Using Blockchain for IoT decentralization

Abstract

The integration of Internet of Things (IoT) and Blockchain technologies presents a compelling opportunity to address longstanding challenges related to data integrity, trust, and decentralization in distributed systems. Blockchain is a specific implementation of distributed ledger technologies (DLTs), known for its security, trust, and decentralization. IoT, on the other hand, has become increasingly relevant, generating vast amounts of data and requiring high uptime for connected devices, which are susceptible to data tampering, privacy breaches, and single points of failure. Blockchain, and more broadly Distributed Ledger Technologies (DLTs), offer a decentralized approach to securing data exchanges and ensuring system resilience. This dissertation explores the integration of Blockchain with an IoT network, whilst also exploring other DLT specifications such as Tangle, Hashgraph, Sidechains, and Holochain, assessing their suitability for integration within IoT architectures. Particular emphasis is placed on Hyperledger Fabric, a permissioned blockchain framework tailored for enterprise-grade applications. A complete permissioned network was developed, including customized smart contracts, chaincode, and a REST gateway to simulate the exposition to real world IoT interactions. Two state database configurations, LevelDB and CouchDB, were analysed to evaluate trade-offs between performance and query flexibility. Standard benchmarking was performed using Hyperledger Caliper, followed by IoT tailored experiments employing real sensor data. The results show that Hyperledger Fabric can sustain stable throughput, low latency, and full transactional reliability across different workloads. LevelDB exhibited higher performance in ingestion intensive scenarios, whereas CouchDB provided greater analytical capability through JSON-based rich queries. The adopted data model, based on composite keys (sensorID:timestamp), proved scalable and efficient for time-ordered sensor readings. Overall, the findings validate the viability of Hyperledger Fabric as a backbone for decentralized IoT data infrastructures, capable of ensuring integrity and scalability while supporting modular extensions for analytics and real time applications; - Resumo: Utilização da Blockchain para a Descentralização da IoT - A integração das tecnologias IoT e Blockchain representa uma oportunidade para abordar desafios persistentes relacionados com a integridade dos dados, a confiança e a descentralização em sistemas distribuídos. A Blockchain é uma implementação específica das Distributed Ledger Technologies (DLTs), reconhecida pelas suas propriedades de segurança, confiança e descentralização. A IoT tem vindo a crescer, gerando grandes volumes de dados e exigindo elevada disponibilidade de dispositivos, que são vulneráveis a adulteração de dados, quebras de privacidade e pontos únicos de falha. A Blockchain, e mais amplamente as DLTs, oferecem uma abordagem descentralizada para garantir a segurança das trocas de dados e a resiliência do sistema. Esta dissertação explora a integração da Blockchain com uma rede IoT, analisando outras abordagens como Tangle, Hashgraph, Sidechains e Holochain, avaliando a sua adequação à integração em arquiteturas IoT. É dada especial ênfase à Hyperledger Fabric, uma framework de blockchain privada, direcionada para aplicações empresariais. Foi desenvolvida uma rede privada, os respectivos smart contracts, e uma REST Gateway, para simular a exposição a interações IoT do mundo real. Foram analisadas duas configurações da base de dados de estado, LevelDB e CouchDB, de modo a avaliar os compromissos entre desempenho e flexibilidade de consulta. O benchmarking foi realizado com o Hyperledger Caliper. Os resultados demonstram que a Hyperledger Fabric consegue manter um throughput estável, baixa latência e total fiabilidade transacional sob diferentes cargas de trabalho. A LevelDB apresentou melhor desempenho em cenários intensivos de inserção de dados, enquanto a CouchDB ofereceu maior capacidade analítica através de consultas ricas baseadas em JSON. O modelo de dados adotado, baseado em chaves compostas (sensorID:timestamp), revelou-se escalável e eficiente para leituras de sensores ordenadas temporalmente. Em suma, os resultados obtidos validam a viabilidade da Hyperledger Fabric como infraestrutura base para sistemas descentralizados de dados IoT, capazes de assegurar integridade e escalabilidade, enquanto suportam extensões modulares para análise e aplicações em tempo real.