區(qū)塊鏈：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進展研究

陳 亮，李 峰，夏征義，丁 皓

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院后勤科學(xué)與技術(shù)研究所，北京 100071）

0 引 言

當(dāng)今時代，信息技術(shù)飛速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、下一代移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)不斷發(fā)展并得到普及應(yīng)用。2008年，中本聰發(fā)表的一篇論文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[1]將比特幣帶入了人們的視野。該文提出建立一種新型電子現(xiàn)金系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于密碼學(xué)原理而非傳統(tǒng)的信息體系運行，任何達(dá)成一致的雙方均可實現(xiàn)無須第三方中介參與的交易行為。比特幣能夠在沒有任何中心化機構(gòu)運營和管理的情況下持續(xù)穩(wěn)定運行，人們逐漸意識到比特幣底層技術(shù)的重要意義，并將其抽取出來定義為區(qū)塊鏈技術(shù)。

區(qū)塊鏈實現(xiàn)了在分布式環(huán)境下多方參與的雙邊交易去中介化，并且具備全網(wǎng)記錄、可追溯、防篡改等特點。與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)類似，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，加以獨創(chuàng)性的組合和創(chuàng)新，集成了多方研究成果的綜合性技術(shù)。

區(qū)塊鏈帶來的效率提升和成本降低為經(jīng)濟社會發(fā)展和治理提供了新的思路，其行業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢在于優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運營成本、提升協(xié)同效率，這種優(yōu)勢在金融、物聯(lián)網(wǎng)、公共服務(wù)、社會公益和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域逐步體現(xiàn)出來[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)的迅猛發(fā)展引起了各國政府機構(gòu)、金融機構(gòu)、大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)及科研機構(gòu)的廣泛關(guān)注。學(xué)術(shù)研究方面則逐步拓展了區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域，并結(jié)合共識機制、密碼學(xué)算法、分布式數(shù)據(jù)存儲及管理機制等進行了深入分析。

文獻(xiàn)[3]從關(guān)鍵技術(shù)、內(nèi)容、原理、瓶頸和應(yīng)用前景等方面對區(qū)塊鏈進行了比較全面的介紹。但其側(cè)重于基礎(chǔ)性介紹，對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下區(qū)塊鏈的應(yīng)用分析不夠深入。

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于區(qū)塊鏈的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法研究，設(shè)計了基于賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的雙鏈設(shè)計模型，能夠支持多個區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，且具有開發(fā)周期短、可擴展性高、運行速度快等特點。但該雙鏈模型主要應(yīng)用于金融行業(yè)，并不適用于物聯(lián)網(wǎng)海量、實時的應(yīng)用場景。

文獻(xiàn)[5]從可信數(shù)據(jù)管理角度，介紹了與區(qū)塊鏈相關(guān)的技術(shù)和研究進展，包括分布式共識、智能合約、數(shù)據(jù)溯源等，并分析應(yīng)用對可信數(shù)據(jù)管理所提的需求和研究挑戰(zhàn)，為物聯(lián)網(wǎng)所在的大規(guī)模分布式環(huán)境下可信數(shù)據(jù)管理提供了基礎(chǔ)理論支撐。

文獻(xiàn)[6]提出了一種可采用零知識證明算法的分布式智能合約系統(tǒng)Hawk。相對現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)，Hawk的分布式賬本并不會將所有交易信息向公眾開放，同時通過采用密碼學(xué)算法，使得公眾在不知道交易信息的情況下對交易進行驗證，進一步增強了比特幣系統(tǒng)的隱私性。

文獻(xiàn)[7，8]則通過分析區(qū)塊鏈技術(shù)特點來解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的安全問題，同時對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈相結(jié)合后的安全性問題做了探討。但由于其僅局限在安全領(lǐng)域，并未全面分析區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征及應(yīng)用模式，缺乏對區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)及解決思路方面的研究。

本文通過分析區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)及應(yīng)用特征，給出區(qū)塊鏈基本組成結(jié)構(gòu)及分類，分析區(qū)塊鏈為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的技術(shù)優(yōu)勢，提出區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場景，應(yīng)對區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，為進一步推動區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，拓展區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍提供參考。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

一個典型的區(qū)塊鏈由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊、區(qū)塊之間的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)加密和時間戳等技術(shù)；

（2）網(wǎng)絡(luò)層包括分布式組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制等；

（3）共識層主要封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各種共識算法，包括工作量證明算法（Proof of Work，PoW）、股權(quán)證明算法（Proof of Stake，PoS）、股份授權(quán)證明算法（Delegated Proof of Stake，DPoS）等 ；

（4）電子貨幣激勵機制在推動資源共享、激發(fā)群體智能、促進協(xié)作通信等方面具有重要作用，是提升信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與效率的關(guān)鍵[9]。區(qū)塊鏈的分布式激勵層主要包括經(jīng)濟激勵的發(fā)行機制和分配機制等；

（5）合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)；

（6）應(yīng)用層則封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例，包括可編程金融、可編程貨幣、可編程社會等。

圖1 區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)模型

在上述技術(shù)架構(gòu)模型中，區(qū)塊鏈核心要素包含以下三個方面：

（1）基于時間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)：每一個區(qū)塊均有時間戳，包含前一個區(qū)塊的哈希值，且驗證每一個交易；

（2）基于P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲機制：通過P2P網(wǎng)絡(luò)的傳播和驗證機制，每個參與節(jié)點都存儲同樣的信息，擁有同樣的權(quán)利；

（3）基于分布式節(jié)點的共識機制：共識算法確保了每個節(jié)點存儲信息的一致性及可驗證性。

根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域特點，區(qū)塊鏈分為三類，即公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。

公有鏈?zhǔn)峭耆ブ行幕膮^(qū)塊鏈。分布式系統(tǒng)的任何節(jié)點均可參與鏈上數(shù)據(jù)的讀寫、驗證和共識過程，并根據(jù)貢獻(xiàn)獲得相應(yīng)的經(jīng)濟激勵。公有鏈最先出現(xiàn)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的區(qū)塊鏈，比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N典型的公有鏈。

私有鏈?zhǔn)峭耆行幕膮^(qū)塊鏈。鏈上數(shù)據(jù)的寫入權(quán)限由中心機構(gòu)控制，讀取權(quán)限可視需求有選擇性地對外開放，主要適用于特定機構(gòu)的內(nèi)部數(shù)據(jù)管理或?qū)徲嫷取Ｋ接墟溑c其他分布式存儲方式并沒有太大的區(qū)別。

聯(lián)盟鏈?zhǔn)嵌嘀行幕膮^(qū)塊鏈。每個區(qū)塊的生成是由預(yù)選節(jié)點共同決定的，其他節(jié)點只能接入?yún)^(qū)塊鏈負(fù)責(zé)交易，但并不參與共識過程。R3組成的銀行區(qū)塊鏈聯(lián)盟就是一種典型的聯(lián)盟鏈。

2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈把數(shù)據(jù)分成不同的區(qū)塊，每個區(qū)塊通過特定的信息鏈接到上一區(qū)塊的后方，以此形成一套完整的數(shù)據(jù)。每個區(qū)塊由一個被稱為“魔法數(shù)”的常數(shù)、區(qū)塊大小、區(qū)塊頭、區(qū)塊所包含的交易數(shù)量，以及部分或所有近期新交易組成。一個區(qū)塊的結(jié)構(gòu)見表1所列。

表1 區(qū)塊結(jié)構(gòu)示意圖

在每個區(qū)塊中，對整個區(qū)塊起決定作用的是區(qū)塊頭。表2所列為區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表2 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

創(chuàng)世塊（Genesis Block）是指區(qū)塊鏈的第一個區(qū)塊。表2中的hashPreBlock是區(qū)塊之所以能夠連成區(qū)塊鏈的關(guān)鍵字段，由于每個區(qū)塊包含前一個區(qū)塊的Hash值，使得從創(chuàng)世塊到當(dāng)前塊形成了一條塊鏈，每個區(qū)塊一定是按時間順序跟隨在前一個區(qū)塊之后，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖2所示[10]。

3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一些問題

近幾年物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)取得了顯著成果，大量傳感器和機器設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)了智能化的管理與操作。2013年Gubbi等人[11]描繪了反映整個世界未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的場景。所有智能設(shè)備和物體都嵌入了傳感器，通過實時感知周圍環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，人們能夠足不出戶地完成工作、業(yè)務(wù)、交易等。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，設(shè)備安全、隱私保護、架構(gòu)僵化、通信兼容性和多主體協(xié)同等瓶頸仍有待突破。

（1）設(shè)備安全方面：Mirai創(chuàng)造的僵尸物聯(lián)網(wǎng)（Botnets of Things）被麻省理工科技評論評為2017年度十大突破性技術(shù)。由其控制的海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)起的分布式拒絕服務(wù)攻擊（DDoS）使得美國網(wǎng)絡(luò)域名解析服務(wù)商Dyn瞬間癱瘓[12]；

（2）隱私保護方面：傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要采取中心化的管理架構(gòu)，在用戶隱私及安全信道傳輸方面存在許多不足[13]。例如，美國Sense Network公司會從每天處理收集的40多億條位置數(shù)據(jù)中提取并分析用戶的愛好、習(xí)慣等隱私信息[14]；

（3）架構(gòu)僵化方面：目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用幾乎全部采用中心化體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)運營商通過云端服務(wù)器集群為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存儲和交換服務(wù)。隨著低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備將呈幾何級數(shù)增長，歐洲委員會提出：到2020年將有500億～1 000億的智能設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)[15]，而中心化的物聯(lián)網(wǎng)運營模式很難滿足這一快速增長的需求。

（4）通信兼容方面：物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域存在多個競爭性標(biāo)準(zhǔn)和平臺。以低功耗廣域網(wǎng)為例，存在LoRa， NB-IoT，Sigfox， Weightless等解決方案[16]。采用不同通信手段的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備群組在通信兼容性方面還存在一些問題。

（5）多主體協(xié)同方面：目前，物聯(lián)網(wǎng)大多是運營商、企業(yè)內(nèi)部的自組織網(wǎng)絡(luò)。跨多個運營商、多個主體之間開展協(xié)作時，建立信用的成本較高。

圖 2 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

4 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展優(yōu)勢

當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)展開，區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展是下一步的重要研究方向。區(qū)塊鏈憑借其主體對等、公開透明、多方共識、信息難以篡改和可編程等特性，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系、基礎(chǔ)設(shè)施、運營模式等多方面可能會產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響，需解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中遇到的一些問題：

（1）降低傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)運營成本。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)可采用P2P傳輸方式解決網(wǎng)絡(luò)帶寬受限問題，并通過分布式方式利用數(shù)以億計的物聯(lián)網(wǎng)閑置節(jié)點的計算資源、存儲資源及數(shù)據(jù)資源，從而大幅降低傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中心化架構(gòu)的高額運維成本、促進信息的流動與共享。

（2）解決不同信任域下節(jié)點的安全性問題。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)可采用基于時間戳的存儲結(jié)構(gòu)和分布式存儲機制，構(gòu)建一條可證可溯的電子存證，保護數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。

（3）實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的智能協(xié)作。采用區(qū)塊鏈的智能合約可將傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備變成可以自我維護調(diào)節(jié)的獨立個體，這些個體可在無須人工參與的情況下，根據(jù)事先規(guī)定或植入的規(guī)則合約，與其他個體交換信息或核實身份等。

5 典型應(yīng)用場景

當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)并未完全定型，很多區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景還屬于概念驗證階段。但如果采用不同的共識機制和數(shù)字簽名驗證算法，其應(yīng)用場景大為不同。

5.1 供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)存證與溯源

產(chǎn)品溯源是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，目前廣泛應(yīng)用在農(nóng)牧產(chǎn)品原產(chǎn)地追溯，工業(yè)生產(chǎn)的原材料和零配件追溯以及消費品防偽等方面[17]。傳統(tǒng)產(chǎn)品溯源方式主要通過賦予其唯一的標(biāo)識（如RFID射頻標(biāo)簽、二維碼等），并在標(biāo)識中關(guān)聯(lián)該產(chǎn)品的相關(guān)信息（如原產(chǎn)地、生產(chǎn)企業(yè)等），采購該產(chǎn)品的企業(yè)或消費者可通過標(biāo)識識別裝置（如RFID讀寫器、手機等）對標(biāo)識中的信息進行讀取，從而實現(xiàn)產(chǎn)品信息的追溯、真?zhèn)尾樵兊裙δ堋?/p>

采用區(qū)塊鏈技術(shù)可構(gòu)造形成多方參與的溯源鏈，該鏈具有數(shù)據(jù)公開透明、不可偽造、不可篡改、不可撤銷的特點。結(jié)合線上和線下同步等方式，將傳感器收集的數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，形成防篡改電子證據(jù)。生產(chǎn)企業(yè)、物流、經(jīng)銷商、零售商、質(zhì)量監(jiān)管等均能基于該溯源鏈對各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行共享與驗證，從而提升各方主體造假抵賴成本，進一步厘清責(zé)任邊界。同時，根據(jù)實時收集的數(shù)據(jù)，能夠及時了解產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸、銷售等各環(huán)節(jié)，以及必要的反應(yīng)措施（如冷鏈運輸過程中，超過一定溫度的貨艙能夠立刻定位故障來源），增強多方協(xié)作可能。供應(yīng)鏈存證與溯源示意圖如圖3所示。

5.2 分布式能源交易和供給

能源行業(yè)普遍存在常規(guī)能源產(chǎn)能過剩、新能源利潤率和回報率低以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)備及硬件配置不完備等問題[18]。目前在信息采集和接入方面，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智能監(jiān)測設(shè)備的互聯(lián)互通及設(shè)備狀態(tài)、外部環(huán)境的實時監(jiān)測。而在信息處理與應(yīng)用方面，可采用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)智能化決策調(diào)控與自主交易。

圖 3 供應(yīng)鏈存證與溯源示意圖

以住戶建立的微電網(wǎng)為例，美國LO3 Energy和ConsenSys公司實現(xiàn)了一個點對點交易、自動化執(zhí)行、無第三方中介的能源交易平臺，如圖4所示。主要通過在住戶智能電表中安裝區(qū)塊鏈軟件，構(gòu)成一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其功能。用戶通過APP在自家智能電表區(qū)塊鏈節(jié)點上發(fā)布相應(yīng)智能合約，基于合約規(guī)則，通過電網(wǎng)設(shè)備控制相應(yīng)的鏈路連接，實現(xiàn)分布式自主能源交易和能源供給。

圖 4 分布式自主能源交易平臺

本節(jié)以區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在供應(yīng)鏈及能源領(lǐng)域的典型應(yīng)用場景為代表，分析其為傳統(tǒng)應(yīng)用模式帶來的新的發(fā)展前景。此外，區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索起步階段。后續(xù)工作將結(jié)合區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展不斷充實完善。

6 挑戰(zhàn)與展望

雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，但區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)作為近年來興起并快速發(fā)展的新技術(shù)，兩者之間的結(jié)合同樣面臨各種制約其發(fā)展的問題和障礙。

（1）資源消耗。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍存在計算能力低下、聯(lián)網(wǎng)能力弱、電池續(xù)航時間短等問題。而比特幣采取的PoW耗費了大量的算力資源和電力資源，并不適用物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。設(shè)計行之有效的交互機制來匯聚和利用分布式共識節(jié)點的群體智能是區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)急需解決的重要問題。

（2）性能瓶頸。區(qū)塊鏈要求系統(tǒng)中每個節(jié)點保存一份數(shù)據(jù)備份，這對于物聯(lián)網(wǎng)日益增長的海量數(shù)據(jù)存儲而言是極不現(xiàn)實的。雖然采用輕量級驗證節(jié)點可解決部分問題，但適用于更大規(guī)模的工業(yè)級解決方案仍有待研究和設(shè)計[19]。傳統(tǒng)比特幣區(qū)塊鏈每秒僅能處理7筆交易，加上共識確認(rèn)時間，大約需要1小時才能寫入?yún)^(qū)塊，因此并不適用于對時延敏感的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

（3）分區(qū)容忍。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能處于無人區(qū)、復(fù)雜電磁環(huán)境、高速移動場景等，因此存在節(jié)點經(jīng)常失效、頻繁加入或退出網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)象。這將會消耗大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，并帶來網(wǎng)絡(luò)震蕩，甚至出現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)割裂”的現(xiàn)象。

然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)霧計算、邊緣計算的發(fā)展[20]、區(qū)塊鏈中混雜共識機制、輕量級共識協(xié)議和基于有向無環(huán)圖（Directed Acycline Graph， DAG）的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)[21]等技術(shù)的創(chuàng)新研究，區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)有望得到逐步解決，從而形成面向泛在物聯(lián)網(wǎng)的去中心化模式。

7 結(jié) 語

隨著以比特幣為代表的數(shù)字加密貨幣如雨后春筍般出現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點研究課題。區(qū)塊鏈主體對等、公開透明、多方共識、信息難以篡改和可編程等特點，使其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。本文在系統(tǒng)梳理區(qū)塊鏈基本原理、技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場景，探索了區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，以期為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域區(qū)塊鏈相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

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