基于區塊鏈技術的物聯網可信組網應用研究

李力

摘要：物聯網近年來發展非常迅速，目前基于中心化服務的物聯網及物聯網業務平臺將面臨挑戰。區塊鏈作為信任工具，區塊中數據分布存儲，信息公開透明，實現了各參與節點的去中心化連接，可進行點對點自由流通。文章結合物聯網技術，采用密碼學技術之加密算法，探索面向行業應用的各類技術多元化，實現物聯網設備的安全認證和可信組網。文章闡述了區塊鏈的核心技術以及物聯網海量連接存在的問題，探討了去中心化的物聯網可信組網區塊鏈架構模型的構建。

關鍵詞：區塊鏈；物聯網；信任機制

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

0 引言

區塊鏈不是一項新技術，而是新的技術組合、集成與應用模式。作為信任工具，區塊中數據分布存儲，信息公開透明，實現了各參與節點的去中心化連接，可進行點對點自由流通，能保證區塊中數據的安全。區塊鏈的特性主要有：網絡分散（去中心化）、安全、可追溯、共識機制、高可用性。我國《“十三五”國家信息化規劃》中把區塊鏈作為一項重點前沿技術，明確提出要加大區塊鏈相關新技術的研發和創新，落地應用，搶占先機，把新一代信息技術主導權掌握在手中，讓區塊鏈更好地賦能數字社會建設。

與此同時，物聯網業務近年來發展非常迅速。權威機構預測2025年物聯網連接數可能超過1 000億。傳統物聯網網絡與業務平臺是基于中心化信任管理的，隨著越來越多物聯網設備的接入，物聯網將面臨更大的挑戰，具體表現在：設備連接缺乏信任機制；設備間數據交互缺乏安全和隱私保護；設備間自主操作缺少可靠的通信和協作機制。

為解決以上物聯網存在的問題，研究人員可結合區塊鏈，采用密碼學技術之加密算法，實現物聯網設備的安全認證和可信組網，并在此基礎上搭建區塊鏈分布式賬本，開發物聯網設備間數據交互智能合約，實現設備間自主、可信和安全的互操作。在具體應用方面，研究人員可依托現有物聯網設備，應用區塊鏈技術，實現新型的物聯網業務管理模式。

1 區塊鏈技術

1.1 比特幣誕生背景

比特幣誕生于剛剛開始受到美國次貸危機打擊的全球化經濟環境。它將分布式技術、密碼學以及博弈論這3個并不算新鮮的知識領域加以整合，實現了一種被稱為“區塊鏈”的共識機制^［1］。區塊鏈技術是比特幣的底層技術，也是比特幣的核心與基礎架構，是一個去中心化的賬本系統。比特幣是區塊鏈最早也是最成功的一個應用，但不是區塊鏈技術的全部。

比特幣系統的4個基本組成部分包含軟件、加密、硬件、采礦（博弈論）。比特幣系統就是去中心化理念和區塊鏈技術的一個優秀示范項目。

1.2 區塊鏈定義

區塊鏈技術的本質是一種點對點的分布式數據庫系統，它以某種共識算法保障了各節點間數據的一致性，通過加密算法保證數據的安全性和隱私性，同時通過加入時間戳及首尾相連的鏈式結構，創造出一種公開的、透明的、可驗證的、不可篡改的且可追溯的技術體系^［2］。

1.3 區塊鏈核心技術

1.3.1 分布式賬本

分布式賬本指交易記賬由分布在不同地方的多個節點共同完成，是一種在網絡成員之間共享、復制和同步的數據庫。每個節點記錄的是完整的賬目，網絡參與者都可以監督交易的合法性，同時也可以互為作證。

1.3.2 共識機制

共識機制是區塊鏈事務達成分散式共識的算法。區塊鏈的節點是分散的，沒有做出決策的中心化權威機構。網絡中保存數據的所有節點，必須匯集在一起共同決策，共識機制，這決定了區塊鏈數據庫的真實性。

1.3.3 智能合約

智能合約是一種特殊協議，從技術角度也被認為是網絡服務器，是運行在可復制、共享賬本上的計算機程序，可以處理信息，接收、儲存和發送價值，是一種使用區塊鏈實現各方之間協議的方法，但是與網絡服務器不同的是，智能合約可以被所有人看到。

智能合約可以促進分布式網絡中的服務和資源共享，實現物聯網的應用價值，因此，智能合約已經成為區塊鏈技術在物聯網應用領域落地的關鍵點。智能合約和傳統紙質合約的區別在于智能合約是由計算機生成的，成本更低，交易更準確。

1.3.4 密碼學

密碼學是區塊鏈技術實現可信、防篡改和防偽造的基礎技術^［3］。存儲在區塊鏈上的交易信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，只有在數據擁有者授權的情況下才能訪問，從而保證了數據的安全和個人隱私。加密能力包括適用于去中心化環境下的數據加密和解密、摘要生成后的簽名機制^［4］。

2 區塊鏈技術與物聯網的結合

2.1 物聯網發展現狀

目前，大多數物聯網解決方案都依賴于一個強大的中心服務器——物聯網平臺主機，均采用集中式的服務器—客戶端方式，物聯網設備接入云端。然而，物聯網時代終端數量爆炸式增長，網絡邊緣設備和云服務器數據的流通和匯聚給物聯網設備帶來了比較大的開銷。中心化網絡結構終將迎來一次突變，應用服務正在從中心向終端遷移，形成分布式網絡的物聯網架構，解決中心化網絡架構存在的問題。

2.2 區塊鏈技術與物聯網的結合

現物聯網已經成為數字化時代最具發展潛力的技術和產業之一，正逐步向物聯網生態方向快速演進，引入各類新興技術是培育物聯網生態的重要手段。而區塊鏈技術的“去中心化”機制，把計算和管理能力下放到各個邊緣節點，各邊緣節點為各自區域內設備服務，以此達到增強物聯網網絡擴展能力，保證物聯網生態網絡的安全、可信和穩定運行，使得數據得以在整個鏈中以塊的形式存在。該系統的構成特性決定了數據幾乎不可能被破壞或竊取，物聯網中對數據的操作可以通過在區塊鏈中進行注冊和驗證來解決物聯網數據安全問題，區塊鏈技術已然解決了數據集中化管理帶來的數據隱私和安全問題，能確保其隱私性、魯棒性、單點故障容錯性。在區塊鏈分布式共享數據框架中，物聯網設備無需人為干預，可以安全地將數據存儲在不同的節點中，減少了開銷，更好地實現了隱私保護以及信任問題。

另外，區塊鏈的去中心化特點可以使物聯網承載海量設備連接服務，保證數據的穩定性和可靠性，還可以降低數據被篡改的風險。而區塊鏈的分布式計算和主體對等的特點也可以有效地打破物聯網主體間的通信障礙，構建新型的主體協作關系。最后區塊鏈以分布式賬本運作，記錄每一個連接到網絡的設備動作，將獲取到的信息上傳，因此作為物聯網中大量設備的公共賬本，記錄物聯設備的任何動作，實現了對物聯網接入識別的管理。

3 構建去中心化的物聯網可信組網區塊鏈架構模型

隨著區塊鏈技術的成熟、硬件設備的發展和5G通信的應用，區塊鏈加物聯網的產業模式將成為未來物聯網發展的重要方向。設計新的系統架構、共識算法、智能合約、加密算法、時間戳技術、數據存儲結構等，可以使區塊鏈更加適用于物聯網應用領域。

（1）物聯網系統中，嵌入式設備點對點對等網絡的組網通信技術，結合分布式崩潰故障容錯（Crash Fault Tolerant）共識算法，構建去中心化的物聯網可信組網架構模型，保證在物聯網中部分網關節點出現非拜占庭故障的情況下，網絡依然可以處理客戶端的請求，提高物聯網整體的安全性和可用性。去中心化的物聯網可信組網區塊鏈架構如圖1所示。

其中，分布式崩潰故障容錯共識算法基于分布式的一致K-V數據庫，通過多節點網絡服務發現和配置管理機制，實現分布式網絡狀態的一致性，抵御不可信非拜占庭式攻擊，分布式崩潰故障容錯共識算法如圖2所示。

（2）基于PKI公鑰基礎設施的物聯網設備安全數據通信。采用公鑰密碼技術，在物聯網嵌入式設備網絡上構建PKI公鑰基礎設施，通過CA數字證書的申請和簽發，形成安全的物聯網證書鏈，實現物聯網嵌入式設備與傳感器之間數據加密和數據簽名，為上層區塊鏈不同組織之間的安全數據通信提供基礎。基于PKI公鑰基礎設施的物聯網安全通信如圖3所示。

4 去中心化的物聯網可信組網

在物聯網中，區塊鏈和其他技術的結合可以有效地應用于物聯網邊緣計算架構，解決隱私與安全問題。

4.1 基于區塊鏈的物聯網通信協議

區塊鏈的通信協議是在應用層基于TCP/IP的點對點通信協議，而物聯網則在設備層和網絡層采用不同的協議，如設備層一般采用ZigBee，LoRa，NB-IoT，WiFi和4G等通信協議，而網絡層一般采用TCP/IP協議。基于區塊鏈的物聯網通信協議主要是在物聯網的網絡層，基于非對稱密碼學技術，采用公匙基礎設施（PKI）協議，在物聯網設備注冊時，實現設備的認證，確保物聯網設備的可信組網。

4.2 基于區塊鏈的物聯網應用框架

基于區塊鏈的物聯網應用是在物聯網中，增加區塊鏈網絡的P2P點對點通信、非對稱密碼加解密、身份認證、共識算法以及智能合約運行環境，通過區塊鏈賦能物聯網，實現物聯網設備間的交互操作，如身份驗證、數據交易等。

4.3 物聯網設備自主操作協作機制

采用區塊鏈的智能合約技術，將物聯網設備間互操作邏輯固化在區塊鏈的智能合約中，在業務條件滿足時，自動觸發智能合約，進行業務狀態的更新，同時交易記錄上傳到區塊鏈的分布式賬本中，實現物聯網設備間安全可信的自主互操作。

5 結語

區塊鏈技術賦能物聯網，去中心化直接降低了巨大的設備成本和后期的運維費用；可溯源物聯網設備終端數據，在數字化時代，數據是昂貴的，保證物聯網產生的數據的真實性至關重要，終端節點接入區塊鏈后，產生的數據便無法篡改，并可有效追溯。同時區塊鏈本身作為正在發展應用的新技術，區塊鏈賦能的融合技術也帶來了新的問題和挑戰，比如區塊容量、吞吐量等，這意味著對區塊鏈融合物聯網也有了更高的技術要求。現階段的工作重點主要集中在隱私安全、高效節能、通量性能等方面，因此未來探索方向之一是區塊鏈如何更好地賦能資源有限設備，發揮區塊鏈融合物聯網的諸多優勢。

參考文獻

［1］俞學勵，楊輝輝.區塊鏈前傳——比特幣［J］.金卡工程，2016（11）：21-23.

［2］張潮，劉茜，馮鋒.基于區塊鏈的物聯網技術應用研究［J］.無線互聯科技，2018（15）：19-21.

［3］黃澤源，孔勇平，張會炎.基于區塊鏈的物聯網安全技術研究［J］.移動通信，2018（12）：8-13.

［4］張月平，劉東航.基于區塊鏈技術的物聯網平臺及其應用［J］.物聯網技術，2022（5）：101-103.

（編輯 王雪芬）

Research on the trusted networking application of the Internet of Things based on blockchain technology

Li Li

（Guangdong Polytechnic of Science and Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： The Internet of Things network has developed very rapidly in recent years. At present， the Internet of Things network and Internet of Things business platform based on centralized services will face challenges. As a trust tool， the blockchain is used as a trust tool， and the data in the block is distributed and stored， and the information is open and transparent. Decentralized connections for peer-to-peer free circulation. Combining the Internet of Things technology， using the encryption algorithm of cryptography technology， exploring the construction of various technical diversifications for industry applications， and realizing the security authentication and trusted networking of Internet of Things devices. The article expounds the core technology of the blockchain and the problems existing in the massive connection of the Internet of Things， and discusses the construction of a decentralized IoT trusted networking blockchain architecture model.

Key words： blockchain; Internet of Things; trust mechanism