区块链技术在物联网中应用的思路探讨

　　物联网作为新一代信息通信技术高度集成和综合应用的典范，正在与经济社会深度融合，深刻改变生产活动、社会管理、公共服务。随着物联网技术在各行业中的普及和不断深化，人类社会正进入“万物互联”的新时代，可穿戴设备、智能家电、自动驾驶汽车、智能机器人等数以百亿计的新设备将接入网络，也使得物联网成为当今全球技术创新最活跃、应用空间最广阔的领域之一。

　　云计算、大数据、新一代移动通信技术与智能感知、行业应用相互交织，激荡融合，不断激发创新活力，成为物联网发展的新动力。区块链技术作为当前国内外的焦点技术之一，可能会对未来技术创新和产业变革产生重要影响。在物联网中如何定位和应用区块链技术值得进一步思考和探讨。

　　区块链的技术与应用情况

　　区块链的概念首次在2008年底由化名中本聪(Satoshi Nakamoto)发表在比特币论坛中的论文中提出。论文中区块链技术是构建比特币数据结构与交易信息加密传输的基础技术，该技术实现了比特币的挖矿与交易。

　　区块链是分布式数字存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成应用。从狭义上讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义而言，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问安全、利用智能化合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。与传统的数据库技术相比，区块链具备3个特点：一是数据的不可篡改性;二是系统集体维护;三是信息的公开透明。同时，相对传统数据库技术，现阶段的区块链技术数据吞吐量小，读写时延较大，更适合低频率、小数据的可靠存储和处理。

　　从现有的区块链的技术应用看，区块链基础架构一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组合。其中，数据层封装了底层数据区块以及相关数据加密和时间戳等技术;网络层则包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等;共识层主要封装网络节点的各类共识算法;激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，主要包括经济激励的发行机制和分配机制等;合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特征的基础;应用层则封装了区块链的各种应用。在这一模型中，基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、灵活可编程的智能合约是区块链技术最具创新性的技术环节。

　　全球区块链应用探索非常活跃，总体而言还处于小规模的概念验证阶段。当前的区块链技术应用主要集中在两个方面：

　　一是在不同机构或个人之间缺乏互信并缺少中介的情况下，实现数据的直接交换。区块链技术源于比特币，是比特币的底层数据存储技术，因此金融是区块链应用最热门的领域。美国Ripple公司早在2012年就已经引入区块链技术为多家银行提供跨境转账、清算和支付服务，与SWIFT(环球同业银行金融电讯协会)等传统渠道相比，能够节约1/3手续费，把跨行对账等操作时间从数天压缩到几秒。区块链在数字货币、支付结算、证券交易、互助保险等金融场景中的应用也受到高度重视。此外，在能源领域，美国公司Brooklyn MicroGrid等使用区块链技术，智能电网的用户无需通过电力公司就能进行电力资源的灵活交换。在医疗领域，瑞士公司HealthBank和美国公司Gem采用区块链技术存储医疗数据，帮助多家医院和医疗机构直接交换电子病历。

　　二是用于重要数据的保全与可靠存储。利用区块链不可篡改的特点，重要数据(如权属、协议、票据等法律文书)的保全成为应用探索的热点。目前，爱沙尼亚、格鲁吉亚等国家政府正尝试采用区块链技术对重要资产进行登记，开展了土地注册、商业登记、电子征税等重要信息的登记工作。美国法律服务公司Pryor Cashman推出了数字产品(如音乐、视频等)的交易平台“Monograph”，采用区块链技术解决数字艺术品的权属和认证问题。国内网站“保全网”通过区块链技术对互联网金融平台的身份信息、操作记录以及保险业务中的保险凭证等电子数据的真实性进行认证，并与公证处和司法鉴定中心对接，可以提供公证书、司法鉴定报告等服务。

　　区块链技术在物联网中应用的思路探讨

　　应该说，区块链最核心的价值便是通过程序算法来建立一个公开透明的规则，以此为基础来创立一个信任网络，确保点对点之间的信任与交易的安全，这就摒弃了传统的中心化的第三方机构，也省去了统一的账簿更新和验证环节。而随着物联网规模的不断扩大，构建百亿级设备的“巨系统”，物联网面临的安全隐私保护、数据真实性保障、系统可扩展性和信息共享等的一系列挑战，应用区块链技术的空间十分广阔。总体而言，区块链技术在物联网中应用主要在以下3个方面。

　　物联网的核心理念是通过传感器等感知设备将物理世界的隐性数据转化为显性数据，进而从显性数据中获得客观世界的运行规律和相关知识。作为物理世界在网络信息空间的投射，物联网对数据在产生、传输、处理过程中的真实性具有更高的要求，这也是区块链技术在物联网中可能应用的主要方向之一。在产品追溯、车联网等领域均有广阔的应用空间。

　　以产品追溯为例。产品追溯是物联网技术的重要应用领域之一，目前广泛应用在农牧产品原产地追溯，工业生产的原材料和零配件追溯，以及消费品防伪等方面。其主要实现方式是为追溯产品分配惟一的标识(可以是RFID射频标签、二维码等多种形式)，在标识中关联产品的相关信息(如原产地信息、制造企业信息等)，采购该产品的企业或消费者可通过标识识别装置(如RFID读写器、手机二维码扫描等)对标识中的信息进行读取，实现对产品信息的追溯、真伪查询等功能。在产品溯源过程中应用区块链技术，可形成多方参与且信息透明、共享、保真的溯源链。在产品的生产、加工、销售等多个环节建立区块链账本，建立真品溯源的全程链式路径，直达最终使用方或消费者。以肉类产品为例建立的溯源链结构如图1所示。

　　图1 肉类产品溯源链结构

　　利用区块链技术构建的溯源链，具有数据公开透明、不可伪造、不可篡改、不可撤销的特点，能够从技术上解决产品数据的真实性问题。在这一溯源链中，不论是生产企业、经销商、零售商，还是监管部门均能够基于溯源链对各个环节的数据进行共享，有效地解决了目前产品溯源中数据可能在某一环节遭到篡改而造成整体数据失真问题。另外在车联网的V2X交互过程中，为了保证高即时性和高不确定性的路况信息在车辆之间的可靠性传递，避免由于数据信息真实导致失效，也可以利用区块链技术构建“路况链”，保障信息的透明、可靠传递。

　　区块链技术增强物联网系统的安全性

　　随着万物互联时代的到来，物联网安全威胁日益凸显。物联网节点分布广，数量多，应用环境复杂，计算和存储能力有限，这使得物联网的安全性相对脆弱。随着物联网应用在工业、能源、电力、交通等国家战略性基础行业，一旦发生安全问题，将造成难以估量的损失。从伊朗的震网病毒攻击核设施的事件、2015年底乌克兰电网受木马影响而局部停电事件到2016年美国发生的物联网终端被木马控制发起攻击导致互联网瘫痪的事件，物联网安全问题日益突出。与安全相关的，还有物联网的数据隐私保护。随着物联网平台化的发展，对于行业用户而言，如何保证物联网中的数据隐私也是亟需解决的问题之一。而不论是安全还是隐私保护，物联网中应用的仍是在互联网或通信网中常规的安全防护技术和手段。这种“嫁接”对物联网本身在安全和数据隐私保护方面的特定要求考虑并不充分，也难以应对物联网设备数量大幅度增长带来的扩展性问题。物联网的安全风险及安全需求如图2所示。

　　图2 物联网的安全风险及安全需求

　　区块链技术的应用能够在一定程度上提升物联网的系统安全性，当前主要在以下方面起到重要作用。

　　一、 物联网节点合法性身份的鉴别。由于物联网感知设备有限的计算、存储能力，造成感知设备上难以应用复杂度较高、对节点性能要求较高的安全措施，被仿冒的风险较高。区块链的验证和共识机制有助于识别合法的物联网节点，避免非法或恶意的物联网节点或设备的接入。

　　二、 物联网数据的隐私保护。集中式的物联网方案由平台对感知数据进行汇聚和处理。对于接入到物联网平台的行业用户而言，面临着物联网平台在未经许可的方式下存储和转发涉及用户隐私的物联网数据。区块链带来的分布式、无中心化结构，以及对所有传输数据进行加密处理的方式，将能够有效的解决这方面的问题。

　　三、 物联网网络基础设施安全性的提升。不论是构建在互联网之上的物联网应用，还是物联网专网，其网络基础设施中的集中式服务提供设备均是安全攻击的重点。例如利用DDOS攻击互联网DNS服务器，或是DDOS攻击基站或核心路由器等，均将造成网络的瘫痪。而利用区块链技术将集中式服务改为分布式服务，能够有效防范对关键核心网络基础设施的攻击。

　　区块链技术改变物联网信息交换模式

　　物联网发展将带来百亿级设备，而这些设备将分属于不同的平台，形成中心化的设备连接结构。不同的设备获得用户的状态信息都是片面的，但由于分属不同的业务提供商、不同的平台，因此设备之间无法进行直接信息的交换或交易。在现有的物联网信息交互模型下，设备之间的信息交互需要通过设备所属平台进行(当然信息交换的前提是设备所属业务提供商之间已经达成了一致)，这种信息交换模式不仅效率低，而且需要业务提供商之间达成一致，并需要平台之间互联互通技术的支持。物联网现有的信息交换模式如图3所示。

　　图3 物联网现有信息交换模式

　　利用区块链技术在物联网设备商的部署，能够快速、有效地建立设备之间的互信和交易网络，推动物联网信息交换模式从平台之间的交换，向设备之间进行对等的信息交换或交易的方式转变。去中心化的数据信息流动将能够快速、准确地将相关信息进行关联，碎片化的信息将形成系统化的信息，能够更准确地反应客观世界的运行状态，促进业务和应用创新，为物联网发展开辟新的空间。

　　区块链技术在物联网中应用面临的挑战

　　虽然区块链技术在物联网中具有广阔的应用场景，但也应该看到区块链技术仍处于发展初期，主要面向的应用场景还是以金融、记账等为主，其技术的先进性在逐步向其他领域扩展。因此在区块链向物联网扩展过程中，也应该考虑其面临的挑战，这些挑战包括但不限于以下3点。

　　一、 区块链技术的部署和实施需要由多个节点共同参与，但现在物联网节点设备的存储和计算能力普遍受限，联网能力也较弱。因此如何在物联网节点中部署区块链技术、是否应在物联网中采取分级的区块链架构，以及现有的区块链技术需要做哪些方面的增强，都是需要考虑的问题;

　　二、 很多物联网应用对实时性要求较高，如车联网业务等。而现有的区块链共识机制普遍存在延时较大的问题(特别是随着节点规模扩大，延时可能进一步增加)。共识延时可能引起反馈延时、告警延时，无法满足现有物联网应用的需求，需要在技术上进行进一步改进;

　　三、 目前区块链在互联网中的应用，仅在一定范围内、有限节点中开展。而一旦区块链应用在物联网中，节点数量将呈几何级数增加，其频繁的关系数据查询请求将对现有的链式数据架构提出非常严峻的挑战。

　　当今时代，全球新一轮科技革命和产业变革正在兴起，网络信息技术以前所未有的速度转化为生产力，深刻改变着全球格局。物联网发展前景广阔，面临着难得的历史机遇，也面临着不少挑战。区块链技术在物联网中的应用，能够在一定程度上解决物联网面临的问题;同时物联网提出的新的需求，也将为区块链技术发展注入新的活力。