基于區塊鏈的5G、物聯網融合應用研究

劉會霞　劉路希

摘 要：本文簡述物聯網的基本概念，介紹物聯網目前存在的一些問題，并闡述區塊鏈對物聯網的促進作用，將區塊鏈技術與物聯網和5G技術融合，實現數據安全、跨域協同與共享，同時介紹基于區塊鏈的5G、物聯網數據融合應用方案，希望能為未來區塊鏈物聯網的研究提供參考。

關鍵詞：區塊鏈;5G;物聯網（IoT）;分布式存儲

中圖分類號：TN929.5;TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0030-03

Research and Analysis of 5G IoT Based on Blockchain

LIU Huixia LIU Luxi

（1.Henan Police College，Zhengzhou Henan 450046;2.Information Center of China North Industries Group Corporation，

Beijing 100089）

Abstract： This paper briefly describes the basic concept of the Internet of things， introduces some problems existing in the Internet of things at present， and makes some descriptions on the promotion of the blockchain to the Internet of things， data security， data sharing and cross-domain collaboration are realized by fusing block chain technology with Internet of Things and 5G technology， it is hoped to have some reference value for the future research of blockchain IoT.

Keywords： blockchain;5G;Internet of Things（IoT）;distributed storage

隨著物聯網技術在智慧城市、智慧農業及車聯網等領域的飛速發展，物聯網設備的使用規模呈爆炸式增長。《物聯網感知社會論》中提到，物聯網是面向實體世界，以感知互動為目的，以社會化屬性為核心，關注實體世界的事件，超越智能化，超越互聯網，建立在智能化和互聯網基礎上的物理與信息深度融合的全新體系。物聯網技術的廣泛應用不僅為人們的生活帶來了極大便利，而且為世界的發展帶來了機會，提升了社會生產效率和經濟效益。物聯網建立了物理世界與信息世界的聯系，實現了物理世界中物體的智能化識別、定位、跟蹤及監督等功能，獲取了物理世界的信息。在這種背景下，物聯網的隱私安全和數據保護變得越來越重要。因此，為了更好地實現網絡環境與保護信息安全，物聯網技術尚待深入研究[1]。

1 物聯網現狀分析

物聯網是一個涵蓋所有與互聯網相連事物的總稱。物聯網的系統架構主要可分為感知層、網絡層和應用層3層。在長期發展演進過程中，物聯網使得人們的生活趨向智能化。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）和5G等技術的發展使萬物互聯成為現實。目前，物聯網應用正在向制造、政務、金融、交通及醫療等領域發展，同時也帶來了一系列問題。

1.1 成本較高

物聯網擁有數以億計的物聯網設備，用來實時記錄和存儲海量信息。在中心化組網的方式下，這些設備都連接到中心化云和大型服務器上，因此對云和中心服務器的性能要求越來越高，導致成本越來越高，每一次互動傳輸都將產生昂貴的流量成本。另外，物聯網設備需要周期性更新迭代其軟件和功能，且中心化的平臺維修、升級也帶來了較高的成本開銷。

1.2 數據存儲安全性差

很多物聯網設備存儲有隱私信息，且以中心化的方式部署，一旦中心數據庫受到惡意攻擊，會對整個物聯網造成很大的破壞。可見，物聯網數據存儲安全性差。

1.3 缺乏隱私安全與保護

目前，物聯網具有分布式節點多、海量數據傳輸和云存儲及數據中心化等特點。其中，節點多導致出現故障的風險多，且不能判斷具體故障節點，增加了隱私保護的難度;海量數據傳輸和云存儲容易導致數據的丟失，造成隱私泄露;數據中心化存儲造成數據集中，一旦發生數據泄密，隱私信息將大量、災難性暴露。物聯網隱私信息的生命周期時間跨度較長和多層次的特點，使得隱私保護更加困難。隱私信息在采集、傳輸、存儲及使用等一系列過程中，在存儲層、網絡層和應用層等結構中，都存在泄露和竊取風險。

1.4 物聯網設備缺乏信任機制

物聯網涉及很多領域，不同運營商、企業之間存在互信問題;物聯網中的設備之間缺乏信任機制，過度依賴中心化數據庫;物聯網設備采集的數據傳輸要經過多個主體，如傳感器、芯片、邊緣計算、云SaaS服務、位置計算服務及智能調度等。因為不同參與方的通信標準、認證方式不同，所以他們之間存在數據難以互信的問題[2]。

2 基于區塊鏈的5G、物聯網融合應用

2.1 區塊鏈技術

區塊鏈于2008年由中本聰提出。區塊鏈是分布式賬本技術、共識機制、智能合約和密碼學的綜合應用，是以比特幣為代表的數字機密貨幣的支撐技術。區塊鏈運用了密碼學、Hash函數、分布式共識和智能合約等手段，在無須借助第三方的平臺下，在互不了解的多方之間建立點對點交易，主要特征優勢是去中心化。目前，區塊鏈作為一種去中心化、不可篡改、可追溯以及多方共同維護的分布式數據庫，在很多方面獲得了較為廣泛的應用[3]。

2.2 5G技術

第五代移動通信網絡（簡稱“5G網絡”或“5G”）是為構建網絡型社會并實現萬物互聯的宏偉目標而提出的下一代移動網絡。相比于4G來說，5G在寬帶、時延等各個方面都有了質的提高。5G運用通信網絡達到萬物互聯的效果，可為物聯網的發展提供技術支撐。根據IMT-2020推進組的規劃，未來5G應達到“三高兩低”5個基本要求，即高速率、高容量、高可靠性、低延時與低能耗。5G將以創新為基本理念，增強用戶體驗，成為敏捷化、服務化與軟件化的現代化網絡，并能夠服務于各行各業。可見，5G已經成為新一輪信息技術的熱點課題[4]。

2.3 基于區塊鏈的5G、物聯網融合應用方案

區塊鏈與5G、物聯網技術的融合解決了很多弊端，并為物聯網應用帶來了新的生機。區塊鏈能夠在沒有第三方的情況下將交易雙方相互信任地聯系在一起，建立一個多邊團體，為5G無線網絡的跨各方整合和共享各種資源提供強有力的支撐平臺。區塊鏈無線接入網（Blockchain-Radio Access Network Beyond，B-RAN）是以區塊鏈為技術支撐平臺的去中心化的、可信任的無線接入范式，如圖1所示。通過有效聚集和共享大量信息資源，區塊鏈在多種功能上都有所加強，其中物聯網應用是很重要的一方面，還有車聯網應連接、移動邊緣計算、網絡切片和能源交易等。區塊鏈無線接入網絡發揮了一個多邊平臺的作用，通過網絡效應吸引更多的參與者，通過通信、計算、緩存和控制單元的集成和協調，向整個網絡提供智能服務。

區塊鏈與物聯網的融合解決了許多物聯網存在的成本問題、安全問題和信任問題。在融合框架中，數據提供節點、數據需求節點、區塊鏈服務器和云服務器相互聯系，為數據共享提供了平臺支撐。數據提供節點由各種提供數據的物聯網設備構成，如自動駕駛車輛、移動設備以及傳感器等，將共享數據的具體情況上報給區塊鏈服務器，使得區塊鏈可以根據具體情況為其匹配相應的數據需求節點，待匹配成功后，將發送授權令牌給數據需求節點，用于和云服務器的驗證。數據需求節點由各種需要數據的物聯網設備和機構構成，如自動駕駛車輛、數據機構等，可向區塊鏈服務器發送共享請求。為了支付數據共享費用，它還需要兌換一定數量的共享幣。區塊鏈服務器由賬戶服務器、交易服務器和共識服務器3個實體構成。賬戶服務器類似于銀行，負責共享幣的發行，并記錄節點的余額;交易服務器用來處理申請數據共享請求，并為數據需求節點匹配相應的數據提供節點，而數據提供節點根據需求可能是一個或者多個;共識服務器由多個共識節點組成，負責區塊的打包、驗證和記錄，維護區塊鏈賬本的一致性。云服務器存儲著數據的云端，存儲數據提供節點的加密數據datak。數據提供節點對明文數據使用對稱密鑰Dk進行加密得到datak。當數據需求節點請求訪問此數據時，云服務器首先驗證授權令牌，待驗證通過后再將對應的加密數據發送至數據需求節點。數據提供節點、數據需求節點、區塊鏈服務器和云服務器相輔相成，形成數據共享框架和數據共享流程。

3 區塊鏈與5G、物聯網融合效果

3.1 直接互聯傳輸數據，降低運維成本

物聯網具備分布式特征。物聯網中的海量物聯網設備按照各自交互作用中的角色產生數以億計的交易，與區塊鏈分布式特征的P2P網絡高度契合。通過區塊鏈分布式計算處理物聯網中的海量交易，能夠顯著降低與建立和維護龐大的中心化數據庫相關的成本。同時，為了降低計算和儲存成本，可以利用分布在不同位置的閑置設備的計算力、存儲容量和寬帶進行交易處理。

區塊鏈與物聯網技術融合，將物聯網設備放入區塊鏈節點中進行管理，分布式存儲和處理設備信息、狀態信息和采集數據，提高物聯網設備鑒權、狀態管理、采集數據存儲處理、多設備協同的效率，也能夠有效解決物聯網多方主體間的可信數據交換，實現對分布式物聯網的去中心化控制。另外，通過物聯網技術能夠解決物理資產與區塊鏈數據映射的可信性問題，保證原生數據是真實的。

區塊鏈技術的點對點組網模式、分布式存儲等技術特點，彌補了物聯網在實際應用中的缺陷，不僅降低了物聯網運營成本，也使得物聯網大規模部署、穩定運行成為可能。

3.2 保證數據安全

區塊鏈的分布式網絡結構特點，使得物聯網的數據存儲在受到破壞時能保證一個或多個節點即使遭到攻破其他節點也不會受到影響。

3.3 保證隱私安全

基于區塊鏈技術的特點，利用隱私數據區塊化、去中心化存儲以及信息分級的智能合約保護等方式，可實現對物聯網數據的隱私保護。

第一，將物聯網信息進行數據區塊化，每個數據區塊只包含完整信息的一部分，且采用哈希函數進行非對稱加密，這樣即使受到攻擊，一個區塊也很難獲取完整數據。

第二，區塊鏈分布式存儲、共識機制等特點可保證各節點之間在安全可靠一致性的前提下，點對點地采集、驗證、存儲數據，避免中心化數據存儲的高風險問題，從而減少隱私泄露風險。

第三，智能合約將依據數據和事件輸入執行合約代碼，并根據約定將隱私信息按照不同等級采取不同的保護措施[5]。

3.4 建立物聯網的互信機制

區塊鏈去中心化特性有助于構建多方互信。它的分布式結構、數據不可篡改可全程追溯等特性也將大大降低各方的信任成本。可信數據的自由流通使得價值物聯網成為可能。

傳統的物聯網設備認證方式是設備與服務器之間的一對一認證。區塊鏈基于點對點的分布式網絡，采用非對稱加密、時間戳以及共識機制等技術，去除中心化認證機制，針對物聯網設備，基于共識機制進行設備接入的認證與管理，保證設備接入的合法性，從而建立設備之間的不依賴可信第三方的安全互聯。

3.5 5G為區塊鏈和物聯網提供通信保障

區塊鏈是點對點的分布式網絡系統。隨著區塊鏈節點體量和賬本數據量的逐步擴大，節點間的通信需要高性能、高可靠的通信網絡為支撐，否則可能造成區塊鏈的性能瓶頸。高速率、低延時以及廣連接等5G特征為區塊鏈應用空間和系統性能的提升提供了有效支撐。5G與區塊鏈融合，使得區塊鏈數據在5G網絡環境下可以達到高速同步，減少了差異數據的產生，大大提高了數據一致性，提高了共識算法的效率。同時，它還大大提升了區塊鏈網絡的可靠性，減少了因為網絡延遲帶來的差錯和分叉，也提高了區塊鏈的性能。

快速發展的物聯網技術將會產生更多的終端傳感設備，使得接入網絡的物聯網設備越來越多，且設備采集的數據大幅度增多且更加復雜。另外，物聯網對網絡時延的要求更高，要求數據快速進行傳輸和處理，且要求信息實時、準確傳輸。物聯網這些發展需求都能由5G網絡的高傳輸容量、傳輸速率和高可靠性滿足，因此5G與物聯網的融合應用必將在很大程度上促進物聯網的發展。

4 結語

在區塊鏈發展如日中天、5G逐漸步入大眾視野以及物聯網發展遇到瓶頸的情況下，將區塊鏈、5G及物聯網相融合應用于實際，成為一個非常具有研究意義的話題。區塊鏈為物聯網環境提供了一個分布式去中心化的平臺，運用密碼學、共識機制以及塊鏈結構等多種技術解決了物聯網存在的數據安全和隱私保護等問題。5G為物聯網、區塊鏈提供了通信保障，促進了物聯網和區塊鏈的融合。雖然很多現存的問題得到了解決，但是仍面臨很多挑戰，需要進一步探索研究其關鍵技術，使區塊鏈與5G、物聯網的融合應用得到更好的發展。

參考文獻：

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[3]魏欣，王心妍，于卓，等.基于聯盟鏈的物聯網跨域認證[J].軟件學報，2021（8）：2613-2628.

[4]馮登國，徐靜，蘭曉.5G移動通信網絡安全研究[J].軟件學報，2018（6）：1813-1825.

[5]郭上銅，王瑞錦，張鳳荔.區塊鏈技術原理與應用綜述[J].計算機科學，2021（2）：271-281.

3840501908283