區(qū)塊鏈概念剖析及其在物聯(lián)網(wǎng)中的部分應(yīng)用

（中山大學(xué)，廣東廣州510275）

中本聰提出一種點到點的現(xiàn)金系統(tǒng)[1]，并在2009年公開了源代碼。通過社區(qū)的推進，人們開始嘗試使用比特幣進行支付，第一個例子就是使用一萬個比特幣購買一個披薩。比特幣源于社區(qū)，并自帶粉絲，社區(qū)內(nèi)成員自我鑄幣、自我消費。繼比特幣之后，出現(xiàn)了如萊特幣[2]、點點幣[3]、名字幣[4]等以各種名目發(fā)行的密碼貨幣，因其總量固定，所以粉絲越多其匯率越高。

GAVIN W[5]在2014年對比特幣做了2個改進：第1個是提供以太坊虛擬機（EVM），用于執(zhí)行任意用戶自定義的代碼，實現(xiàn)智能合約；第2個就是把比特幣中存放在未花費輸出交易（UTXO）中的貨幣和狀態(tài)、代碼存放在一個賬戶下面，即所謂的賬戶模型。以太坊的出現(xiàn)，極大地簡化了人們發(fā)行新幣的過程，于是區(qū)塊鏈領(lǐng)域上演了一場初始代幣發(fā)行（ICO）的大劇，各類項目良莠不齊。

IBM開發(fā)的Fabric[6]看到了另外一個生存空間，那就是避開以太坊，構(gòu)造聯(lián)盟鏈，在企業(yè)中運行。得益于IBM的代碼質(zhì)量和一貫良好的形象，F(xiàn)abric很快在聯(lián)盟鏈中占據(jù)了主導(dǎo)地位。Fabric的特點是不用密碼貨幣，轉(zhuǎn)而用節(jié)點背書，其中每個節(jié)點的身份可以識別，不誠實的節(jié)點需要付出代價。目前在大部分所謂落地的應(yīng)用中，例如：銀行、供應(yīng)鏈、積分、稅務(wù)等場景，無一例外地采用了聯(lián)盟鏈的模式。

區(qū)塊鏈?zhǔn)莾?nèi)生在比特幣中，用于記錄比特幣交易，所以有時稱之為賬本。ARUIND N等人[7]從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，認(rèn)為區(qū)塊鏈就是一個用哈希指針取代了內(nèi)存指針的一個鏈表。PASS R等人[8]從協(xié)議上看，認(rèn)為區(qū)塊鏈就是一個協(xié)議，協(xié)議參與者各自本地維護的一個數(shù)據(jù)列表稱為鏈，參與者把收到的消息包含在自己的和其他所有參與者的鏈中。這些定義各有其優(yōu)缺點，例如：ARUIND N的定義沒有考慮共識，PASS R等人的定義專門用于比特幣。

本質(zhì)上，區(qū)塊鏈由一組基于點到點（P2P）網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點形成，各節(jié)點通過執(zhí)行共識算法，維護其各自數(shù)據(jù)的一致性。去中心化、不可篡改和激勵機制通過該定義可以體現(xiàn)。其中，P2P網(wǎng)絡(luò)和共識算法是去中心化的具體體現(xiàn)，也是不可篡改的前提和必要條件，激勵機制則是各節(jié)點維護其數(shù)據(jù)一致性的動力所在。可追蹤、匿名、可編程這些特點則是對區(qū)塊鏈的一致數(shù)據(jù)賦予語義之后得到的功能特性。我們下面對區(qū)塊鏈技術(shù)進行分析，指出其典型特點和功能特性的技術(shù)支撐，然后再探討區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）場景的幾個應(yīng)用。

1 區(qū)塊鏈典型特點

區(qū)塊鏈技術(shù)的典型特點包括去中心化、不可篡改和激勵機制。

1.1 去中心化

去中心化屬于區(qū)塊鏈技術(shù)的基本屬性，是區(qū)塊鏈技術(shù)和其他技術(shù)得以區(qū)分的基本特點。去中心化既有物理基礎(chǔ)又有組織形式，具體如下：

（1）物理基礎(chǔ)

比特幣、眾多山寨幣和一些無幣區(qū)塊鏈項目大都會堅持使用P2P網(wǎng)絡(luò)，這其實是去中心化的物理基礎(chǔ)。我們知道純粹的P2P網(wǎng)絡(luò)是沒有服務(wù)器角色的，每個節(jié)點既是服務(wù)器又是客戶端，彼此地位均等。這種地位均等與設(shè)備的計算能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬等無關(guān)。

（2）組織形式

在P2P網(wǎng)絡(luò)之上，基于比特幣的工作量證明（PoW）算法，比特幣中每個節(jié)點潛在地具有記賬的權(quán)力，這是一種表面的去中心化，因為這種權(quán)力與節(jié)點的算力等資源密切相關(guān)。事實上，比特幣網(wǎng)絡(luò)中記賬的權(quán)力集中在幾個大礦池手中，是一種聯(lián)盟記賬的模式。成為這個特定聯(lián)盟的節(jié)點并不需要其他節(jié)點的允許，而是單純地依靠算力比拼，可以稱之為無組織算力聯(lián)盟。我們使用無組織這個詞匯，是因為在這個聯(lián)盟中，各個成員節(jié)點是純粹的競爭性關(guān)系，不存在哪一個礦池服從其他礦池的情況，這與一般的由某個企業(yè)或者單位主導(dǎo)形成的聯(lián)盟有所不同；在基于其他共識算法的區(qū)塊鏈中，具有記賬權(quán)力的節(jié)點首先是獨立的，然后節(jié)點之間依靠某種規(guī)則確定記賬節(jié)點的集合，形成一個動態(tài)的記賬聯(lián)盟，與比特幣的最終形態(tài)是類似的，不同之處在于不依賴PoW的記賬聯(lián)盟往往則需要某種集體許可的機制，這是一種有組織的聯(lián)盟。

1.2 不可篡改

數(shù)據(jù)不可篡改是區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的基本屬性，我們分基于PoW、基于數(shù)字簽名和基于數(shù)據(jù)冗余3部分來闡述。

（1）基于PoW的不可篡改

對于采用PoW的區(qū)塊鏈技術(shù)，每一個區(qū)塊的生成背后都有算力的競爭，進而有區(qū)塊難度的概念。區(qū)塊難度基本表明了一個區(qū)塊生成時生成該區(qū)塊的節(jié)點所需要付出的計算代價。因此，給定一個比特幣區(qū)塊鏈，任何設(shè)備想要重新生成一條具有同等難度的區(qū)塊鏈都必須付出同等的累積計算力量。鑒于比特幣區(qū)塊鏈消耗的巨大計算資源，在計算能力沒有本質(zhì)突破的前提下，任何設(shè)備都難以承受重新生成一條區(qū)塊鏈的代價。因此，比特幣區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)擁有者們只能刪除自己存儲的數(shù)據(jù)，而無法對其進行任何修改；而單個節(jié)點對數(shù)據(jù)的刪除，并不會改變其他節(jié)點擁有的數(shù)據(jù)副本，因而比特幣網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)具有非常強的不可篡改性。

（2）基于數(shù)字簽名的不可篡改

權(quán)益證明（PoS）是根據(jù)節(jié)點權(quán)益決定區(qū)塊的生成節(jié)點的一種共識算法。當(dāng)PoS共識指定某個節(jié)點充當(dāng)區(qū)塊的生成節(jié)點時，該節(jié)點通過數(shù)字簽名表明該區(qū)塊是其生成的。因此基于PoS的區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由數(shù)字簽名保護的區(qū)塊鏈。給定任意一個PoS區(qū)塊鏈，一個節(jié)點可以刪除數(shù)據(jù)，也可以自己生成很多的公私鑰對，進而形成一個具有不同數(shù)字簽名的偽區(qū)塊鏈。與基于計算難度的區(qū)塊鏈不同，這個偽區(qū)塊鏈只能通過驗證數(shù)字簽名來區(qū)分，進而需要PoS區(qū)塊鏈明確哪些公鑰是屬于這個區(qū)塊鏈的，哪些是合法的。只有這些明確了，才能明確哪一個PoS區(qū)塊鏈?zhǔn)钦娴模囊粋€是假的。在一個PoS區(qū)塊鏈有明確的參與節(jié)點邊界之后，單個節(jié)點的數(shù)據(jù)刪除并不會影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)副本，因而數(shù)據(jù)具有不可篡改性。如果這個節(jié)點邊界的范圍非常小，并且所有節(jié)點的數(shù)據(jù)都被刪除了，數(shù)據(jù)就真的從這個區(qū)塊鏈刪除了，這就是明確的邊界帶來的代價。

（3）基于數(shù)據(jù)冗余的不可篡改

采用拜占庭容錯類算法的區(qū)塊鏈或直接采用修改的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的區(qū)塊鏈，如果不采用數(shù)字簽名，其數(shù)據(jù)的不可篡改性只能來自數(shù)據(jù)冗余。任意節(jié)點可以修改自己的本地數(shù)據(jù)，但是節(jié)點是獨立的。一個節(jié)點刪除或修改自己的數(shù)據(jù)并不影響其他節(jié)點，因而當(dāng)查詢一份數(shù)據(jù)時，多數(shù)節(jié)點給出的結(jié)果就是該數(shù)據(jù)的真實情況。此時數(shù)據(jù)的不可篡改依賴維護一個區(qū)塊鏈的誠實節(jié)點的數(shù)量。我們再次強調(diào)節(jié)點獨立的重要性：對于一些直接采用了分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)的區(qū)塊鏈項目，經(jīng)過測試，維護分布式數(shù)據(jù)庫的節(jié)點并不是獨立的，因而任意有權(quán)限的節(jié)點刪除數(shù)據(jù)會使得其他節(jié)點“同步”地刪除數(shù)據(jù)，這樣的區(qū)塊鏈項目是沒有不可篡改性的。類似地，由單個企業(yè)或者單位維護的區(qū)塊鏈項目，其不可篡改性是需要質(zhì)疑的。

1.3 激勵機制

激勵機制在區(qū)塊鏈中有重要的作用，它使得人們對聯(lián)盟節(jié)點的行為可以預(yù)期，進而產(chǎn)生信任。以無組織算力聯(lián)盟為例，聯(lián)盟成員一般不會特意地阻斷某一個交易，聯(lián)盟成員會努力計算，期望自己獲得區(qū)塊的獎勵。這種可預(yù)期的行為是信任產(chǎn)生的基礎(chǔ)。所以區(qū)塊鏈的可信與區(qū)塊鏈節(jié)點行為的可預(yù)期相關(guān)，而行為的可預(yù)期則與激勵機制相關(guān)。比特幣長期的實踐經(jīng)驗告訴我們：激勵良好且相互制衡的聯(lián)盟成員行為可以預(yù)期、可以信任。在有組織的聯(lián)盟中，激勵機制同樣是不可或缺的，在其治理下，可以使用獎懲的方法，并且形式也可以多樣化，可以不使用貨幣，形成所謂的無幣區(qū)塊鏈項目。

在有幣的區(qū)塊鏈項目中，激勵機制是否有效取決于項目的代幣是否可支付，例如：比特幣的可支付來自社區(qū)內(nèi)的認(rèn)同。眾所周知，有一萬個比特幣換取披薩的事情，那么為什么是一萬個不是五千個呢？我們可以推測持有比特幣的一方用電費來衡量自己獲取的比特幣在當(dāng)時的價值，披薩的銷售者一方面必然是比特幣社區(qū)的成員，一方面還可以用電費衡量披薩的價值，于是你情我愿之下，才會有這樣的一筆交易。我們特別推測了披薩店主應(yīng)該是比特幣社區(qū)的成員，或可以說是比特幣的粉絲；否則，這筆交易是不會發(fā)生的。所以我們認(rèn)為認(rèn)同是支付的前提。如果項目的參與者對項目不認(rèn)同，可支付性降低，激勵機制失效，那么這個項目就很難有效地運行。

1.4 功能特性

區(qū)塊鏈技術(shù)的基本特點是區(qū)塊鏈得以成為區(qū)塊鏈的關(guān)鍵，而功能特性則是對數(shù)據(jù)進行不同的語義賦值之后得到的特性，例如：可追蹤、匿名和可編程。

（1）可追蹤

當(dāng)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)彼此具有鏈接關(guān)系時，就有了某種可追蹤性。以比特幣為例，一個新生成的比特幣交易中包含輸入交易的哈希值，輸入交易也是交易，也包含其輸入交易，以此類推，可以直接推到多個鑄幣交易。那么，從鑄幣交易集合到新生成的這個比特幣交易就形成了一棵樹，樹根是新生成交易，樹上的任意一筆交易都與新生成的交易相關(guān)。然而，在不使用區(qū)塊鏈技術(shù)的情況下，一個中心化的服務(wù)器也可以使用這種鏈?zhǔn)疥P(guān)系來形成其存儲數(shù)據(jù)的可追蹤性。因此，可追蹤性只與具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的語義有關(guān)系。

（2）匿名

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)都是有來源的，在大多數(shù)項目中，這個來源只能使用一串公鑰標(biāo)識出來。公鑰是可以任意生成的，因而與人或物的一些真實身份信息沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，因而具有了某種匿名性。比特幣提供的這種匿名準(zhǔn)確一些叫做假名。一個實體可以隨便生成公鑰，但公鑰與資產(chǎn)綁定后，通過交易的可追蹤性可以大概率地通過一些簡單的聚合算法找出一個實體的不同公鑰。這些公鑰盡管還不能直接對應(yīng)到人，但再加上一些交易時間分析、IP地址分析和社會工程學(xué)方法，終究還是可以把人找出來，因此比特幣的這種假名技術(shù)并沒有提供太多的保護。有許多的項目致力于提高匿名性，提供真實匿名的系統(tǒng)，例如：零幣，可以隱藏交易金額、實體等信息，具有更好的匿名性。匿名性是對數(shù)據(jù)的語義分析之后得到的某個項目是否保護參與實體身份等信息的安全屬性。

（3）可編程

比特幣提供的腳本語言可以讓交易方明確比特幣轉(zhuǎn)移的條件；而腳本語言本質(zhì)上是一種編程語言，因而人們一般認(rèn)為區(qū)塊鏈資產(chǎn)具有可編程的特點。以太坊的出現(xiàn)強化了人們的這種觀念。以太坊提供了一個準(zhǔn)圖靈機，讓人們可以自定義智能合約，以完成資產(chǎn)的管理。智能合約是一種技術(shù)手段，隨著合約內(nèi)容涉及的應(yīng)用領(lǐng)域不同，出現(xiàn)了對保險、供應(yīng)鏈、公證等諸多社會生活領(lǐng)域的智能合約，因而出現(xiàn)了所謂可編程社會的觀點。事實上，可編程也可以看成對數(shù)據(jù)的語義賦值之后的功能特性，只不過現(xiàn)在維持一致的數(shù)據(jù)包括了“代碼數(shù)據(jù)”而已。

以上我們把區(qū)塊鏈的技術(shù)特點分為去中心化、不可篡改、激勵機制3個，并把可追蹤、匿名、可編程看成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的語義賦值。通過這些分析，我們自然地可以把單個企業(yè)提供的“區(qū)塊鏈”服務(wù)、“云區(qū)塊鏈”等項目與真正的區(qū)塊鏈項目區(qū)分開。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在IoT中的部分應(yīng)用

IoT場景有2個典型特點：數(shù)據(jù)量大，設(shè)備無時無刻不在產(chǎn)生數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)安全很重要，因為IoT數(shù)據(jù)可以與工控安全、居家環(huán)境等現(xiàn)實社會的生產(chǎn)生活建立直接的關(guān)聯(lián)，因而其數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性是必須要考慮的。區(qū)塊鏈技術(shù)所保障的僅僅是數(shù)據(jù)的完整性，為數(shù)據(jù)的可用性提供了便利，但是并沒有對數(shù)據(jù)機密性進行任何的考慮。下面我們選擇幾個典型的IoT場景區(qū)塊鏈項目來分析區(qū)塊鏈技術(shù)在IoT中的應(yīng)用。

2.1 IOTA技術(shù)

IOTA[9]是區(qū)塊鏈技術(shù)在IoT中應(yīng)用的一個主要代表，主要考慮了IoT數(shù)據(jù)體量的問題。IOTA技術(shù)的白皮書主要披露了一個糾纏（Tangle）賬本。糾纏賬本是一種基于有向無環(huán)圖（DAG）的分布式賬本底層技術(shù)，其基本安全假設(shè)為：攻擊者生成交易的速度需要小于誠實網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生成交易速度的和。在這一假設(shè)下，為了鼓勵誠實節(jié)點生成交易，不收交易費。考慮到IoT設(shè)備生成的數(shù)據(jù)體量較大，不收交易費也就成了該技術(shù)適用于IoT的一個主要原因。

糾纏賬本的問題集中在賬本安全性和激勵機制2個方面：在賬本安全性上，交易速度的假設(shè)還需要實踐檢驗；在激勵機制上，在沒有交易費的情況下如何激勵節(jié)點存儲大量的IoT交易也是需要經(jīng)過實踐檢驗的。

2.2 沃爾頓鏈

沃爾頓鏈[10]是一個結(jié)合硬件的IoT應(yīng)用項目，考慮了IoT數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和管理問題。該團隊開發(fā)出了區(qū)塊鏈讀寫器，可以把標(biāo)簽數(shù)據(jù)的哈希值通過讀寫器直接寫入?yún)^(qū)塊鏈中。同時讀寫器與標(biāo)簽具有雙向認(rèn)證的功能，可以確保數(shù)據(jù)的來源是經(jīng)過認(rèn)證的。對于數(shù)據(jù)量較大的問題，該團隊構(gòu)思了跨鏈架構(gòu)，希望該架構(gòu)能承載眾多不同形態(tài)、不同應(yīng)用場景的子鏈。該項目的跨鏈思路還需要實踐檢驗。

2.3 智能混雜網(wǎng)絡(luò)（SMT）項目

SMT項目[11]，致力于為移動設(shè)備提供一個有激勵措施的通信平臺，其考慮更多的是IoT的數(shù)據(jù)通信方式的問題。從愿景上看，該項目希望提供一個平行于互聯(lián)網(wǎng)的全球移動設(shè)備通信平臺。從技術(shù)組成上看，該項目基于以太坊，準(zhǔn)備采用雷電網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支持移動設(shè)備之間的“鏈下”支付。該技術(shù)特點與愿景是有矛盾的，因為雷電網(wǎng)絡(luò)終究是不能離開以太坊的在線支持。該項目的激勵措施在于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)可以獲得獎勵，但白皮書中并沒有披露具體的獎勵算法，畢竟數(shù)據(jù)的來源往往是一個用戶，而參與轉(zhuǎn)發(fā)的則涉及多個用戶。另外，IoT場景中的通信問題是否是一個關(guān)鍵性的問題還需要實踐檢驗。

2.4 Streamr項目

Streamr項目[12]，意在基于以太坊智能合約建立一個適用于IoT的數(shù)據(jù)產(chǎn)生和消費平臺。IoT設(shè)備作為數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，把經(jīng)過接收方公鑰加密的數(shù)據(jù)發(fā)送給該網(wǎng)絡(luò)的中介節(jié)點。不同的中介節(jié)點群處理不同的IoT數(shù)據(jù)，形成可擴展的架構(gòu)。中介節(jié)點群之間的管理通過以太坊智能合約實現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收方通過中介節(jié)點獲得加密的數(shù)據(jù)，并通過自定義的該項目的合約平臺完成數(shù)據(jù)處理。然而，以太坊作為一個一般性平臺，最近一直受到交易速度的困擾。該項目底層完全依賴以太坊，其基本的交易處理速度受限于以太坊，因此在IoT中的實用性還需要進一步的檢驗。

2.5 Ruff項目

Ruff項目[13]，把邊緣計算的概念和區(qū)塊鏈結(jié)合在一起，提供了統(tǒng)一的IoT應(yīng)用接口，并提供IoT主控設(shè)備和受控設(shè)備的全局管理，它屬于IoT數(shù)據(jù)應(yīng)用層面的項目。該項目中輕節(jié)點代表具體的IoT受控設(shè)備，該設(shè)備通過存儲主控設(shè)備的公鑰來識別主控設(shè)備的命令。通過智能合約，主控設(shè)備可以把受控設(shè)備的部分功能以租賃或轉(zhuǎn)移的形式提供服務(wù)。該項目搭建自己的公鏈，采用了股份授權(quán)證明（DPoS）共識算法，每輪選擇105個節(jié)點參與區(qū)塊生成。該公鏈能否承載其設(shè)備租賃的服務(wù)模式，還需要在實踐中檢驗。

以上我們對幾個典型的以IoT為應(yīng)用場景的區(qū)塊鏈項目進行了分析，可以看到目前人們對于IoT場景下數(shù)據(jù)量較大、數(shù)據(jù)較為敏感的問題已經(jīng)有了初步的建議方案，另外對IoT的通信方式、數(shù)據(jù)使用方式、數(shù)據(jù)生成方式進行了積極的探索。

3 結(jié)束語

本文中，我們提出去中心化、不可篡改和激勵機制屬于區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)特點，而可追蹤、匿名、可編程屬于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)之上的功能特性，以此可以區(qū)分一些區(qū)塊鏈項目和借區(qū)塊鏈概念的項目。進一步地，我們分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在IoT場景的幾個應(yīng)用，對其中的主要問題和主要方法進行了闡述，指出IoT的數(shù)據(jù)體量和數(shù)據(jù)安全問題依舊是區(qū)塊鏈技術(shù)在IoT場景應(yīng)用需要重點考慮的問題。