區塊鏈在物聯網中的應用態勢分析

閭海榮，姜楠，許瑞坤，周容辰

1.清華大學自動化系，信息國家實驗室生物信息學研究部，北京 100084

2.北京愛醫聲科技有限公司，北京 100083

引 言

自 1999年麻省理工學院首次提出物聯網的概念以來，隨著相關研究的深入以及技術的發展，物聯網的定義從最初通過無線射頻識別設備相互連接的網絡不斷豐富延伸。今天，物聯網將接入的所有物體數字化以實現物理實體的信息化，并依賴組網技術為物體之間、物體與人之間提供高效穩定的資源共享與信息交流通道，作為物理空間與信息空間融合的橋梁，物聯網是比互聯網更廣范圍的信息交互處理網絡[1]。

雖然物聯網技術的發展仍屬于初期，但因其在提高生產效率和改善生活質量方面的巨大潛力已被廣泛試用于社會的各行各業當中。無論是在傳統行業的農業種植、工業生產、物流流轉、金融融資， 還是在新興產業中的智能家居、智慧醫療、智能電網等領域，都能發現許多物聯網應用的案例[2]。特別是在近年來以 5G 為代表的移動通信技術迅猛發展的背景下，許多研究者預估，物聯網將會成為一種新的產業革命，是一支推動如工業 4.0 與工業互聯網等產業變革的重要力量[3-4]。

目前，物聯網距離大規模成熟應用還有一些亟待解決的問題：（1）物聯網中設備之間差別大，共享信息為異構數據，互操作性弱；（2）傳統物聯網多由分布式設備和中心化數據處理節點構成，在實際運轉及接入新設備時會存在通信延時高與易受DDoS 攻擊等問題，從而導致物聯網可擴展性差；（3）物聯網中共享的數據往往涉及用戶隱私，保密程度深，安全要求高，物聯網可能會因此被惡意攻擊[5]。

區塊鏈的出現有助于解決傳統物聯網的上述缺陷，作為支撐比特幣[6]的底層技術——區塊鏈最早被當做比特幣的代名詞，涵蓋了密碼學原理、共識機制與鏈式結構等定義，具備匿名、可追溯、不可篡改與去中心化的核心特征。其后以太坊[7]中應用的智能合約增加了區塊鏈對于數據處理的執行功能。經過最近幾年研究人員的不懈探索，區塊鏈與物聯網的結合正逐步成為一個很有前景的研究領域[8]。本研究從SCI、EI 等收錄的核心期刊中選取了近年國內外具有前沿創新性的75 篇論文[8,13-87]。本文主要整理了這 75 篇期刊文獻，并輔以陳超美教授開發的CiteSpace[9]對文獻進行計量分析，總結區塊鏈在物聯網中應用的研究熱點和前沿，歸納區塊鏈和物聯網結合的應用態勢。

1 技術基礎

1.1 物聯網

1.1.1 基礎架構

物 聯網的基本組成元素包含傳感器、執行設備、計算服務器和通信網絡。傳感器采集狀態信息，通過網 絡傳輸至計算服務器進行存儲。按照用戶需求，計算服務器調用算法處理數據得到控制指令，最終通過網絡傳輸對執行設備進行操控。

傳感器是物聯網感知物理環境的終端，并不局限于工業場景中監測溫度、濕度或壓力等狹義傳感器，還包括了手機、電視甚至微波爐等其他提供自身或環境狀態信息的終端。執行設備指可影響周邊環境狀態的設備，例如空調調節環境溫度，臺燈改變環境亮度等。一般情況下，由于物聯網終端設備存儲與計算能力欠缺，其僅能對采集的狀態數據進行預處理，大規模的數據存儲與處理仍需依賴獨立的計算服務器。物聯網終端設備之間及其與計算服務器之間通常以無線形式連接，因為實際應用場景中的物聯網各設備所處物理位置分散且相距較遠，所以常見的網絡拓撲結構有 Mesh、星型等[10]。

如圖1所示，常見的物聯網結構分為五層：感知層、傳輸層、處理層、應用層和業務層。

圖1 物 聯網五 層架構Fig.1 Five layers of Internet of Things

（1）感知層：本質是物理層，由各種采集環境參數及識別其他物聯網設備的傳感器組成。

（2）傳輸層：通過網絡將傳感器數據在感知層與處理層之間雙向傳輸，主要網絡種類包括 4G、5G、WLAN、LAN、藍牙和 NFC 等。

（3）處理層：又被稱作中間件層，利用數據庫、云計算、邊緣計算與機器學習等技術，存儲、分析及處理傳輸層提供的海量數據。

（4）應用層：根據用戶需求提供物聯網定制服務，例如智能家居和智能醫療等。

（5）業務層：負責管理整個物聯網系統，涉及到應用、運營、商業模型、用戶隱私與數據安全等各 方面業務。

1.1.2 問題與挑戰

物聯網通過網絡連接大量不同的終端設備，搭建物理域和信息域之間的橋梁，其發展仍有不少需要應對的問題與挑戰，主要可以概括為以下三個方面：

（1）互操作性：物聯網的終端設備包含許多傳感器與執行器，它們的運行機理、操作方式和功能作用各有不同，由此也導致彼此采集或接收的數據標準不統一，例如溫度傳感器工作在弱電區間，采集的數據為連續浮點型，而智能開關工作在強電區間，接收數據為布爾型。除此以外，不同設備之間連接的通信協議也有差異，例如有線與無線、NFC與 RFID 之間的轉換等同樣制約著物聯網的互操作性。

（2）可擴展性：物聯網在擴展或并合時，存在不同結構的網絡融合的問題，例如mesh 結構網絡與星型網絡的融合。并且如果物聯網中存在中心服務器，在接入其他物理距離較遠的物聯網時，會引發通信延遲的問題。

（3）隱私安全：物聯網中傳輸的數據與家庭生活或者企業運轉等息息相關，海量的數據深處隱藏著個人隱私和商業機密。物聯網處理層的第三方服務器在解決終端設備能力不足問題的同時，也帶來了隱私泄露的風險。而隨著物聯網不斷接入新的設備，僅僅依靠權限認證、訪問控制以及數據加密等傳統安防手段，一方面會降低物聯網的運行效率， 另一方面也會因不斷變化的惡意攻擊面臨安全漏洞。

1.2 區塊鏈

1.2.1 簡介

區塊鏈最早作為分布式賬本出現，賬本中記載著各方的交易信息，p2p 網絡中的所有節點共同維護一個相同的賬本。區塊鏈技術保證了這份交易賬本的安全、可追溯與不可篡改，同時因為用戶信息加密和去中心化，還保護了交易雙方的隱私。根據用戶權限的不同，區塊鏈分為如下表1所示的公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。

表1 區 塊鏈分類Table 1 Types of blockchain

區塊鏈的結構如圖2所示，顧名思義，區塊鏈是由多個區塊以一定形式鏈合而成。區塊由區塊頭和區塊體組成，區塊體記錄具體的交易信息，而區塊頭則包含了時間戳，前一區塊哈希值，區塊體中所有交易構成的Merkle 樹根節點以及共識達成時的驗證參數。

圖2 區塊鏈基本結構Fig.2 Basic structure of blockchain

區塊鏈的底層技術包含數字簽名、哈希函數和Merkle 樹。簡而言之，數字簽名是指加密用的私鑰Sk與解密用的公鑰 Pk不同，其中公鑰 Pk可由私鑰Sk求得，但是私鑰 Sk無法由公鑰 Pk求得。數字簽名常用于身份認證等場合，即對某一用戶的密文進行解密并與明文比對以驗證信息是否由用戶本人發出，同時因私鑰 Sk不可知而無法偽造加密過程。哈希函數hash(m) =h是一種不可逆的偽隨機數生成算法，其將任意數據 m 映射到固定長度的哈希值h。一般對于不同的 m，其哈希值h一般不同。Merkle 樹本質是許多數據的哈希樹，葉節點代表了數據，父節點則是子節點兩兩相接后的哈希值。

用戶加入區塊鏈網絡，服務端會向用戶發送由隨機數生成的私鑰Sk，同時將公鑰Pk作為地址以代替身份信息。用戶在匿名狀態下以智能合約形式相互交易，固定時間窗口內所有交易組成 Merkle樹并被打包成新區塊。新區塊在連接到區塊鏈前，需經過共識機制以解決一致性問題。每隔一個周期，區塊鏈網絡中的各節點會自動同步到最長的區塊鏈。

1.2.2 共識機制

共識機制是區塊鏈技術 的基礎與核心，它決定了各方節點如何就延長區塊鏈的問題達成共識。共識機制在區塊鏈技術中的應用，是為了在去第三方的前提下解決故障節點或惡意攻擊的問題，保證各節點賬本數據的一致性。目前，常見的共識機制算法包括工作量證明算法（PoW）、權益證明算法（PoS）和實用拜占庭容錯算法（PBFT）[11]等。不同的區塊鏈系統采用不同的共識機制，以平衡去中心化、效率和安全的三角矛盾。

1.2.3 智能合約

智能合約是一段可執行的計算機 代碼，具有去第三方中介、自我驗證和自動執行的特點。區塊鏈上的智能合約因為去中心化、可編程、可追溯以及不可篡改等特點，在未來的信息共享、資產管理和契約執行等領域大有前景。

智能合約根據簽訂方需求編寫，并發起“合約創建交易”，經過共識機制，智能合約會被存儲在區塊鏈的某區塊中。同時，用戶得到返回的智能合約地址和接口等信息。在調用智能合約時，由用戶發起智能合約調用交易，參與共識機制的節點收到交易后在本地沙箱中執行調用的智能合約代碼[12]。

1.2.4 與物聯網的契合度

區塊鏈將節點間通訊與合作抽離出來，各節點只需要按照區塊鏈協議進行作業，在滿足安全條件（如比特幣誠實節點算力占總體50%以上）下即可信任和放心使用自己所存儲的全局數據和信息，并安全地提交和確認自己的提案。區塊鏈的高速發展帶來了大量的可選擇方案和開源項目，很容易移植到物聯網，并與物聯網進行融合。融合后互操作性、可拓展性和隱私安全等物聯網問題可以交由專業的區塊鏈機制解決，節點在實現區塊鏈協議之后，就可以專注于自己的業務和工作。

2 研究熱點

為探究國內區塊鏈在物聯網中應用的研究熱點，本文以SCI、EI 等為文獻來源，共檢索得到關鍵字同時包含” 區塊鏈” 和” 物聯網” 的國內外期刊論文 75 篇。這些論文的研究主題可歸納總結為三個方向：（1）區塊鏈對物聯網數據隱私和安全的保護；（2）區塊鏈加物聯網在社會經濟中的應用場景；（3）區塊鏈和物聯網結合在大數據時代的機遇挑戰。

本文利用 CiteSpace 工具對上述 2016年 2020年的75 篇文獻以年為單位分割，選取每個時間分區的全部節點數據進行關鍵詞共現分析，所得結果如圖3和表2所示。CiteSpace 的關鍵詞共現分析參照了網絡結構洞思想，節點的中介中心性能可引導我們發現當前的研究熱點。

圖3 區塊鏈加 物聯網的研究熱點Fig.3 Resea rch hotspots in blockchain and IoT

表2 CiteSpace 節點的中心度Table 2 Node degre e c entrality in CiteSpace

通過分析 CiteSpace 的關鍵詞共現分析結果，本文得出區塊鏈在物聯網中應用的三個主要方向的研究熱點：（1）智能合約及去中心化的共識機制是區塊鏈保護物聯網數據隱私和安全的基礎方法；（2）傳統產業為主的數字經濟、金融科技和保險科技等是區塊鏈加物聯網的主要應用場景；（3）大數據、云計算、人工智能和5G 等新技術的產生發展是區塊鏈和物聯網結合的重要機遇挑戰。

3 研究前沿

3.1 數據隱私和安全保護

物聯網中數據的全生命周期從產生、存儲、管理再到共享，其中的數據隱私和安全保護涉及節點（物聯網設備和用戶）接入、訪問控制和行為監管等流程，研究者針對上述階段，利用區塊鏈去中心化、匿名性、數據可溯源與不可 篡改等特性，通過智能合約和共識機制等區塊鏈技術設計了相應的 解決方案。

3.1.1 節點接入

物聯網的節點包含傳感器、執行設備以及使用數據的用戶，它們是物聯網底層實現的基本元素。節點接入網絡時的身份認證和隱私保護是物聯網實現安全通信的基礎保障。研究者[38]根據基于簇的物聯網拓撲結構，設計了一種智能物件認證方案。在該方案中，物聯網的簇頭節點作為全節點采用瑞波共識，保存、同步并維護記錄節點注冊及數據更新內容的賬本。同時，為了在節點注冊時隱藏身份認證的私密數據，方案還采用 Feige Fiat Shamir 零知識證明，使得區塊鏈中其他節點能通過公開賬本去驗證新注冊節點的身份信息。節點在加入物聯網時，會采用公私鑰加密作為安全通信方式。若密鑰丟失或泄露，物聯網無法及時更新，因此研究者[39]提出了基于區塊鏈的密鑰更新方案， 用戶在物聯網中隨機生成私鑰，匹配的公鑰通過區塊鏈向其他節點公開并提供最新公鑰的查詢。研究者還在論文[39]中設計了基于共識機制的物聯網節點可信定位機制，通過各節點對相對位置的共識驗證，避免惡意節點偽造位置信息加入物聯網。為進一步保護物聯網節點的位置隱私，研究者[40]提出了一種保護模型，在節點加入物聯網時，通過分布式哈希表的邏輯地址轉換，向外界隱藏物聯網的拓撲結構。同時模型采用了k匿名泛化智能合約，在滿足物聯網正常提供地理位置服務的需求下，隱藏節點的敏感位置信息?；诠€基礎設施(PKI)的分級身份管理可以將身份分成不同層級進行管理，高層級的物聯設備管理低層級的物聯設備身份，目前已有不少研究方案探索將區塊鏈技術與公鑰基礎設施機制進行融合，如Uport[41]、Sovrin[42]、BlockStack[43]等。但我們仍未發現專門針對物聯網設計且較為成熟的身份管理解決方案?，F有的研究方案如研究者[44]提出了基于X.509 證書標準的去中心化身份管理系統，利用區塊鏈網絡中的分布式節點來共同管理和維護用戶的數字證書和身份，實現設備身份證書的頒發、認證、撤銷等一系列功能的去中心化實現，替代了中心化的證書頒發機構(CAS)，提高隱私安全而且大大地降低了系統的單點攻擊。針對復雜的身份屬性以及訪問控制策略，區塊鏈的鍵值對存儲方式仍存在一些局限性，研究者[45]通過使用以太坊的智能合約來處理復雜的證書復雜存儲結構以及各設備之間的關聯關系，從而僅在身份證書中存儲部分必要信息。

3.1.2 訪問控制

訪問控制決定物聯網中的用戶權限，是保護數據隱私和安全的重要方式之一。OAuth 協議作為用戶資源授權的標準，提供安全開放的認證服務，在物聯網中被廣泛應用。為了減少過度依賴權威機構對資源授權認證，研究者[46-47]提出了基于區塊鏈的分布式OAuth 協議，探索了去信任網絡中用戶的身份認證和資源授權。研究者[48]定義了設備之間的數據交換協議，通過區塊鏈實現了動態訪問控制流程，但該方法因為過于簡單的智能合約設計，而無法支持復雜的訪問控制策略且無法對重復的訪問請求信息進行有效的驗證。近期，越來越多的研究工作提出使用智能合約來管理物聯網環境中的資源授權，實現去中心化的權限管理。研究者[49]提出了使用以太坊及其智能合約平臺來管理物聯網設備，基于以太坊賬戶模型進行設備的身份管理，將訪問權限策略部署到智能合約上，并通過執行智能合約去操作鏈上的資源。相似的，研究者[50]介紹了基于OMAM(Objective Model & Architecture mechanism)[51]授權模型，通過智能合約定義了資源授權、資源獲取、資源委托和訪問權限撤銷等授權操作，實現隱私安全的自主訪問控制。研究者[52]則提出了另一種基于智能合約的物聯網訪問控制方案，該方案將物聯網和區塊鏈分為公有和私有兩類，引用智能網關既作為私有物聯網和區塊鏈的中心管理節點，也作為公有區塊鏈的挖礦節點，通過訪問控制合約對用戶進行授權。此外，研究者還探索了將區塊鏈作為訪問控制模型中可信實體的可能性。例如，一種被稱為基于區塊鏈的物聯網訪問控制（BBIAC）結合了基于屬性和基于權能的訪問控制模型的屬性和令牌的概念，將屬性作為基本決策要素，并把權限映射為代幣（token）以減小區塊鏈對訪問控制性能的資源消耗[53]。針對基于屬性的訪問控制模型，研究者[54]還引入智能合約實現模型的屬性權威、策略決策點和執行點，并在統一描述主客體和權限的實體屬性中加入信任度量，根據信任值和誠 實度動態調整訪問控制策略。一些研究方案則從物聯網的系統架構出發，使用區塊鏈作為物聯網的底層基礎設施，為物聯網提供基礎支撐。IBM 與三星聯合打造了去中心化的物聯網系統ADEPT（Autonomous Decentrialized P2P Telemetry）并提出了概念原型，通過結合三種不同的技術協議來解決物聯網中的設備交互問題，基于以太坊的智能合約平臺、BitTorrent 的文件共享協議以及telehash 的點對點信息交互協議，為物聯網提供新的分布式架構。ADEPT 在性能和穩定性方面仍面臨著許多挑戰，主要還是受限于區塊鏈本身的共識機制，設備需要花費大量時間和計算力來達成狀態的共識，因此無法有效支持海量設備同時接入。因為物聯網設備的硬件計算能力瓶頸，基于區塊鏈的物聯網架構需要著重考慮輕量級架構。當前，研究者[55]為智能家居打造了一個基于區塊鏈的輕量級訪問控制機制，提出了使用覆蓋層(overlay)來解決安全攻擊和性能問題，通過使用專用計算機來維護區塊鏈賬本以及局部網內容的設備信息，有效減少物聯網設備的計算消耗。研究者[56]則根據設備異構性和可擴展性評估了多種不同的物聯網訪問控制機制，設計了輕量級的共識機制和區塊鏈存儲方式，并提出了訪問控制的研究熱點正從中心化管理模式轉變到基于區塊鏈的去中心化管理模式的觀點。

3.1.3 行為監管

物聯網加區塊鏈的行為監管[57]既涵蓋了設備采集數據的行為，也包括了用戶使用數據的行為， 研究者大多聚焦于利用智能合約和共識機制來監控和管理這些行為。在一種高效隱私的區塊鏈認知物聯網框架中[58]，區塊鏈通過信任算法為物聯網服務提供者和請求者之間搭建信任關系，智能合約自動執行請求者所需服務，共識機制防范物聯網中出現的欺騙和攻擊行為。為了同時監管物聯網設備和用戶的行為，研究者提出了一種信息共享機制[59]，機制采用數據區塊鏈和交易區塊鏈雙鏈模式。其中，數據區塊鏈利用改進的實用拜占庭容錯共識算法形成賬本，防止采集的數據受到篡改破壞；而交易區塊鏈則使用部分盲簽名算法和一次性公鑰地址，避免交易的源頭鎖定，從而保護用戶隱私。研究者還提出了物聯網數據資產化的方法[60]，以使從數字貨幣衍生而來的區塊鏈更直接地監管物聯網行為。該方法包括轉移數據所有權的設備簽名傳輸協議，提供數據驗證的數據全生命周期管理智能合約和實現數據可變現性的物聯網數據訂單智能合約。

3.2 應用場景

區塊鏈填補了物聯網信息交流過程中的安全缺失，進一步提高了物聯網的可用性，更帶來了一些新的應用場景。當前，國內對 區塊鏈加物聯網應用場景的研究分布在傳統產業優化、金融科技和保險科技三個領域。

3.2.1 傳統產業優化

針對電力設備、油品凈化、食品安全、冷鏈物流和醫療健康等產業的需求，研究者們提出了一些區塊鏈加物聯網的解決方案，這些方案以區塊鏈增強了物聯網系統，具體應用場景見表3。

表3 傳統產業應用的區塊鏈加物聯網方案Table 3 Blockchain plus Internet of Things solutions for traditional industry applications

3.2.2 金融科技創新

區塊鏈加物聯網在金融科技中的應用集中于供應鏈金融領域。供應鏈是經濟活動中的一條重要鏈條，連接了供應商、制造商、運輸商、零售商以及消費者。不少研究者探索應用區塊鏈技術以及智能合約技術，記錄保存供應鏈中上下游各主體從原材料供應、產品制造加工、物流運輸及銷售的所有數據，這些數據公開透明、可溯源且不可篡改。隱私數據經過加密處理，解決了供應鏈的信任問題、監管溯源問題和數據隱私保護問題。同時研究者采用如二維碼、RFID 和 NFC 等物聯網技術自動化錄入數據，減少了人工失誤，提高了錄入效率[68-70]。尤其對擁有許多動產的小微企業來說，利用區塊鏈加物聯網技術，一方面可以幫助信貸機構監管監控企業在供應鏈中的物流存貨[71-72]，防止在商品質押過程中因出現流失等情況而導致資金端出現呆賬、死賬，從而有利于降低供應鏈的融資風險；另一方面確認供應鏈中的質押商品交易真實性，在資金追蹤層面，運用智能合約限定資金用途，并通過共識機制進行確認，最后利用時間戳進行資金溯源追蹤[73]，最終有助于解決供應鏈中小微企業長期存在的“融資難”問題[74-75]。

3.2.3 保險科技創新

保險科技是指利用如大數據、人工智能、數據挖掘、物聯網和區塊鏈等新興技術來設計新產品、改進定價機制、提高潛在客戶命中度以及提供理賠方案，提升客戶滿意度和體驗[76]。

設計保險產品和制定產品價格過程中最重要的就是對標的精確建模，其依賴對海量標的數據進行感知搜集。利用物聯網技術 “萬物互聯” 的特點，相關人員可在標的及周邊環境安裝物聯網傳感器采集數據。物聯網中的數據除了支撐精確建模，也可通過區塊鏈鏈上存儲為日志文件，利用區塊鏈可追溯及不可篡改的特點，異常的日志文件可在理賠環節作為勘損支持文件，從而降低潛在的逆向選擇，減少可能的騙保行徑，并監督監管保險公司履行保險義務行為，引導鼓勵參?？蛻魳淞⒄\信保險意識[77-78]。

3.3 困難與挑戰和新技術機遇

區塊鏈完善了物聯網的功能，但區塊鏈不是萬能的，還需要進一步的改良和創新。邊緣計算、大數據、人工智能和 5G 通信等新興技術的突破，給區塊鏈加物聯網既帶來了機遇，也同時帶來了挑戰。

3.3.1 區塊鏈性能受限

在大數據時代，物聯網設備數以千萬計，產生的數據雜亂復雜且數量龐大，負責數據維護管理的區塊鏈需要容納海量設備用戶，實時跟蹤數據生成采集，高并發處理物聯網中發生的數據交易。但目前的區塊鏈解決方案受賬本一致性的約束，難以協調吞吐量和節點數的矛盾。采用公有鏈共識機制，則吞吐量普遍較中心化系統低多個數量級；采用許可鏈共識機制，則接入節點數普遍不超過一百個。如何用區塊鏈控制物聯網所有設備，自動執行物聯網的各種行為，擴展區塊鏈加物聯網的容量，提高數據處理的速度成為了大數據時代帶來的機遇挑戰[79]。除了側鏈、子鏈、分片、隔離見證、多中心化等吞吐量擴展技術，研究人員對區塊鏈固有的鏈式結構的改進也進行了探索。IOTA 作為針對物聯網的加密貨幣技術，其底層的tangle 機制采用了有向無環圖（DAG）結構，實現了異步共識機制，使交易數量不再受限[80]。在此需要注意，有向無環圖結構依然需要節點盡可能地獲取和存儲全局數據，以達成共識和安全。

3.3.2 端設備性能有限

物聯網端設備大量且廉價，特別是一些移動設備沒有固定電源，更是為了增加工作時長而減少耗電量，使得端設備的計算和存儲性能有限。區塊鏈的共識機制常常建立在互不信任、存在拜占庭攻擊的基礎上，參與節點需要自己存儲完整的賬本并進行一定的計算以完成驗證和共識過程，這對于端設備而言是不現實的。目前，研究人員引入了邊緣計算技術，依賴邊緣設備提供算力和存儲等，輔助端設備接入區塊鏈網絡。ADEPT 將節點分為三類：輕節點、標準節點和交換節點，只有交換節點具有完整的賬本副本，輕節點只需要管理輕量級錢包，標準節點輔助輕節點工作[81]。端設備和邊緣設備依托虛擬化技術也可以組建P2P 局部邊緣網絡，形成一個小的許可鏈，豐富整個區塊鏈系統的層次，提高安全性[82]。

3.3.3 智能合約不夠智能

區塊鏈智能合約的“智能”體現在提供圖靈完備的程序執行上，實際上無法支撐大規模的計算，輸入輸出也受到極大限制，常常只用來處理預設的簡單業務邏輯，所以僅憑區塊鏈無法對大規模的物聯網數據進行有效分析和利用。隨著機器學習和知識圖譜等人工智能技術的發展，論文[83]提出了智聯網的概念，即通過物聯網從虛擬世界的信息互聯網中獲取智源和知識，進而實現人機物智能實體之間知識的互聯互通。構建智聯網，研究人員需要在物聯網的基礎上依序從互聯網中智能體感性混雜的數據中自動化獲取知識，協同表征與傳遞知識，最后建立聯合知識空間以聯結和協同運行知識。區塊鏈則支持智聯網中知識的協同運行方式在分布式的架構下實現自動化運行和自主性進化。論文[84]將區塊鏈技術應用到物聯網智能家居中，使分散的物聯設備如移動手機、傳感器、智能點燈等連接起來協同運作并實現設備之間的安全信息共享，同時還可以在人-設備和設備-設備之間在精確區域內提供訪問授權。

3.3.4 帶寬高消耗和低時延需求

區塊鏈的全網共識達成需要大量的廣播和節點間實時通訊，當節點數量巨大時，網絡帶寬和時延將成為技術瓶頸之一。5G 的出現極大緩和了這一問題，使區塊鏈在5G 物聯網中廣泛應用成為可能。物聯網在 5G 時代的應用場景主要包括了大規模機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信(uRLLC)[85]，其原有基于 TCP/IP 協議的架構已無法應對這些應用模式帶來的異構性、可擴展性、移動性和安全性四大挑戰。論文[86]提出了基于命名數據網絡（NDN）架構的物聯網構建方法，旨在以NDN 的網絡層命名、緩存以及端到端解耦等特性使得物聯網能夠在 5G 時代大規模應用。同時，研究者還探索了在基于 NDN架構的物聯網中利用區塊鏈設計分布式跨域安全保障機制的可能性，提出了亟待解決的區塊鏈資源調度調配，信息實時更新和高動態環境下穩定運行等問題。論文[87]概述了區塊鏈技術在面向5G 的物聯網以及工業自動化領域中的潛在應用，從分布式和可擴展性、身份管理、自主治理、隱私安全等五個方面探索了區塊鏈技術對物聯網帶來的好處和技術性變革，在供應鏈應用、智能城市、無人駕駛等領域中考查現有技術方案，提出了5G 物聯網未來面臨的挑戰包括區塊鏈可擴展性問題、協議標準化和互通性、高速連接網絡和區塊鏈能源消耗雙驅動下的設備能源效率等問題。

4 結語

物聯網是互聯網的升級，通過將物理實體相連，物聯網中的數據直接描述了客觀世界的基本屬性和關聯關系，而區塊鏈以分布式結構充分保障數據可靠、隱私、安全和權益，因此區塊鏈加物聯網將會是未來有效融合物理空間和信息空間，實現技術變革的重要發展方向。本文選取了SCI、EI 等收錄的國內外75 篇期刊論文，采用文獻計量工具 CiteSpace分析歸納了區塊鏈在物聯網中應用的研究熱點集中于數據隱私和安全保護、應用場景以及新技術帶來的機遇挑戰方面。同時，本文根據這些熱點領域的論文，總結出當前研究者主要通過區塊鏈、智能合約和共識機制在節點加入、訪問控制與行為監管三個階段保護物聯網數據隱私和安全；數字經濟、金融科技和保險科技是目前區塊鏈加物聯網的主要應用場景；同時，諸如邊緣計算、大數據、人工智能和 5G 通信等新技術是區塊鏈加物聯網當下所要面臨的機遇和挑戰。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關系。