區塊鏈技術在物聯網中應用研究

時曄

(廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東廣州，510000)

1 區塊鏈技術概述

自2008年至今，隨著比特幣的出現，區塊鏈技術得到了廣泛的應用，該技術以互聯網共享數據庫為核心，是一種以密碼學算法為基礎的點對點分布式賬本技術。針對中心化模型所帶來的安全問題，區塊鏈技術可以有效確保數據與價值的安全轉移，保障數據不被篡改，并確保節點間區塊數據的一致性。

目前區塊鏈層級構架一般包含了數據層、共識層、應用層、網絡層以及合約層。區塊鏈數據層依托于levelDB等數據庫，賬戶數據以及交易數據一般存儲于區塊體中，區塊頭則存儲了Merkle樹的根及區塊父哈希值等。數據層包含了非對稱加密技術和時間戳技術等，為數據的不可篡改性和可溯源性奠定了基礎。

網絡層包含了區塊同步算法、數據驗證機制、節點間的分布式P2P通信協議、數據傳播等，在區塊鏈的分布式點對點網絡拓撲中起到了決定性作用，能夠完成數據傳輸、信息廣播以及節點發現等任務。共識層涉及了多種較為成熟的區塊鏈共識算法，共識算法作為區塊鏈的核心機制，決定了共識層在區塊鏈中的重要地位。合約層包含了智能合約的部署、合約接口、日志管理、合約測試、實例管理等，能夠在沒有人工干預的情況下，按照事先約定好的條款，在區塊鏈上運行腳本語言。應用層能夠支撐區塊鏈實現物聯網、金融貨幣、征信、供應鏈、社交娛樂等方面的應用的落實，包含了在區塊鏈上運行的去中心化應用程序等[1]。

2 區塊鏈在實際物聯網中的應用場景

2.1 無人機領域

目前，無人機技術應用急需解決的問題之一即數據隱私以及安全問題。區塊鏈技術在無人機領域的應用有效提升了無人機管理和調控的可信度、安全性和效率。有學者利用哈希算法實現數學簽名，將GPS位置信息等通過時間戳機制進行記錄，利用傳感器和圖像對數據進行加密等，打造了一個以區塊鏈為基礎的、易于管理的、可擴展的、安全性好的無人機訪問控制系統。

2.2 車聯網領域

為了提升駕駛的安全系數，車輛需要進行高效率的數據的收集和共享。當區塊鏈技術在車聯網領域中應用時，既能夠解決分布式管理構架中存在的安全保護問題和數據訪問問題，也能夠解決集中式管理構架中車輛不主動上傳基礎設施的問題。有研究者利用區塊鏈技術的智能合約提升了路側基礎設施數據存儲的效率和可靠性，利用信譽數據分享方案提升數據可信度，這樣人們可以選擇可信度高、質量好的數據提供者，在確保數據共享的安全性和異常車輛的檢測率方面發揮了至關重要的作用。

2.3 在電網中的應用

微電網和間歇性能源是未來能源供應的重要組分，有研究者已經嘗試將智能電網和區塊鏈進行結合以提升系統的運行效率，在電力供應和電力需求匹配中利用了人工智能和微交易，有效提升了整個網絡中電力資源分布的合理性。除此之外，基于區塊鏈技術，人們創新性的構建了一個電力聯系模型，促進成功促進了能源的合理交易，打破了能源市場壟斷的局面，讓能源管理的穩定性更高。例如，Energo項目巧妙的利用智能合約調整電網切換的策略過交易規則，評估能源消耗量等，將本地微電網和區塊鏈技術有效結合，實現了一個情節能源力量、交易、結算、登記及管理的去中心化系統。

2.4 在農產品運輸領域的應用

物聯網的正常運行需要依賴于傳感數據的傳輸，如果將區塊鏈技術與傳感器技術進行融合，可以有效提升物聯網去中心化安全和信任，實現數據溯源和存證。在具體的運輸鏈情景中，區塊鏈技術的應用能夠打造一個谷物質量跟蹤系統，該系統應用后可以實現巴西大豆出口收益額的提升。與此同時，區塊鏈技術與傳感器技術結合，能夠對運輸車輛內部的微氣候進行檢測，讓食品公司、供應商或運輸單位能夠實時掌握物品的運輸狀況。此外，基于區塊鏈技術構建的系統能夠實現供應量數據的可溯源性，為農產品的供應提供了安全保障[2]。

圖1 區塊鏈物聯網應用

3 針對物聯網的區塊鏈底層技術研究

3.1 系統架構

到目前為止，物聯網的架構發展經過了服務器階段、客戶端階段、開放式云中心階段以及分布式P2P階段，如圖2所示。以云服務器為基礎的傳統物聯網在安全方面存在較大的漏洞，網絡系統的安全性和穩定性受外界干擾大。相比較而言，基于區塊鏈的分布式P2P網絡構架能夠在單個惡意節點存在時，主動拒絕該節點對鏈上數據的操作。

圖2 物聯網構架發展歷程

為了尋找更加適合物聯網的區塊鏈構架，相關學者基于區塊鏈技術開發了新的輕量級體系構架，該構架包含了覆蓋網絡、智能家居、云儲存三個部分，其中，智能家居層解決了訪問控制和身份認證的問題，覆蓋層解決了隱私問題，云儲存層解決了分布式節點的信任問題。為了促進兩個技術領域交叉融合，需要相關人員努力構建和設計能夠適合物聯網的區塊鏈系統構架，伴隨著物聯網邊緣計算的快速發展，霧計算與區塊鏈技術的結合將成為區塊鏈物聯網系統構架的發展方向。

3.2 共識算法

共識算法在確保區塊鏈去中心化和維護區塊鏈的安全性等發揮了關鍵作用，可以說，共識算法是區塊鏈的核心。在分布式P2P網絡中應用時能夠保障各個節點能夠對順序和內容的交易記錄進行維護。由于傳統PoW的共識算法在應用時存在高能耗、低通量以及低可擴展性的局限，所以，只有不斷設計和優化適合物聯網應用的共識算法才能夠推動區塊鏈技術的發展。隨著網絡規模的增加以及人們對網絡安全性的要求的提升，相關人員可以嘗試利用PoS共識算法，或者把DPoS和PBFT等共識算法利用在安全性不嚴苛的環境中，讓工作更加節能和高效。

3.3 智能合約

區塊鏈技術在各個領域的廣泛應用離不開各類智能合約的區塊鏈設計。研究者開發了基于太坊區塊鏈的物聯網設備管理系統，在各個設備上都保存了私鑰，而在區塊鏈上存儲了密碼公鑰，那么物聯網設備的配置便可以利用完備語言的智能合約來完成，提升了物聯網設備的管理水平[3]。

4 區塊鏈為物聯網帶來的新挑戰

4.1 隱私安全

物聯網研究的重點在于，針對涉及敏感數據的區塊鏈技術應用，應該重視數據隱私安全問題。例如，有學者創新性的研究出的FairAccess，這是一種利用區塊鏈來保障物聯網數據隱私安全的有效方式。FairAccess拓展了區塊鏈應用的全新領域，解決了物聯網中分布式訪問控制的問題。

4.2 節能高效

由于物聯網設備在分布式P2P網絡中大多是傳感器節點或是嵌入式終端，其儲存能力和計算能力相對不足。無效傳感網絡可以利用電池功能，網絡的運行和壽命離不開能源的消耗。因此，區塊鏈在物聯網中的應用很大程度上受到了設備性能的干擾，相關人員應該重視區塊鏈節能高效問題。例如，針對這一問題，有學者提出了分層的輕量級可擴展區塊鏈，優化了分布式信任和通量管理算法、共識算法、數據流的分離以及交易路由，成功的降低了能源消耗，擴展了區塊鏈在低性能物聯網中的應用。

4.3 通量性能

區塊鏈的通量性能的改進是區塊鏈技術應用的重要途徑。有學者開發出一種以物聯網霧計算為基礎的區塊鏈云構架，響應時間、網絡延遲以及通量等都能夠被利用來對系統進行合理評估，有效提升了區塊鏈數據通量。但是，對于通量性能的優化我們仍面臨著較大的挑戰，需要重視這一領域的研究[4]。

5 結語

區塊鏈技術已經逐漸在物聯網中廣泛應用，例如，無人機領域、車聯網領域等，相關人員需要熟悉掌握物聯網的區塊鏈底層技術研究，不斷優化和改進其隱私安全、通量性能等，推動區塊鏈技術在物聯網中的應用。