以區塊鏈技術為核心的物聯網安全解決對策研究*

姜 威，姜澤睿

（1.遼寧警察學院，遼寧 大連 116036，2.中國人民大學，江蘇 蘇州 215123）

0 引 言

互聯網時代的到來，為社會發展帶來了新的曙光，引發的第三產業革命也正在如火如荼地展開。物聯網作為一種新的時代標桿，為互聯網、第三產業革命指明了前進方向，為人類的生產、生活帶來了新的變革。近年來，物聯網技術不斷發展與進步，帶來了顯著的社會效益，促進了機械設備與傳感器技術的融合，實現了設備“智能化”的更新和進步。然而，物聯網技術的引用并非沒有弊端，其安全問題儼然成為重要難題。受物聯網技術自身結構和資源的影響，傳統意義的安全技術已無法對其應用起到保護作用。區塊鏈技術作為一種加密貨幣技術，核心價值就是可以幫助數字進行加密保護，對數據庫系統的整合與提升具有關鍵性作用。

1 區塊鏈技術的相關概述

1.1 區塊鏈技術的概念

區塊鏈是指一種數字貨幣底層技術，特點是不可仿制、偽造、可進行數據加密，并趨于去中心化。它的具體表現為去中心化后的分布式數據庫。它不受時間和地點的限制，任何人通過計算機都可以進行區塊鏈網絡的鏈接，同時在不同設備上都會設定相應的節點，且不同節點都會具備一個完整的數據源備份，而連接節點的是一整套的共識機制。為保護區塊鏈，這些節點通過競爭計算的方式對數據庫進行維護和加密。當一個節點失效無法發揮有效作用時，其他節點會對其進行補充，保證整個系統的正常運轉。它真正意義地解決了傳統意義的數據庫系統容易受到攻擊導致系統運轉失敗的問題。

區塊鏈技術引用并發展至今日，總體經歷了3個階段，即區塊鏈1.0階段、區塊鏈2.0階段和區塊鏈3.0階段。區塊鏈1.0階段完成了貨幣在互聯網中的通行、流轉，促進了貨幣編程時代的到來[1]。區塊鏈技術的引入，降低了貨幣交易的成本支出，是一種去中心化的數字化支付手段。區塊鏈2.0階段則是建立在智能化合約進入到區塊鏈領域后形成的。智能化合約的引用，實現了貨幣通行、流轉的多方面發展，可使貨幣在經濟領域中得到應用和推廣。同時，伴隨區塊鏈技術的進步與發展，該技術的去中心化、數據加密等獨特優勢將受到越來越多的關注，應用的范圍也將不局限于經濟領域，貨幣通行、流轉的方式將呈現多元化特點，其將延伸到日常生活的方方面面，即區塊鏈3.0階段全面到來。

1.2 區塊鏈架構

區塊鏈架構中主要包含以下幾層：數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層。其中，數據層主要代表區塊鏈的物理結構，主要存儲比較基礎的基層交易數據。網絡層代表區塊鏈的傳播形式、驗證方式以及組網方式，建立在網絡基礎上，維護整個系統的正常運轉。廣播機制是區塊鏈技術應用網絡的主要傳播形式，組網方式為P2P組網，并在此基礎上實現了不同節點間的信息共通。共識層則主要為區塊鏈的應用提供算法，以保證區塊運算的正確性，達到各個階段間的共識。較為常用的共識機制有POW、POS和DPOS等。激勵層是指一種激勵方式，在區塊鏈網絡各個節點參與到數據加密和保護中，保證其獲取一定的收益，確保區塊鏈技術的共識穩定。區塊鏈的合約層則涵蓋了一些腳本代碼合約、智能合約等。其中，智能合約主要是為了確保區塊鏈技術的多方運行、信息共通、信息可信，是區塊鏈革命的核心[2]。應用層是指一種接口形式，在目前的區塊鏈領域運行中運用較少。

2 區塊鏈關鍵技術

2.1 區塊和鏈

區塊鏈技術的核心是能顯著降低數據庫中信息篡改和盜取的幾率。從結構上看，它可分為區塊結構和鏈式結構兩種，可防止人為產生的對區塊某個交易信息進行篡改和盜取情況的發生，也能監測新的區塊形成。區塊結構是指一種網絡形式的節點，在貨幣交易中表現為數據結構。不同區塊的構成結構相同，分為區塊頭和區塊體兩個部分。區塊頭涵蓋了數據庫中剔除交易信息部分的其他類型的信息。Hash Used是一種區塊的連接方式，也稱為鏈式結構。不同區塊的產生時間不同，記錄時間差異的記錄方式是時間戳。Merkle根的作用是整理和記錄一個區塊內所有交易信息，并生成一個完整的哈希值，作為此區塊的信息交易總匯。哈希值的顯著特點是它能隨著交易信息情況的變化而發生改變。同時，最終通過動態調整難度數值，得出一組隨機數解，而該數解會通過驗證獲取相應的記賬權。區塊體發揮的作用是對一段時間范圍內交易信息的整合和記錄，如包含交易雙方之間的交易數量、交易密碼等內容。

2.2 非對稱加密

非對稱加密是一種一對唯一密鑰的加密算法，其加密效果明顯，可起到對公鑰和私鑰加密的作用。例如，具體交易中對公鑰進行加密處理，則只能通過與之相對應的私鑰才能獲取解法。若通過私鑰進行加密，則必須找到與之對應的公鑰才能獲取解法。兩者相輔相成，不可分割。在比特幣數據庫系統中，私鑰的產生通過隨機抽取的方式生成，只能通過加密函數的處理才能獲取公鑰，而該加密函數是不可逆的。在此基礎上，通過公鑰生成相應的錢包地址。可見，在區塊鏈技術方面應用非對稱加密算法，滿足了數據交易的安全需要。

2.3 工作量證明機制

該機制作為比特幣的證明機制，是保證信息安全性的關鍵，通過不同節點之間的運算競爭實現信息一致性和共識性。區塊鏈技術影響的網絡節點，想要通過網絡實現新區塊的生成，需要解析一個SHa256的數學難題，并在此基礎上將其寫入區塊鏈[3]。其中，第一時間獲取正確解法的節點會通過信息廣播，將其傳遞給其他節點。在超過一半以上的節點都實現了正確驗證后，新區塊會進入到主鏈階段，并通過POW保護區塊鏈的運行安全。

2.4 分布式結構

數據庫存儲中，區塊鏈的分布式結構可實現不同節點的存儲分布。它并非將所有信息集中存儲在同一個主機上。不同網絡節點在信息存儲中也能實現對其他節點信息的驗證。在超過一半以上的節點都實現了正確驗證后，再將信息數據寫入到區塊中。分布式結構的應用并不受個別節點信息驗證失效的影響，導致整個數據庫系統運行失敗，實現了區塊鏈數據系統的完善化和健全化。

2.5 智能合約

智能合約主要存儲預置響應、觸發和操作等相關信息。合約簽訂的雙方應就合約的內容相互約定，將其設置成數字代碼發送到區塊鏈上。在約定的合約條件滿足觸發條件時，則智能合同會被即時激活。該合約在區塊鏈的應用中收效明顯，發展空間較大。在它推廣至物聯網領域的進程中，實現了智能農業系統、智能生產系統、智能學習系統等多個領域的應用[4]。

3 區塊鏈技術為核心的物聯網安全解決對策

3.1 物聯網經濟的安全保障

在互聯網時代的推進中，金融經濟領域的發展迅速。其中，區塊鏈技術在這一領域中的應用，引發了全新的產業革命。眾多金融經濟企業開始逐步重視區塊鏈技術，并將其引入到自身的技術研發上。在R3CEV的引導下，目前參與區塊鏈技術研發的企業集團已經超過40家。它組成的區塊鏈技術研發聯盟，主要為區塊鏈技術的應用及研發做貢獻。在開展貨運互聯網技術的推廣中，貨運物聯網金融發揮著極其重要的作用。它主要為金融經濟的創新提供服務，如貨運汽車的加油、各類運輸保險等。區塊鏈網絡的搭建，實現了貨運物聯網金融的高效化，可規避信息集中化處理的弊端，達到貨運金融的高效服務，同時確保了交易的安全。針對個人用戶，在物聯網背景影響下，它實現了個人物品貨幣化，將閑置在個人手中的物品或資源分享出去。通過區塊鏈網絡機制，使用者可以在分享的環境下記錄數據信息，并將其登記在一個不可變更的賬本上，然后通過信息加密方式，保證信息數據不被泄露，從而對使用者的操作起到保護作用。

3.2 物聯網環境的弱中介化

近些年，通信行業發展迅猛，第四代通信技術已經得到廣泛應用。使用者能在高速、高效的通信環境中，實現信息的互換和交流。而第五代通信技術的推廣中，又將一個嶄新的技術概念帶入到通信領域，即物聯網技術。然而，該技術的引進也存在一定的弊端，帶來一定的安全風險。如何消除和降低該風險，是物聯網技術引入后亟待解決的重要問題。目前，魚龍混雜的信息世界中，使用者不具備抵制虛假信息的能力，給一些不法分子提供了可乘之機。例如，不法分子利用交易平臺向使用者發布虛假信息，促使其購買平臺上的商品。在此期間，第三方的參與不但會給使用者增加成本支出，還會降低使用效率。同時，使用者的交易信息以及一些交談內容也可能被中間商“監視”。區塊鏈技術的應用可以真正意義上避免第三方的干預，將中介平臺剔除，達到安全的P2P支付，保證使用者的使用安全。

3.3 確保數據存儲的安全性

如今，NFC、RFID、二維碼等付款方式，為人們的生活帶來了極大便捷。這些付款方式中，可涵蓋商品的詳細信息。區塊鏈的不可仿制、偽造、可對數據進行加密并趨于去中心化等特點，使其具備處理和保存隱私數據的能力，避免了數據信息的丟失、損毀。例如，國家政府部分的核心數據庫體系，可應用區塊鏈技術進行信息處理和保護，如醫療數據、指紋數據、產權數據等。此外，在區塊鏈運用中，相關使用者可在不查看原始數據的前提下，對信息數據進行查看、閱覽，對自身的保密信息進行隱藏和管理，避免數據信息流傳到云處理器上后被篡改和盜取。即便網絡黑客訪問了計算機的服務系統，也不能獲取使用者的保密信息。區塊鏈還具備版權保護作用，可幫助使用者享有上傳到數據庫系統中的相關視頻、音頻等文件的所有權。

3.4 公共服務安全保障

3.4.1 區塊鏈技術應用下的智能醫療

區塊鏈技術應用下的智能醫療，典型代表有智能手環、智能醫療終端設備等。其中，智能手環可以監測使用者的心率、健康狀態、睡眠質量等。這些信息可傳遞至裝有智能終端的手機或電腦上，實現使用者健康的監測。相關醫生可通過終端系統，第一時間發現病人的發病情況，并做出正確診斷，提高病人患病的治愈率。區塊鏈技術應用下的智能醫療系統，使相關使用者不必擔心自身隱私數據會外流。這些信息經過加密處理具有較高的安全性，是人類的一大福音[5]。

3.4.2 區塊鏈技術應用下的公共交通

近些年，物聯網在公共交通領域的應用中暴露出不少問題。例如，在電子傳感技術的應用下，相關信息數據可通過指揮終端發送給使用者，而這些信息的傳遞過程復雜、速度緩慢，無法及時送達到使用者手中。同時，若出現數據庫系統崩潰、癱瘓現象，還將會導致整個交通網絡的失效。而區塊鏈技術應用下的公共交通，將利用區塊鏈的可仿制、偽造、可對數據進行加密以及并趨于去中心化等特點，使交通網絡去中心化，對整個數據庫系統起到保護作用。此外，區塊鏈與傳感器技術、數據通信技術、人工智能等技術的融合，也可搭建出分布式網絡終端，規避指揮中心指揮調度緩慢、錯誤率高等問題，使車輛運行在第一時間接收到交通信息，從而掌握想要了解的路段信息，同時可在導航系統的協助下完成“無人”駕駛。

4 結 語

伴隨互聯網時代的到來和發展，物聯網與區塊鏈技術的融合已成必然趨勢，為人們日常的生產、生活帶來了巨大變革。未來，區塊鏈技術在物聯網領域的應用將發揮越來越大的作用，區塊鏈的不可仿制、偽造、可對數據進行加密以及趨于去中心化等特點，使其具備處理和保存隱私數據的能力，可避免數據的丟失、損毀，保證物聯網不同技術層面的運用安全。

[1] 丁慶洋,朱建明.區塊鏈視角下的B2C電商平臺產品信息追溯和防偽模型[J].中國流通經濟,2017,31(12):41-49.DING Qing-yang,ZHU Jian-ming.B2C E-commerce Platform Product Information Traceability and Anticounterfeiting Model from the Perspective of Blockchain[J].China Circulation Economy,2017,31(12):41-49.

[2] 楊洋,賈宗維.區塊鏈技術在農業物聯網領域的應用與挑戰[J].農業網絡信息,2017(12):24-26.YANG Yang,JIA Zong-wei.Application and Challenge of Block Chain Technology in Agricultural Internet of Things[J].Agricultural Network Information,2017(12):24-26.

[3] 許濤.“區塊鏈+”教育的發展現狀及其應用價值研究[J].遠程教育雜志,2017,35(02):19-28.XU Tao.Development Status and Application Value of "Block chain" Education[J].Journal of Distance Education,2017,35(02):19-28.

[4] 呂詩寧,顏擁,丁麒等.能源互聯網中的區塊鏈應用:優勢、場景與案例[J].浙江電力,2017,36(03):1-4,23.LV Shi-ning,YAN Yong,DING Qi,et al.Application of Block Chain in Energy Internet:Advantages,Scenarios and Cases[J].Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,2017,36(03):1-4,23.

[5] 羅松.兩大熱門技術碰撞論區塊鏈在物聯網中的應用[J].通信世界,2017(14):36-38.Rothson.The Application of Block Chain in the Internet of Things by Two Popular Technologies Collision Theory[J].Communication Worldwide,2017(14):36-38.