基于區塊鏈的物聯網技術應用研究

張潮 劉茜 馮鋒

摘要：隨著近年來區塊鏈的概念提出，人們逐漸構想將區塊鏈技術應用于金融、政府、物流、醫療等各個方面。而傳統物聯網存在的低可信網絡環境下的物聯網個體的信任問題以及隱私保護問題，也可以在基于區塊鏈這一點對點的分布式數據庫系統技術的發展下，可以得到很好的解決，從而使得物聯網的發展邁向新的臺階。文章闡述了區塊鏈技術的特點以及傳統物聯網發展存在的問題，并分析了物聯網在區塊鏈技術下的研究與應用。

關鍵詞：物聯網；區塊鏈；金融

物聯網是未來世界科技發展的主要驅動力，是繼通信網之后的另一個萬億市場。現在物聯網正在繁榮發展，特別是隨著5G技術的逐漸應用，以后所有的事物都可以通過物聯網相連。而區塊鏈技術的興起，則可以讓物聯網在大規模應用的基礎上突破傳統的物聯網發展所存在的問題。

萬物皆可聯的物聯網時代為我們描繪了無數美好的可能。隨著科學技術的不斷進步，物聯網技術最近幾年取得了令人矚目的成果[1]。目前在世界范圍內已經有數十億個傳感器和智能控制器投入使用，預計在未來幾年這個數字還會成倍增長。但是，物聯網技術也面臨著運營成本高、隱私保護不明顯、商業模式固定等問題，這些問題有可能成為物聯網在未來發展和應用的巨大障礙，而區塊鏈技術給這些問題的解決提供可能性。

2008年由中本聰第一次提出了區塊鏈的概念[2]，最開始在比特幣中發揮核心作用。近兩年來，人們逐漸構想將區塊鏈技術應用于金融、政府、物流、醫療等各個方面。同樣，區塊鏈技術對于物聯網領域也起著革命性的作用，區塊鏈可以降低物聯網的運營成本、解決物聯網的隱私保護問題、利用區塊鏈建立新的商業模式。

1 物聯網發展現狀

物聯網作為一個戰略新興產業，極大地促進了經濟增長。政府給予了極大的關注，國家“十三五”規劃綱要明確提出“發展物聯網開環應用”，將致力于加強通用協議和標準的研究，推動物聯網不同行業不同領域應用間的互聯互通、資源共享和應用協同，通過開環應用示范工程推動集成創新，總結形成一批綜合集成應用解決方案[3]，促進傳統產業轉型升級，提高信息消費和民生服務能力，提升城市和社會管理水平。各大科技公司都投入了大量資源參與到物聯網技術開發中，無人駕駛，智能家居也在飛速發展。隨著中國5G技術的逐漸應用，物聯網海量連接、廣域覆蓋、短時延問題也會逐漸解決。

但是物聯網仍然存在極大的瓶頸，數以千億計的物聯網設備的管理運營給物聯網個體帶來了極大的成本壓力；在物聯網領域目前涉及用戶的隱私數據都儲存在中心服務器，具有極大的泄露風險；當前物聯網更多地是將設備連接在一起進行數據的采集工作，而很難進行自主協作，完成具有商業價值的應用。

2 物聯網存在的問題

2.1 物聯網的運營成本

目前的物聯網通用架構，存在這樣一種問題：物聯網架構是由數據匯總到單一的中心控制系統控制，導致中心服務器在能耗和企業成本支出方面存在巨大壓力。而且，隨著當下終端的低成本的普及，未來物聯網設備將呈幾何級數增長，這個壓力可能變得難以承受。

2.2 隱私保護問題

在斯諾登事件之后，由政府和大型企業控制的網絡服務的隱私被廣泛質疑。特別在物聯網領域，目前的中心化服務構架將所有的監測數據和控制信號都由中央服務器存儲和轉發。這些中央服務器收集者所有的攝像頭傳輸過來的視頻信號，麥克風錄制的通話記錄，甚至用戶的奔跑節奏、心跳和血壓的信息都匯總到中央服務器。雖然物聯網運營商一直宣稱他們能夠有效保護用戶的數據安全和隱私，但是一系列的安全漏洞和隱私泄露事件的發生使用戶無法真正信任運營服務提供商能夠實現他們的承諾。而最近Facebook公司大規模泄露用戶隱私數據的問題再次將互聯網中的隱私保護問題為所有人敲響了警鐘。

2.3 物聯網新的商業模式

未來物聯網不僅僅是將設備連接在一起完成數據的采集，人們更加希望連入物聯網的設備能夠具有一定的智能，在給定的規則邏輯下進行自主協作，完成各種具備商業價值的應用。但是，具備商業價值的交互必須確保進行操作的設備具有代表擁有者進行交易的授權，并且這種授權能夠被直接驗證。同時，由智能設備發出的交易請求需要可靠地記錄以確保交易的有效性。

但是在當前中心化構架下的物聯網很難完成上述自主協作和有效交易，因為這種協作和交易的相關方往往是屬于不同的利益主體，具有復雜和難以確定的信任關系。

3 區塊鏈技術

3.1 區塊鏈的定義

區塊鏈技術的本質是一種點對點的分布式數據庫系統，它以某種共識算法保障了各節點間數據的一致性，通過加密算法保證數據的安全性與隱私性，同時通過加入時間戳及首尾相連的鏈式數據結構，創造出了一種公開的、透明的、可驗證的、不可篡改的且可追溯的技術體系。

3.2 區塊鏈架構

這里以比特幣和以太坊的區塊鏈架構為實例。區塊鏈系統包含底層的交易數據、狹義的分布式賬本、重要的共識機制、完整可靠的分布式網絡、網絡之上的分布式應用這幾個要素。底層的數據被組織成區塊這一數據結構，各個區塊按照時間順序鏈接成區塊鏈，全分布式網絡的各個節點分別保存一份名為區塊鏈的分布式賬本，網絡中使用P2P協議進行通信，通過共識機制達成一致，基于這些基礎產生相對高級的各種應用。在該架構中，不可篡改的區塊鏈數據結構、分布式網絡的共識機制、工作量證明機制和愈發靈活的智能合約是具代表性的創新點。區塊鏈基礎架構如圖1所示。

3.3 區塊鏈的主要特征

由區塊鏈的定義的基礎框架可知，區塊鏈主要包括去中心化、可信任的主要特征。去中心化是指在整個區塊鏈網絡中沒有中心化的硬件或管理機構，任意節點間的權利和義務都是均等的，網絡中任一節點的損壞均不會影響整個網絡的運行，而且網絡中的節點可以隨時離開和加入網絡。可信任是網絡中節點在數據交換時，雖然不可見，但仍然是可信任的，因為整個網絡的運作及數據都是公開透明的，各節點無法欺騙其他節點。

4 區塊鏈技術下物聯網發展

4.1 降低物聯網的運營成本

雖然隨著云計算技術的普及和利用，現在物聯網運營商可以通過云端的服務器集群提供物聯網智能設備產生的數據的存儲和交換服務。但是隨著連接設備數量的幾何級增長，中心化服務需要付出的計算、存儲和帶寬成本也會增加到無法負擔的程度。

區塊鏈技術為物聯網提供了點對點直接互聯的方式進行數據傳輸，整個物聯網解決方案不需要引入大型數據中心進行數據同步和管理控制，包括數據采集、指令發送和軟件更新等操作都可以通過區塊鏈的網絡進行傳輸。

區塊鏈技術的點對點的分布式數據傳輸和存儲的構架、分布式環境下數據的加密保護和驗證機制以及方便可靠的費用結算和支付。通過使用區塊鏈技術，不同所有者的物聯網設備可以直接通過加密協議傳輸數據，去中心化特點將極大解決物聯網的運營成本。

點對點的分布式架構就是P2P網絡。區塊鏈系統是建立在IP通信協議和分布式網絡的基礎上的，它不依靠傳統的電路交換，而是建立于網絡通信之上，完全通過互聯網去交換信息。網絡中所有的節點具有同等的地位，不存在任何特殊化的中心節點和層級結構，每個節點均會承擔網絡路由、驗證數據區塊等功能。分布式記賬網絡如圖2所示。

4.2 解決物聯網的隱私保護問題

區塊鏈技術為物聯網提供了去中心化的可能性[4]，只要數據不是被單一的云服務提供商控制，并且所有傳輸的數據都經過嚴格的加密處理，那么用戶的數據和隱私將會更加的安全。在大數據分析技術被廣泛使用的今天[5]，用戶可以自己利用數據的價值而不是被運營商進行劫持和外協。

現在區塊鏈中應用最為廣泛的非對稱加密算法就是橢圓曲線算法。非對稱加密算法指的就是存在一對數學相關的密鑰，使用其中一個密鑰進行加密的數據信息，只有使用另一個密鑰才能對該信息進行解密。這對密鑰中，對外公開的密鑰叫作公鑰，不公開的密鑰就叫作私鑰。圖3所示為比特幣加密算法，也是區塊鏈普遍所采用的算法。加上區塊鏈數字區塊上面的數字簽名、時間戳等技術和維護系統的共識算法一起構成了區塊鏈的安全保障。

4.3 利用區塊鏈建立新的商業模式

未來物聯網不僅僅是將設備連接在一起完成數據的采集，人們更加希望連入物聯網的設備能夠具有一定的智能[6]，在給定的規則邏輯下進行自主協作，完成各種具備商業價值的應用。但是，具備商業價值的交互必須確保進行操作的設備具有代表擁有者進行交易的授權，并且這種授權能夠被直接驗證。同時，由智能設備發出的交易請求需要可靠地記錄以確保交易的有效性。在當前中心化構架下的物聯網很難完成上述自主協作和有效交易，因為這種協作和交易的相關方往往是屬于不同的利益主體，具有復雜和難以確定的信任關系。因此，目前的物聯網設備的協作和交易只能夠在同一信任域下進行，也就是說協作和交易的設備必須是同一個物聯網運營服務商提供或者進行授權驗證，這就大大降低了物聯網應用的真正商業價值。區塊鏈技術能夠提供去信任中介的直接交易，IBM公司和三星公司聯合研制的概念驗證系統“自主去中心的點對點遙測”（AutonomousDecentralized Peer-to-Peer Telemetry，ADEPT），使用了區塊鏈技術構建智能設備的分布式網絡，驗證了去中心化物聯網構架的可行性。ADEPT能夠使得連入其中的設備之間能夠安全并高效地直接相互通信，并實現復雜的商業邏輯。比如，通過智能合約控制家中的洗衣機在洗衣粉不夠的時候直接向供應商下單進行采購，區塊鏈技術使連入ADEPT的智能設備之間直接進行訂單確認和完成支付操作。

5 結語

物聯網作為現在科技必不可少的一部分與未來新技術區塊鏈技術的結合，必將會促使物聯網邁向新的臺階，“區塊鏈+物聯網=無限可能”的場景有著極大的可能去實現。雖然在5G的發展下，物聯網的海量連接、廣域覆蓋、短時延問題會得到解決。但是物聯網傳統桎梏仍然沒有很好的解決方法，區塊鏈技術的橫空出世將再次引發物聯網新一次革命，在降低物聯網的運營成本，解決物聯網的隱私保護問題，建立新的商業模式等方面起著決定新的作用。當然區塊鏈對于物聯網的其他方面也有著極大的作用，例如大數據記錄保存可以為物聯網參與者提供合適的解決方案，本文未一一闡述。

[參考文獻]

[1]LUIGI A， ANTONIO I， GIACOMO M.The Internet of Things：a survey [J].Computer Networks， 2010（15）：2787-2805.

[2]沈鑫.區塊鏈技術綜述[J].網絡與信息安全學報，2016（11）：11-20.

[3]劉錦.我國物聯網現狀及發展策略[J].企業經濟，2013（4）：114-117.

[4]朱巖.區塊鏈關鍵技術中的安全性研究[J].信息安全研究，2016（12）：1090-1097.

[5]趙闊.區塊鏈技術驅動下的物聯網安全研究綜述[J].信息網絡安全，2017（5）：1-6.

[6]謝輝.區塊鏈技術及其應用研究[J].信息網絡安全，2016（9）：192-195.