區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用及其面臨挑戰(zhàn)

柏青

（北京達(dá)其科技有限公司，北京，100176）

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈作為一種互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)庫，其是在密碼學(xué)算法的基礎(chǔ)上，而衍生出來的點(diǎn)對點(diǎn)分布式賬本技術(shù)。從技術(shù)層面來看，區(qū)塊鏈?zhǔn)状螌π湃蔚闹行幕Ｐ瓦M(jìn)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(xué)算法，完成了數(shù)據(jù)、價(jià)值的安全轉(zhuǎn)移；借助共識算法來將各節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)塊數(shù)據(jù)加以統(tǒng)一；利用哈希鏈和時(shí)間戳機(jī)制，促使數(shù)據(jù)具備不可篡改性、可追溯性的特征。區(qū)塊鏈作為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分為：具備交易信息的區(qū)塊由后前有序相鏈接；而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為分布式的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，各種交易數(shù)據(jù)都遍布所有完整節(jié)點(diǎn)之中，這就讓區(qū)塊鏈應(yīng)用呈現(xiàn)出諸多優(yōu)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(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中得到較為廣泛的應(yīng)用，包括在環(huán)保、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域的應(yīng)用，下面主要對其中部分場景的應(yīng)用做詳細(xì)論述：

2.1 在無人機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用

對于無人機(jī)領(lǐng)域而言，因?yàn)榇嬖谝幌盗械陌踩珕栴}、數(shù)據(jù)隱私問題，在很大程度上阻礙了無人機(jī)技術(shù)的普及，但通過對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行充分應(yīng)用，能夠?qū)o人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行更加透明、安全、可靠及高效的感控。以沃爾瑪所研發(fā)的“使用區(qū)塊鏈克隆無人機(jī)”成果為例，這一科研成果就是借助區(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)包裹輸送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全面性、可靠性、安全性。通過對哈希算法進(jìn)行充分利用，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名及利用圖像與傳感器來對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而更加有效地保障數(shù)據(jù)的安全性和匿名性；基于時(shí)間戳機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對GPS位置信息的交易日志的全面記錄；通過區(qū)塊鏈能夠構(gòu)建起一個(gè)可擴(kuò)展、管理便捷、通用的無人機(jī)訪問控制系統(tǒng)。在未來，區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展可能會開發(fā)出能夠更加適應(yīng)消費(fèi)者需求的小型無人機(jī)，并且其服務(wù)器也可適用于各種移動(dòng)設(shè)備。

2.2 在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用

對于車聯(lián)網(wǎng)而言，通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高質(zhì)、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(yōu)質(zhì)的服務(wù)。而針對集中式管理架構(gòu)中車輛出現(xiàn)可能遇到的問題（基礎(chǔ)設(shè)施無法順利接受到數(shù)據(jù)操控與單點(diǎn)故障方面的數(shù)據(jù)），以及分布式管理架構(gòu)中數(shù)據(jù)訪問、安全保護(hù)未經(jīng)授權(quán)的問題，均可通過對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用來加以解決。據(jù)研究顯示：借助區(qū)塊鏈構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)庫，能夠更加有效地管控車輛數(shù)據(jù)；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(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)；以信譽(yù)的數(shù)據(jù)分享計(jì)劃為依托，則能夠進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可信度。由此可見，與傳統(tǒng)方法相比，通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)能夠顯著提高異常車輛的檢測率，最終促使數(shù)據(jù)之間共享更加安全。

2.3 在電網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在電網(wǎng)領(lǐng)域中，能源供應(yīng)的實(shí)現(xiàn)離不開主電網(wǎng)、間歇性能源和微電網(wǎng)的支持。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：（1）通過有效融合區(qū)塊鏈和智能電網(wǎng)，能夠生成一個(gè)更加高效率的系統(tǒng)，并對微交易與人工智能進(jìn)行充分利用，能夠更好地將電力需求與供應(yīng)進(jìn)行銜接，最終實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電力資源的有效利用；（2）通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，可形成一個(gè)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(zhì)、高效地進(jìn)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(jìn)行評估，基于智能合約來對交易規(guī)則、電網(wǎng)切換策略進(jìn)行合理調(diào)整；基于區(qū)塊鏈與本地微電網(wǎng)的相結(jié)合，可構(gòu)建一個(gè)集清潔能源計(jì)量、記錄、管理、交易、結(jié)算為一體的去中心化系統(tǒng)。

2.4 在物流運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用

在物流運(yùn)輸領(lǐng)域中，最為關(guān)鍵的部分是傳感器，其主要功能在于確保物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行。通過將區(qū)塊鏈和傳感器技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的存證、溯源，以此來更好地確保物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的安全、去中心信任。在具體運(yùn)輸鏈應(yīng)用場景中，全面發(fā)揮出區(qū)塊鏈中質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)的作用，有效保證物流運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量。同時(shí)，通過傳感器來對運(yùn)輸車輛車廂內(nèi)微氣候進(jìn)行檢測，借助區(qū)塊鏈技術(shù)來對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與傳輸，有利于供應(yīng)商、運(yùn)輸單位及購買者均可以實(shí)施掌握物流運(yùn)輸情況。另外，針對區(qū)塊鏈技術(shù)在物流運(yùn)輸中的應(yīng)用，可充分發(fā)揮出該技術(shù)的可溯源性與不可篡改性，最終更好地確保物流運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3 區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用面對的挑戰(zhàn)

3.1 隱私安全

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已貫穿到人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的各個(gè)方面，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也分布在城市的各個(gè)角落。但各種各樣的傳感器與通信設(shè)備中存儲著龐大的數(shù)據(jù)信息，使得人們開始擔(dān)憂在物聯(lián)網(wǎng)中的隱私安全，特別是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中交易數(shù)據(jù)在鏈上的存儲是公開、透明的，盡管地址和用戶真實(shí)身份并不公開，但是在數(shù)據(jù)隱私安全方面依然有著較大的威脅。針對含有敏感數(shù)據(jù)的運(yùn)用，可采用以下技術(shù)手段，以有效確保數(shù)據(jù)隱私安全，具體包括：

（1）FairAccess，其借助分布式賬本的統(tǒng)一性，來對物聯(lián)網(wǎng)中分布式、集中式訪問控制問題進(jìn)行較好地解決，拓寬了區(qū)塊鏈新的應(yīng)用范圍，也就是物聯(lián)網(wǎng)訪問控制，即借助區(qū)塊鏈來更好地確保物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)隱私安全。

（2）ControlChain，其作為一種以區(qū)塊鏈為依托的訪問控制架構(gòu)，即能夠?qū)崿F(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)隱私安全的保護(hù)，還能夠兼容物聯(lián)網(wǎng)中所有訪問控制模型。

（3）一種區(qū)塊鏈連接網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)信息的的自適應(yīng)保護(hù)，將用戶與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行有效銜接，用戶獲得區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)的相關(guān)信息與安全策略，并利用網(wǎng)關(guān)來訪問設(shè)備，而非直接訪問，從而有效保障數(shù)據(jù)的隱私安全。通過區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)能夠有效存儲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上用戶的隱私偏好，在用戶與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供者間發(fā)生隱私爭議時(shí)，能夠發(fā)揮出區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性優(yōu)勢，從而對這一爭議進(jìn)行妥善處理。

（4）以屬性加密算法為切入點(diǎn)，而研發(fā)出了一種隱私保護(hù)的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，主要是利用屬性加密算法，重現(xiàn)建構(gòu)了區(qū)塊鏈協(xié)議，讓物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)能夠獲取到一種端到端的隱私保護(hù)方案，進(jìn)而對區(qū)塊鏈技術(shù)具體應(yīng)用中可能遇到的問題進(jìn)行恰當(dāng)處理。但是，借助加密算法進(jìn)行隱私安全優(yōu)化往往會大大增加物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算開銷，故而應(yīng)結(jié)合具體的應(yīng)用場景來合理應(yīng)用屬性加密算法。

3.2 節(jié)能高效

對于分布式P2P網(wǎng)絡(luò)而言，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是作為傳感器節(jié)點(diǎn)或是嵌入式終端而存在的，該設(shè)備缺乏良好的計(jì)算能力與存儲能力。而對于電池功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，能源消耗往往會大大影響到網(wǎng)絡(luò)的壽命，從而嚴(yán)重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)中區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用。面對這一問題，相關(guān)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(lián)網(wǎng)設(shè)備區(qū)塊鏈應(yīng)用中存在的影響因素進(jìn)行了深入分析，即：區(qū)塊鏈挖礦離不開大量計(jì)算資源的支撐，而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并不能作為礦工節(jié)點(diǎn)；區(qū)塊鏈的所有設(shè)備均要具備一套完整的加密功能；任何完整節(jié)點(diǎn)均必須存儲區(qū)塊鏈副本，但是常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并不能滿足這些要求 ?；诖?，可對類似推文的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效應(yīng)用，科學(xué)編碼交易和狀態(tài)，重構(gòu)共識協(xié)議，從而在極大程度上降低區(qū)塊鏈的性能開銷。

（2）LSB，也就是分層的輕量級可擴(kuò)展區(qū)塊量，通過對區(qū)塊鏈計(jì)算開銷昂貴、可擴(kuò)展性不足、帶寬開銷和延遲、不適用物聯(lián)網(wǎng)場景等影響因素進(jìn)行全面考慮，選擇通過LSB來進(jìn)一步優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)流的分離，來顯著降低能源消耗，即便是低性能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也能夠發(fā)揮出區(qū)塊鏈技術(shù)的價(jià)值。

3.3 通量性能

現(xiàn)有區(qū)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(shù)量，然而并不能滿足當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求。面對這一問題，相關(guān)研究人員提出了以下解決方法：（1）持續(xù)優(yōu)化區(qū)塊鏈，從而更加及時(shí)地滿足帶寬要求，提升網(wǎng)絡(luò)通量；（2）充分利用物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算生成一個(gè)區(qū)塊鏈云架構(gòu)，然后全面評估通量、響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)延遲，以此來提高區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)通量，然而在具體工作中，區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)中的通量性能依然存在一些不足之處，建議仍需加大對區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化力度，從而更加顯著地提升通量性能。