（content addressing），任何文件修改均会导致哈希值变化。
     

结论与价值

科学价值
1. 提出TBchain三层架构，首次通过分层区块链解决扩展性与存储扩展性问题。
2. 结合IPFS与区块链，实现IoT数据的去中心化存储与隐私保护。

应用价值
1. 为大规模IoT应用提供可扩展的区块链解决方案。
2. 通过访问控制机制赋予用户对个人数据的完全控制权，避免中心化服务的隐私泄露风险。

研究亮点

1. 创新架构：TBchain是首个针对IoT设计的三层区块链模型，支持动态扩展。
   
2. 跨技术整合：首次将IPFS与分层区块链结合，兼顾存储效率与安全性。
   
3. 性能突破：实验证明TBchain的吞吐量可达以太坊的百倍以上。
   

其他有价值内容

• 开源工具：研究使用IPFS-API和以太坊测试链Ropsten，代码可复现。
  
• 安全分析：对比现有方案（如Modular Consortium、MBS等），TBchain在扩展性、存储效率和隐私保护上均占优（表6）。
  

此研究为区块链与IoT的深度融合提供了理论框架与实践验证，对未来分布式物联网系统的设计具有里程碑意义。