區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用研究

時(shí)曄

(廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州，510000)

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

自2008年至今，隨著比特幣的出現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)以互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)庫為核心，是一種以密碼學(xué)算法為基礎(chǔ)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式賬本技術(shù)。針對(duì)中心化模型所帶來的安全問題，區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效確保數(shù)據(jù)與價(jià)值的安全轉(zhuǎn)移，保障數(shù)據(jù)不被篡改，并確保節(jié)點(diǎn)間區(qū)塊數(shù)據(jù)的一致性。

目前區(qū)塊鏈層級(jí)構(gòu)架一般包含了數(shù)據(jù)層、共識(shí)層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及合約層。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層依托于levelDB等數(shù)據(jù)庫，賬戶數(shù)據(jù)以及交易數(shù)據(jù)一般存儲(chǔ)于區(qū)塊體中，區(qū)塊頭則存儲(chǔ)了Merkle樹的根及區(qū)塊父哈希值等。數(shù)據(jù)層包含了非對(duì)稱加密技術(shù)和時(shí)間戳技術(shù)等，為數(shù)據(jù)的不可篡改性和可溯源性奠定了基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)層包含了區(qū)塊同步算法、數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制、節(jié)點(diǎn)間的分布式P2P通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳播等，在區(qū)塊鏈的分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲衅鸬搅藳Q定性作用，能夠完成數(shù)據(jù)傳輸、信息廣播以及節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)等任務(wù)。共識(shí)層涉及了多種較為成熟的區(qū)塊鏈共識(shí)算法，共識(shí)算法作為區(qū)塊鏈的核心機(jī)制，決定了共識(shí)層在區(qū)塊鏈中的重要地位。合約層包含了智能合約的部署、合約接口、日志管理、合約測(cè)試、實(shí)例管理等，能夠在沒有人工干預(yù)的情況下，按照事先約定好的條款，在區(qū)塊鏈上運(yùn)行腳本語言。應(yīng)用層能夠支撐區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、金融貨幣、征信、供應(yīng)鏈、社交娛樂等方面的應(yīng)用的落實(shí)，包含了在區(qū)塊鏈上運(yùn)行的去中心化應(yīng)用程序等[1]。

2 區(qū)塊鏈在實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 無人機(jī)領(lǐng)域

目前，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用急需解決的問題之一即數(shù)據(jù)隱私以及安全問題。區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用有效提升了無人機(jī)管理和調(diào)控的可信度、安全性和效率。有學(xué)者利用哈希算法實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)簽名，將GPS位置信息等通過時(shí)間戳機(jī)制進(jìn)行記錄，利用傳感器和圖像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等，打造了一個(gè)以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的、易于管理的、可擴(kuò)展的、安全性好的無人機(jī)訪問控制系統(tǒng)。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

為了提升駕駛的安全系數(shù)，車輛需要進(jìn)行高效率的數(shù)據(jù)的收集和共享。當(dāng)區(qū)塊鏈技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)，既能夠解決分布式管理構(gòu)架中存在的安全保護(hù)問題和數(shù)據(jù)訪問問題，也能夠解決集中式管理構(gòu)架中車輛不主動(dòng)上傳基礎(chǔ)設(shè)施的問題。有研究者利用區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約提升了路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率和可靠性，利用信譽(yù)數(shù)據(jù)分享方案提升數(shù)據(jù)可信度，這樣人們可以選擇可信度高、質(zhì)量好的數(shù)據(jù)提供者，在確保數(shù)據(jù)共享的安全性和異常車輛的檢測(cè)率方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

2.3 在電網(wǎng)中的應(yīng)用

微電網(wǎng)和間歇性能源是未來能源供應(yīng)的重要組分，有研究者已經(jīng)嘗試將智能電網(wǎng)和區(qū)塊鏈進(jìn)行結(jié)合以提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在電力供應(yīng)和電力需求匹配中利用了人工智能和微交易，有效提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電力資源分布的合理性。除此之外，基于區(qū)塊鏈技術(shù)，人們創(chuàng)新性的構(gòu)建了一個(gè)電力聯(lián)系模型，促進(jìn)成功促進(jìn)了能源的合理交易，打破了能源市場(chǎng)壟斷的局面，讓能源管理的穩(wěn)定性更高。例如，Energo項(xiàng)目巧妙的利用智能合約調(diào)整電網(wǎng)切換的策略過交易規(guī)則，評(píng)估能源消耗量等，將本地微電網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)情節(jié)能源力量、交易、結(jié)算、登記及管理的去中心化系統(tǒng)。

2.4 在農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行需要依賴于傳感數(shù)據(jù)的傳輸，如果將區(qū)塊鏈技術(shù)與傳感器技術(shù)進(jìn)行融合，可以有效提升物聯(lián)網(wǎng)去中心化安全和信任，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源和存證。在具體的運(yùn)輸鏈情景中，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用能夠打造一個(gè)谷物質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用后可以實(shí)現(xiàn)巴西大豆出口收益額的提升。與此同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)\(yùn)輸車輛內(nèi)部的微氣候進(jìn)行檢測(cè)，讓食品公司、供應(yīng)商或運(yùn)輸單位能夠?qū)崟r(shí)掌握物品的運(yùn)輸狀況。此外，基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)供應(yīng)量數(shù)據(jù)的可溯源性，為農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)提供了安全保障[2]。

圖1 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

3 針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈底層技術(shù)研究

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)發(fā)展經(jīng)過了服務(wù)器階段、客戶端階段、開放式云中心階段以及分布式P2P階段，如圖2所示。以云服務(wù)器為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)在安全方面存在較大的漏洞，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性受外界干擾大。相比較而言，基于區(qū)塊鏈的分布式P2P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架能夠在單個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，主動(dòng)拒絕該節(jié)點(diǎn)對(duì)鏈上數(shù)據(jù)的操作。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架發(fā)展歷程

為了尋找更加適合物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈構(gòu)架，相關(guān)學(xué)者基于區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)了新的輕量級(jí)體系構(gòu)架，該構(gòu)架包含了覆蓋網(wǎng)絡(luò)、智能家居、云儲(chǔ)存三個(gè)部分，其中，智能家居層解決了訪問控制和身份認(rèn)證的問題，覆蓋層解決了隱私問題，云儲(chǔ)存層解決了分布式節(jié)點(diǎn)的信任問題。為了促進(jìn)兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域交叉融合，需要相關(guān)人員努力構(gòu)建和設(shè)計(jì)能夠適合物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)構(gòu)架，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的快速發(fā)展，霧計(jì)算與區(qū)塊鏈技術(shù)的結(jié)合將成為區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架的發(fā)展方向。

3.2 共識(shí)算法

共識(shí)算法在確保區(qū)塊鏈去中心化和維護(hù)區(qū)塊鏈的安全性等發(fā)揮了關(guān)鍵作用，可以說，共識(shí)算法是區(qū)塊鏈的核心。在分布式P2P網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時(shí)能夠保障各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)樞蚝蛢?nèi)容的交易記錄進(jìn)行維護(hù)。由于傳統(tǒng)PoW的共識(shí)算法在應(yīng)用時(shí)存在高能耗、低通量以及低可擴(kuò)展性的局限，所以，只有不斷設(shè)計(jì)和優(yōu)化適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的共識(shí)算法才能夠推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加以及人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性的要求的提升，相關(guān)人員可以嘗試?yán)肞oS共識(shí)算法，或者把DPoS和PBFT等共識(shí)算法利用在安全性不嚴(yán)苛的環(huán)境中，讓工作更加節(jié)能和高效。

3.3 智能合約

區(qū)塊鏈技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用離不開各類智能合約的區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)。研究者開發(fā)了基于太坊區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)，在各個(gè)設(shè)備上都保存了私鑰，而在區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)了密碼公鑰，那么物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的配置便可以利用完備語言的智能合約來完成，提升了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理水平[3]。

4 區(qū)塊鏈為物聯(lián)網(wǎng)帶來的新挑戰(zhàn)

4.1 隱私安全

物聯(lián)網(wǎng)研究的重點(diǎn)在于，針對(duì)涉及敏感數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)該重視數(shù)據(jù)隱私安全問題。例如，有學(xué)者創(chuàng)新性的研究出的FairAccess，這是一種利用區(qū)塊鏈來保障物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私安全的有效方式。FairAccess拓展了區(qū)塊鏈應(yīng)用的全新領(lǐng)域，解決了物聯(lián)網(wǎng)中分布式訪問控制的問題。

4.2 節(jié)能高效

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在分布式P2P網(wǎng)絡(luò)中大多是傳感器節(jié)點(diǎn)或是嵌入式終端，其儲(chǔ)存能力和計(jì)算能力相對(duì)不足。無效傳感網(wǎng)絡(luò)可以利用電池功能，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和壽命離不開能源的消耗。因此，區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用很大程度上受到了設(shè)備性能的干擾，相關(guān)人員應(yīng)該重視區(qū)塊鏈節(jié)能高效問題。例如，針對(duì)這一問題，有學(xué)者提出了分層的輕量級(jí)可擴(kuò)展區(qū)塊鏈，優(yōu)化了分布式信任和通量管理算法、共識(shí)算法、數(shù)據(jù)流的分離以及交易路由，成功的降低了能源消耗，擴(kuò)展了區(qū)塊鏈在低性能物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

4.3 通量性能

區(qū)塊鏈的通量性能的改進(jìn)是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的重要途徑。有學(xué)者開發(fā)出一種以物聯(lián)網(wǎng)霧計(jì)算為基礎(chǔ)的區(qū)塊鏈云構(gòu)架，響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通量等都能夠被利用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理評(píng)估，有效提升了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)通量。但是，對(duì)于通量性能的優(yōu)化我們?nèi)悦媾R著較大的挑戰(zhàn)，需要重視這一領(lǐng)域的研究[4]。

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)逐漸在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，例如，無人機(jī)領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域等，相關(guān)人員需要熟悉掌握物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈底層技術(shù)研究，不斷優(yōu)化和改進(jìn)其隱私安全、通量性能等，推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。