區塊鏈技術在物聯網中的應用及其面臨挑戰

柏青

（北京達其科技有限公司，北京，100176）

1 區塊鏈技術概述

區塊鏈作為一種互聯網共享數據庫，其是在密碼學算法的基礎上，而衍生出來的點對點分布式賬本技術。從技術層面來看，區塊鏈首次對信任的中心化模型進行充分利用，較為有效地處理了各種安全問題，并借助密碼學算法，完成了數據、價值的安全轉移；借助共識算法來將各節點之間的區塊數據加以統一；利用哈希鏈和時間戳機制，促使數據具備不可篡改性、可追溯性的特征。區塊鏈作為一種數據結構，該結構的主要構成部分為：具備交易信息的區塊由后前有序相鏈接；而區塊鏈網絡作為分布式的點對點網絡，各種交易數據都遍布所有完整節點之中，這就讓區塊鏈應用呈現出諸多優勢，具體包括：開放性、去中心化、信息不可篡改性及匿名性等。

2 區塊鏈技術在物聯網中的應用場景

區塊鏈技術在物聯網中得到較為廣泛的應用，包括在環保、醫療、農業、供應鏈等領域的應用，下面主要對其中部分場景的應用做詳細論述：

2.1 在無人機領域中的應用

對于無人機領域而言，因為存在一系列的安全問題、數據隱私問題，在很大程度上阻礙了無人機技術的普及，但通過對區塊鏈技術進行充分應用，能夠對無人機技術的應用進行更加透明、安全、可靠及高效的感控。以沃爾瑪所研發的“使用區塊鏈克隆無人機”成果為例，這一科研成果就是借助區塊鏈技術，實現了無人機包裹輸送系統的數據全面性、可靠性、安全性。通過對哈希算法進行充分利用，可實現數字簽名及利用圖像與傳感器來對數據進行采集，從而更加有效地保障數據的安全性和匿名性；基于時間戳機制，可實現對GPS位置信息的交易日志的全面記錄；通過區塊鏈能夠構建起一個可擴展、管理便捷、通用的無人機訪問控制系統。在未來，區塊鏈技術的不斷發展可能會開發出能夠更加適應消費者需求的小型無人機，并且其服務器也可適用于各種移動設備。

2.2 在車聯網領域中的應用

對于車聯網而言，通過實現數據的高質、高效收集與共享，就可以顯著提高車輛駕駛的安全性，為車輛駕駛者提供更加優質的服務。而針對集中式管理架構中車輛出現可能遇到的問題（基礎設施無法順利接受到數據操控與單點故障方面的數據），以及分布式管理架構中數據訪問、安全保護未經授權的問題，均可通過對區塊鏈技術進行有效應用來加以解決。據研究顯示：借助區塊鏈構建分布式數據庫，能夠更加有效地管控車輛數據；基于部署智能合，則能夠獲得更加高效、安全及完整的路測基礎設備數據；以信譽的數據分享計劃為依托，則能夠進一步提高數據的可信度。由此可見，與傳統方法相比，通過應用區塊鏈技術能夠顯著提高異常車輛的檢測率，最終促使數據之間共享更加安全。

2.3 在電網領域中的應用

在電網領域中，能源供應的實現離不開主電網、間歇性能源和微電網的支持。據相關研究發現：（1）通過有效融合區塊鏈和智能電網，能夠生成一個更加高效率的系統，并對微交易與人工智能進行充分利用，能夠更好地將電力需求與供應進行銜接，最終實現對整個網絡中電力資源的有效利用；（2）通過應用區塊鏈技術，可形成一個安全、分布式及透明的電力交易模型，從而解決以往能力市場被壟斷的問題，促使能源與信用之間的交易更加合理，最終更加高質、高效地進行能源管理。以Energo為例，其借助代幣的形式來對能源的消耗量、占有量進行評估，基于智能合約來對交易規則、電網切換策略進行合理調整；基于區塊鏈與本地微電網的相結合，可構建一個集清潔能源計量、記錄、管理、交易、結算為一體的去中心化系統。

2.4 在物流運輸領域中的應用

在物流運輸領域中，最為關鍵的部分是傳感器，其主要功能在于確保物聯網的正常運行。通過將區塊鏈和傳感器技術相結合，可實現傳感器數據的存證、溯源，以此來更好地確保物聯網運行的安全、去中心信任。在具體運輸鏈應用場景中，全面發揮出區塊鏈中質量跟蹤系統的作用，有效保證物流運輸的質量。同時，通過傳感器來對運輸車輛車廂內微氣候進行檢測，借助區塊鏈技術來對所有數據進行保存與傳輸，有利于供應商、運輸單位及購買者均可以實施掌握物流運輸情況。另外，針對區塊鏈技術在物流運輸中的應用，可充分發揮出該技術的可溯源性與不可篡改性，最終更好地確保物流運輸的安全性。

3 區塊鏈技術在物聯網中應用面對的挑戰

3.1 隱私安全

當前，物聯網技術已貫穿到人們日常生產生活的各個方面，物聯網設備也分布在城市的各個角落。但各種各樣的傳感器與通信設備中存儲著龐大的數據信息，使得人們開始擔憂在物聯網中的隱私安全，特別是區塊鏈系統中交易數據在鏈上的存儲是公開、透明的，盡管地址和用戶真實身份并不公開，但是在數據隱私安全方面依然有著較大的威脅。針對含有敏感數據的運用，可采用以下技術手段，以有效確保數據隱私安全，具體包括：

（1）FairAccess，其借助分布式賬本的統一性，來對物聯網中分布式、集中式訪問控制問題進行較好地解決，拓寬了區塊鏈新的應用范圍，也就是物聯網訪問控制，即借助區塊鏈來更好地確保物聯網的數據隱私安全。

（2）ControlChain，其作為一種以區塊鏈為依托的訪問控制架構，即能夠實現對物聯網隱私安全的保護，還能夠兼容物聯網中所有訪問控制模型。

（3）一種區塊鏈連接網關的設計方法，可實現對物聯網中各類數據信息的的自適應保護，將用戶與物聯網設備進行有效銜接，用戶獲得區塊鏈網關的相關信息與安全策略，并利用網關來訪問設備，而非直接訪問，從而有效保障數據的隱私安全。通過區塊鏈網關能夠有效存儲物聯網設備上用戶的隱私偏好，在用戶與物聯網服務提供者間發生隱私爭議時，能夠發揮出區塊鏈技術的不可篡改性優勢，從而對這一爭議進行妥善處理。

（4）以屬性加密算法為切入點，而研發出了一種隱私保護的區塊鏈物聯網架構，主要是利用屬性加密算法，重現建構了區塊鏈協議，讓物聯網生態系統能夠獲取到一種端到端的隱私保護方案，進而對區塊鏈技術具體應用中可能遇到的問題進行恰當處理。但是，借助加密算法進行隱私安全優化往往會大大增加物聯網設備的計算開銷，故而應結合具體的應用場景來合理應用屬性加密算法。

3.2 節能高效

對于分布式P2P網絡而言，物聯網設備是作為傳感器節點或是嵌入式終端而存在的，該設備缺乏良好的計算能力與存儲能力。而對于電池功能的無線傳感器網絡而言，能源消耗往往會大大影響到網絡的壽命，從而嚴重阻礙了物聯網中區塊鏈技術的應用。面對這一問題，相關研究人員提出可以下解決方法：

（1）以Twitter概念為依托的Tweetchain，該方法對物聯網設備區塊鏈應用中存在的影響因素進行了深入分析，即：區塊鏈挖礦離不開大量計算資源的支撐，而物聯網設備并不能作為礦工節點；區塊鏈的所有設備均要具備一套完整的加密功能；任何完整節點均必須存儲區塊鏈副本，但是常規的物聯網設備并不能滿足這些要求 ?；诖?，可對類似推文的結構進行有效應用，科學編碼交易和狀態，重構共識協議，從而在極大程度上降低區塊鏈的性能開銷。

（2）LSB，也就是分層的輕量級可擴展區塊量，通過對區塊鏈計算開銷昂貴、可擴展性不足、帶寬開銷和延遲、不適用物聯網場景等影響因素進行全面考慮，選擇通過LSB來進一步優化物聯網需求，即借助輕量級的共識算法，分布式信任與通量管理算法，交易路由與數據流的分離，來顯著降低能源消耗，即便是低性能的物聯網設備，也能夠發揮出區塊鏈技術的價值。

3.3 通量性能

現有區塊鏈通量有限，盡管采用具備更高效率的共識算法能夠提高每秒交易數量，然而并不能滿足當前的業務需求。面對這一問題，相關研究人員提出了以下解決方法：（1）持續優化區塊鏈，從而更加及時地滿足帶寬要求，提升網絡通量；（2）充分利用物聯網云計算生成一個區塊鏈云架構，然后全面評估通量、響應時間、網絡延遲，以此來提高區塊鏈數據通量，然而在具體工作中，區塊鏈物聯網中的通量性能依然存在一些不足之處，建議仍需加大對區塊鏈基礎設施的優化力度，從而更加顯著地提升通量性能。