一種使用區塊鏈技術增進物聯網管理能力的方案

田雪函 沈雪晴 陳新鵬 馮志鵬 葛冰玉 韓璐

（國家電網有限公司信息通信分公司， 北京市 ?100761）

摘要：智能設備的普及帶動了物聯網技術的應用和發展，而基于傳統互聯網的物聯網架構面臨著數據隱私安全問題、中心服務器單點問題等，無法確保用戶數據的安全共享。本文提出一種使用區塊鏈技術增進物聯網管理能力的方案，通過選擇一定數量的邊緣物聯代理組成區塊鏈，將物聯網與區塊鏈技術高效融合。

關鍵詞：區塊鏈;物聯網;數據共享;智能合約

1關鍵技術

1.1區塊鏈

區塊鏈[1，2，3]是分散的分類賬，其中包含關聯的交易塊。區塊鏈是一種鏈式數據結構的分布式數據庫，方便數據的查找與存儲。每個區塊都包含了兩部分，即區塊頭和區塊體。各個區塊通過父哈希值維持與上一區塊的關聯從而形成鏈狀結構，通過根哈希值快速驗證區塊體交易集合的完整性。

按照區塊鏈參與者可將其分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈。公有鏈內部信息完全公開。私有鏈內部信息不對外公開。聯盟鏈內部信息不對外公開。

區塊鏈數據對象結構包含賬戶、區塊、事務、合約、實體和配置。在區塊、事務、合約和實體中存儲區塊鏈中的核心數據，支撐區塊鏈系統的穩定運行。

1.2邊緣物聯代理

邊緣物聯代理[4，5]將物聯網終端設備與中心化平臺互連，通常部署在感知層，支持各類物聯網終端設備的即時接入、實時傳輸等需求，實現應用場景的區域自治和邊緣計算。區塊鏈節點間共識的形成需要消耗網絡及存儲資源。

2基于區塊鏈的物聯網整體架構

本文提出的基于區塊鏈的物聯網架構與傳統的物聯網管理模式相比，顯著優勢在于去中心化，將監控管理的職責分散到各個節點。本文提出的基于區塊鏈的物聯網整體架構如圖1所示，該架構包括物聯網終端、輕節點和共識節點。

2.1物聯網終端

物聯網終端在基于區塊鏈的物聯網架構中處在邊緣位置，將傳感網絡層和傳輸網絡層相連。在基于區塊鏈的物聯網架構中，外部數據信息可由物聯網終端設備采集而得，在設備內部進行處理與轉換，最后通過網絡發送到互聯網中，實現“物”與“物”的互聯互通。

2.2輕節點

隨著區塊鏈中交易量的增加，每個節點需要存儲越來越多的歷史交易數據。為避免資源浪費，輕節點概念被提出。

輕節點只需要維護區塊鏈中區塊頭的信息[6]。相比全節點，存儲內容更加簡單，在節省計算資源的同時，還可以快速對交易信息進行查找驗證。

2.3共識節點

共識節點中的數據信息涵蓋了區塊鏈中各個區塊的信息，是一種全節點。共識節點在區塊鏈中參與共識進行投票，通過尋找物聯網終端設備所采集的數據信息來驗證數據信息的準確性。

3基于區塊鏈的物聯網管理方案

區塊鏈中的物聯網終端設備通過無線或有線的方式與網關連接，以北京數據中心云平臺機房為例，機房網關作為區塊鏈中的一個輕節點，與物聯網終端設備相連，監聽狀態變化，通過執行發布智能合約完成一系列智能化操作。

以北京數據中心機房溫濕度控制為例，每個機房中都有獨立的機房網關節點，機房網關節點A（輕節點）控制機房空調B（物聯網終端設備）的開關。

1）發布智能合約

首先由機房網關A發布合約，并寫入相應的權限驗證策略。該合約可以通過空調B感知的狀態來控制空調B的開關，通過權限驗證策略來驗證合約調用者的身份，滿足條件即可成功調用。在區塊鏈中可以查找到已經成功發布的智能合約，在此之后，機房網關A將對空調的狀態進行監聽，根據機房中溫濕度的變化做出一系列智能化操作。例如，當機房中溫度過高時，會控制空調B打開開關進行降溫。

2）執行智能合約

當機房網關節點A控制空調的開關時，節點A會連接到區塊鏈中的共識節點并發生一筆合約調用，合約內部通過權限驗證策略驗證請求節點是否具備該合約函數的執行權限，驗證通過后執行該合約，改變空調的狀態。機房網關節點監聽到合約中空調的狀態發生了變化后，會控制空調的開關。

4結語

物聯網技術的應用和發展受到世界各國的廣泛關注。同時，物聯網面臨著隱私安全問題、中心服務器單點問題等一系列挑戰。本文通過選擇一定數量的邊緣物聯代理組成基于區塊鏈的物聯網管理體系，每一個邊緣代理可以得到鏈上全部可信的信息，將物聯網與區塊鏈技術融合，為解決物聯網管理問題提供了新的思路。

參考文獻

[1]Samaniego M，Deters R.Blockchain as a Service for IoT[C]//IEEE International Conference on Internet of Things.IEEE，2017.

[2]N. Kshetri，"Can Blockchain Strengthen the Internet of Things？，" in IT Professional，vol.19，no.4，pp.68-72，2017，doi：10.1109/MITP.2017.3051335.

[3]袁莉莉，袁曉偉，韋安壘.物聯網和區塊鏈在智能工廠中的應用[J].網絡空間安全，2020，11（01）：91-97.

[4]郝長征，劉明媚，張建宇，付召輝.邊緣物聯代理應用研究[J].科技風，2020（15）：100.