區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究

柏亮

摘 要：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)深刻改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式、組織方式和商業(yè)模式。傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求，但區(qū)塊鏈技術(shù)憑借著去中心化、公開透明和不可篡改的特征，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供信任、透明和安全的通信保障。論文從區(qū)塊鏈和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分析，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；去中心化

中圖分類號(hào)：TP309.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Abstract： With the integration of industrial Internet of Things（IoT） technology and traditional industries， the Industrial Internet of Things has profoundly changed the production， organization， and business models of traditional industries. Traditional technologies can no longer meet the needs of future industrial IoT， but blockchain technology， with its decentralized， open， transparent， and irreproducible features， provides trust， transparency， and secure communication security for industrial IoT. This article analyzes the architecture of blockchain and Industrial IoT and discusses the application of blockchain technology in the field of industrial IoT.

Key words： blockchain； industrial internet of things；decentralization

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)制造2025、美國(guó)先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃、德國(guó)工業(yè)4.0等一系列國(guó)家戰(zhàn)略的提出，在此背景下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，成為全球工業(yè)體系智能化變革的重要的推手。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動(dòng)型的新工業(yè)生態(tài)體系[1]。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全、供應(yīng)鏈追溯和多主體協(xié)同等問題一直備受關(guān)注，區(qū)塊鏈恰好能提供最佳的解決方案。區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)都具有去中心化、分布式的特點(diǎn)[2]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是典型的P2P網(wǎng)絡(luò)，具有分布式異構(gòu)特征，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)天然具備分布式特征。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過應(yīng)用智能感知、識(shí)別技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，能滿足區(qū)塊鏈系統(tǒng)的部署和運(yùn)營(yíng)要求。兩者網(wǎng)絡(luò)特性決定了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢(shì)解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的痛點(diǎn)。本文從區(qū)塊鏈和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)角度出發(fā)，分析區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種通過利用區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證并且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；通過利用分布式一致性共識(shí)算法生成和更新數(shù)據(jù)；通過利用密碼學(xué)的方式保障數(shù)據(jù)訪問和傳輸?shù)陌踩?；通過利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程構(gòu)建去中心化應(yīng)用操作數(shù)據(jù)的全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式[5]。區(qū)塊鏈憑借獨(dú)特的架構(gòu)具備去中心化、數(shù)據(jù)可追溯、可編程和安全可信的特點(diǎn)。

（1）去中心化。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、記賬、存儲(chǔ)、維護(hù)和傳輸?shù)冗^程均屬于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用純數(shù)學(xué)方法建立分布式節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系，從而形成去中心化可信任的分布式系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)可追溯。區(qū)塊鏈讓全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都采用時(shí)間戳的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。時(shí)間戳記錄著數(shù)據(jù)寫進(jìn)區(qū)塊的時(shí)間，方便了數(shù)據(jù)驗(yàn)證和追溯。

（3）可編程。用戶可以通過區(qū)塊鏈的腳步代碼系統(tǒng)編寫智能合約或者去中心化應(yīng)用。區(qū)塊鏈平臺(tái)可以提供圖靈完備的腳本語(yǔ)言以供用戶來(lái)構(gòu)成任何可以精確定義的智能合約或交易類型。

（4）安全可信。區(qū)塊鏈技術(shù)采用非對(duì)稱密碼學(xué)原理對(duì)交易進(jìn)行簽名，同時(shí)借助分布式系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)的工作量證明等共識(shí)算法形成的強(qiáng)大算力抵御外部攻擊，保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改和不可偽造，因而具有較高的安全性。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與痛點(diǎn)

3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是支撐智能制造的一套使能技術(shù)體系。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)由用戶域、目標(biāo)對(duì)象域、感知控制域、服務(wù)提供域、運(yùn)維管控域和資源交換域組成，如圖1所示。

目標(biāo)對(duì)象域主要為在制品、原料、機(jī)器、流水線、作業(yè)工人等，這些對(duì)象被感知控制域的傳感器、標(biāo)簽所感知、識(shí)別和控制，在其生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、流通、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)的信息被獲取。

感知控制域采集的數(shù)據(jù)最終通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳送服務(wù)提供域。

服務(wù)提供域主要包括通過使能平臺(tái)、資源優(yōu)化平臺(tái)和資源配置平臺(tái)，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、能源管理、安全生產(chǎn)等服務(wù)。

運(yùn)維管控域從系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)性管理和法律法規(guī)符合性管理兩大方面保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)其他域的穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行等，主要包括工業(yè)安全監(jiān)督管理平臺(tái)和運(yùn)行維護(hù)管理平臺(tái)。

資源交換域根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與其他相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)信息資源和市場(chǎng)資源的交換和共享功能。

用戶域是支撐用戶接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、適用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接口系統(tǒng)，具體包括產(chǎn)品供應(yīng)商、制造商、制造商、解決方案供應(yīng)商、客戶和政府等。

3.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的痛點(diǎn)

傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)成了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層核心技術(shù)。當(dāng)前這些傳統(tǒng)技術(shù)仍存在亟待解決的問題和需要彌補(bǔ)的漏洞。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)技術(shù)主要在以下四個(gè)方面有所不足：供應(yīng)鏈追溯、用戶數(shù)據(jù)安全、運(yùn)維成本和數(shù)據(jù)傳輸。

（1）在供應(yīng)鏈方面，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目通常會(huì)應(yīng)用于企業(yè)的原材料采購(gòu)、庫(kù)存管理、下游銷售等環(huán)節(jié)。這些主體之間的信息化系統(tǒng)很多是彼此獨(dú)立，互不相同的，存在數(shù)據(jù)作偽造假的問題[6]。

（2）在保存用戶數(shù)據(jù)方面，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前的中心化管理模式下，存在由于個(gè)別設(shè)備發(fā)生故障造成數(shù)據(jù)丟失的可能。在面對(duì)數(shù)據(jù)信息量過大時(shí)，會(huì)增加中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

（3）在運(yùn)維成本方面，目前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流都匯總到單一的中心控制系統(tǒng)，隨著低功耗廣域技術(shù)（LPWA）的持續(xù)演進(jìn)，未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將呈幾何技術(shù)增長(zhǎng)，中心化服務(wù)成本難以負(fù)擔(dān)。

（4）在數(shù)據(jù)傳輸方面，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身具有開放性特點(diǎn)，缺少安全保障的節(jié)點(diǎn)十分脆弱，設(shè)備之間傳輸?shù)臒o(wú)線信息很容易受到威脅。其可能受到的威脅主要有垃圾數(shù)據(jù)傳播、DDoS攻擊和跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的攻擊等。

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)

本文提出一種區(qū)塊鏈結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)在結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)同時(shí)也盡量避免對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)大幅度更改，如圖2所示。該架構(gòu)區(qū)塊鏈分布式系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中信息傳輸和數(shù)據(jù)管理部分。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)主要由多個(gè)區(qū)塊鏈全節(jié)點(diǎn)組成，全節(jié)點(diǎn)不僅保存著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的賬本，且還要參與共識(shí)保衛(wèi)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全反饋給用戶、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)管平臺(tái)。而用戶和由區(qū)塊鏈輕節(jié)點(diǎn)組成，不保存賬本也不參與共識(shí)，只負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信息。該架構(gòu)具備降低服務(wù)器負(fù)荷，提供安全通信環(huán)境，供應(yīng)鏈可證可追溯和設(shè)備智能管理的特點(diǎn)。

4.1 降低服務(wù)器負(fù)荷

區(qū)塊鏈憑借多中心、弱中心化的特質(zhì)可以有效降低中心服務(wù)器負(fù)擔(dān)和運(yùn)維成本。這個(gè)特質(zhì)正好和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備眾多的特質(zhì)相符合。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)階段的運(yùn)行環(huán)境是中心化系統(tǒng)，在中心化系統(tǒng)中信任機(jī)制是通過一個(gè)可信的第三方來(lái)管理所有的設(shè)備的身份信息[7]。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增多，會(huì)對(duì)可信第三方中心化平臺(tái)造成很大的壓力。區(qū)塊鏈的去中心化或多中心化的運(yùn)行環(huán)境，能讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠同時(shí)增加通信的數(shù)據(jù)量和通信設(shè)備而不會(huì)顯著增加服務(wù)器的負(fù)荷。同時(shí)區(qū)塊鏈還建立新的信任機(jī)制，通過P2P技術(shù)不通過中心化服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，以最短距離通信，從而增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)效率。在當(dāng)前部分公有鏈數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)10萬(wàn)TPS，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將以聯(lián)盟鏈為主，聯(lián)盟鏈理論上吞吐量會(huì)更高，完全符合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求。并且由于區(qū)塊鏈分布式的特性，即便是部分節(jié)點(diǎn)宕機(jī)也不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和效率。

4.2 安全的通信環(huán)境

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由于是多系統(tǒng)、多平臺(tái)、多設(shè)備的整合，這就決定了其必須協(xié)調(diào)使用多種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式和傳輸協(xié)議并開放相關(guān)端口。這些因素造成了數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易受到威脅。而區(qū)塊鏈技術(shù)可以為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供信任、透明和安全的通信渠道，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間安全通信。通過區(qū)塊鏈去中心化的驗(yàn)證體制和共識(shí)機(jī)制可以避免非法節(jié)點(diǎn)介入，而所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)密碼學(xué)處理，數(shù)據(jù)安全得到了保障。目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要通過NFC、RFID、二維碼等方式獲取物品所包含的信息，區(qū)塊鏈采用非對(duì)稱密碼學(xué)原理結(jié)合哈希函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行加密和簽名，使得信息不能被偽造。同時(shí)，即便是黑客竊取了信息由于不知道私鑰，也無(wú)法知道信息內(nèi)容。區(qū)塊鏈保障系統(tǒng)安全的能力是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的，比特幣使用區(qū)塊鏈技術(shù)的10年內(nèi)已經(jīng)成功阻止多次對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)攻。

4.3 供應(yīng)鏈可證可追溯

區(qū)塊鏈技術(shù)可以通過記錄設(shè)備與用戶或是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間數(shù)據(jù)交換的賬本以此構(gòu)建一個(gè)新的方式來(lái)追溯單個(gè)設(shè)備的唯一歷史記錄。在供應(yīng)鏈上部署區(qū)塊鏈輕節(jié)點(diǎn)將記錄寫進(jìn)區(qū)塊鏈，可形成多方參與且信息透明、共享、保真的電子憑證，從而解決供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)真實(shí)性問題，同時(shí)也可以通過利用區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和時(shí)間戳追本溯源[8]。區(qū)塊鏈用時(shí)間戳來(lái)確認(rèn)和記錄每筆交易，從而給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增加了時(shí)間維度，使得數(shù)據(jù)具有可追溯性[9]。當(dāng)創(chuàng)世區(qū)塊建立后，將新生成的數(shù)據(jù)記錄到當(dāng)前區(qū)塊中，并在當(dāng)前區(qū)塊中生成此區(qū)塊所有交易數(shù)據(jù)的默克爾樹。默克爾樹根的值被保存到當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭中，方便數(shù)據(jù)驗(yàn)證。將當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭數(shù)據(jù)通過一定的算法生成一個(gè)哈希值，并被加入到當(dāng)前區(qū)塊的父區(qū)塊哈希值屬性中，由此類推形成區(qū)塊鏈，這個(gè)過程是不可逆的。時(shí)間戳方法保證了數(shù)據(jù)的原始性，默克爾樹降低了供應(yīng)鏈追溯的成本，時(shí)序數(shù)據(jù)強(qiáng)化了信息的不可篡改性，對(duì)保障工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全和追溯起到很大的作用[10]。

4.4 設(shè)備追蹤管理

在區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不依賴中央管理機(jī)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證交易的有效性，無(wú)需集中代理就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，執(zhí)行金融交易。區(qū)塊鏈智能合約是一種用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言取代法律語(yǔ)言去記錄條款的合約，可視作一段部署在區(qū)塊鏈上可自動(dòng)運(yùn)行的程序。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可通過該技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能管理，通過智能合約無(wú)需人為管理和集中干預(yù)讓智能設(shè)備成為獨(dú)立代理并單獨(dú)管理各種交易。由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)采用多節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)的方式，區(qū)塊鏈技術(shù)可以安全及時(shí)追蹤工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備狀態(tài)。即使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生宕機(jī)的情況，也可以及時(shí)同步設(shè)備最新狀態(tài)。一旦設(shè)備出現(xiàn)異常，可立即采取相應(yīng)的措施從而最大限度地保護(hù)設(shè)備安全，進(jìn)而保證整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)是大家關(guān)注的焦點(diǎn)問題。區(qū)塊鏈技術(shù)可以為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以低成本建立信任橋梁，通過去中心化、多節(jié)點(diǎn)和可追溯等特點(diǎn)提高系統(tǒng)的安全性，同時(shí)使用智能合約將智能設(shè)備變成了可以自我維護(hù)調(diào)節(jié)的獨(dú)立個(gè)體，便于追蹤管理提高設(shè)備使用率。區(qū)塊鏈技術(shù)還存在不完善的地方，比如當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)記錄的事物前后順序不一定一致，這往往需要以犧牲效率為代價(jià)去共識(shí)解決。因此區(qū)塊鏈要達(dá)到規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)營(yíng)還有一段路程要走。但是隨著區(qū)塊鏈技術(shù)研究的深入，區(qū)塊鏈在未來(lái)完全可以服務(wù)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

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