區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

亓越

摘要：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備充斥和便利了我們生活的各方面，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的碎片化問題日漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的巨大阻礙，影響技術(shù)的革新，區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)使這一問題迎刃而解。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；去中心化；邊緣計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0094-02

隨著區(qū)塊鏈討論的持續(xù)升溫，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透生活，不難發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的分布式特性與區(qū)塊鏈的去中心化和分布式特點(diǎn)有著相似的共性，IBM也發(fā)布報(bào)告稱物聯(lián)網(wǎng)可能是區(qū)塊鏈技術(shù)的最佳應(yīng)用場(chǎng)景。

在物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備的海量數(shù)據(jù)是發(fā)展的核心，數(shù)據(jù)是價(jià)值所在。信息的碎片化、安全性、軟硬件互不相通問題，一直成為制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大因素。區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用核心目標(biāo)是解決不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間可信操作和繁重操作的問題，從而創(chuàng)建一個(gè)開放的生態(tài)系統(tǒng)。沒有區(qū)塊鏈的輔助，物聯(lián)網(wǎng)是割裂、封閉的體系，廣域物聯(lián)網(wǎng)和局域物聯(lián)網(wǎng)不能發(fā)生交互，私有化部署的工業(yè)系統(tǒng)和IDC為基礎(chǔ)的IT網(wǎng)絡(luò)難以連接。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)往往需要較高的一致性和安全性，這是任何一個(gè)中心化體系下的技術(shù)難以解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈結(jié)合，就解決了其大量運(yùn)用的安全性和一致性的問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中的痛點(diǎn)

與生俱來的碎片化。不同類別的共享單車需要不同的手機(jī)應(yīng)用開啟，這些節(jié)點(diǎn)并不等價(jià)，沒有標(biāo)準(zhǔn)，是碎片化的。不止于此，同樣聯(lián)網(wǎng)的感應(yīng)門、煙霧報(bào)警器、咖啡售賣機(jī)、紅外線燈等所連接的網(wǎng)絡(luò)也是割裂的、封閉的。從而造成同樣類型的產(chǎn)品都是碎片化的，更不要說不同類型的產(chǎn)品了。而解決碎片化的一種方式需要引入操作系統(tǒng)以及中間件的概念，兼容碎片化的所有硬件設(shè)備，并提供統(tǒng)一的編程接口。

標(biāo)準(zhǔn)化也是一直困擾和阻礙物聯(lián)網(wǎng)大范圍普及的核心問題。IT技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化的，個(gè)人電腦通過HTTP 協(xié)議和服務(wù)器進(jìn)行交互，在瀏覽器上呈現(xiàn)出來，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化。比特幣節(jié)點(diǎn)之間的全網(wǎng)廣播，也是標(biāo)準(zhǔn)化的。在標(biāo)準(zhǔn)化這件事上，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)嘗試了二十多年，在物理層標(biāo)準(zhǔn)上有 WiFi、BLE、ZigBee 等，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有Modbus、工業(yè)以太網(wǎng)等，不同標(biāo)準(zhǔn)之間不能兼容，應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)也一直沒有推行起來。設(shè)備 B和設(shè)備B連接成功，但設(shè)備A卻并不知道任何操縱或是請(qǐng)求設(shè)備B的指令。更致命的是，同樣是一種設(shè)備，不同軟件商的私有協(xié)議各不相同，難以交互。

在物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用及安全層面，也面臨眾多痛點(diǎn)。設(shè)備、芯片、模塊、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、服務(wù)等本身就是一條很冗長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，涉及到的硬件設(shè)備技術(shù)和軟件服務(wù)技術(shù)龐雜，市場(chǎng)通道也沒有完全打開，導(dǎo)致價(jià)值傳導(dǎo)效應(yīng)慢；其次，各類用戶、物體對(duì)象、感知控制設(shè)備、服務(wù)平臺(tái)、監(jiān)管平臺(tái)、第三方資源系統(tǒng)等之間的協(xié)作體系、信任體系和價(jià)值體系尚不完善，也導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)融入行業(yè)的難度較大；最后，生產(chǎn)廠商或服務(wù)提供者的中心化物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，大多擁有未經(jīng)用戶授權(quán)的權(quán)限，收集和分析用戶數(shù)據(jù)甚至控制用戶設(shè)備，對(duì)用戶隱私和安全造成很大威脅。

2 物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈結(jié)合的技術(shù)解決方案

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景的物體抽象

在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，我們面臨的設(shè)備是來自多個(gè)廠家的，每個(gè)廠商都有多種型號(hào)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都不一樣，因此如何對(duì)這些物體進(jìn)行抽象，對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，這是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層要去解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)端的數(shù)據(jù)偏向后端，兼容不同的設(shè)備和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就顯得尤為重要，做到能兼容市面上比較多的設(shè)備是一個(gè)浩大的工程。所以設(shè)計(jì)一個(gè)硬件的抽象層，把所有的硬件全部抽象出來，這樣數(shù)據(jù)在上傳到區(qū)塊鏈的時(shí)候就不需要把一個(gè)高、低電頻的信號(hào)量存起來。嵌入式設(shè)備的存儲(chǔ)空間有限，光一個(gè)狀態(tài)可能就記不起來了，這些設(shè)備可以進(jìn)行驗(yàn)證，在中間被設(shè)置起來。整個(gè)構(gòu)架保證邊緣數(shù)據(jù)的采集，確保沒有人工干涉，進(jìn)而把相對(duì)干凈的數(shù)據(jù)上鏈，并且提供相應(yīng)接口，能和其他的鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用層的統(tǒng)一，是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)下最需要解決的問題，也是未來萬物互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)設(shè)施。 物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)在中心化的云端實(shí)現(xiàn)，而是在邊緣計(jì)算的可編程開始，摒棄傳統(tǒng)的模塊+云的模式，應(yīng)用邏輯會(huì)在固件之外，形成統(tǒng)一的編程模型。

2.2 不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的可信互操作

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備出場(chǎng)時(shí)，商家把一個(gè)唯一地址寫入硬件，并在硬件的包裝盒內(nèi)放置該地址私鑰的二維碼。控制中心通過獲得私鑰后發(fā)送給設(shè)備綁定命令（使用該私鑰簽名），從而擁有該硬件的完整控制權(quán)。綁定后控制中心可以刪除設(shè)備的私鑰，僅保存控制中心自己的私鑰即。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制：控制中心通過給設(shè)備發(fā)起一條帯自己簽名的控制指令，來操作設(shè)備?；阪溕蠣顟B(tài)的控制：當(dāng)控制端無法和設(shè)備建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，可以讓控制端消費(fèi)一些機(jī)區(qū)塊鏈Token（通證），在鏈上寫入一個(gè)"狀態(tài)改變〃，或"控制命令〃來操作目標(biāo)設(shè)備。目標(biāo)設(shè)備可以直接從鏈上同步狀態(tài)或控制命令，或則通過一個(gè)可信節(jié)點(diǎn)同步狀態(tài)或控制命令。這樣區(qū)塊鏈解決了所有設(shè)備都連上云后的運(yùn)維成本和穩(wěn)定性問題。自動(dòng)化控制：并不需要使用合約來設(shè)置"氣溫低于25度則關(guān)閉空調(diào)〃的邏輯，這些自定化控制邏輯可以用傳統(tǒng)的開發(fā)語言在控制端（比如一個(gè)App）里實(shí)現(xiàn)，降低了設(shè)備支持合約所需要的硬件成本，同時(shí)也減少了主鏈因?yàn)檫\(yùn)行合約帯來的可能的卡死。可以基于上述設(shè)施，多廠商可以共建一個(gè)開放的生態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上的同步

我們常見的產(chǎn)品溯源場(chǎng)景，往往在產(chǎn)品生產(chǎn)、存儲(chǔ)、流通過程中數(shù)據(jù)反復(fù)被ERP、MES、WMS等不同中心化的系統(tǒng)錄入，整個(gè)環(huán)節(jié)的一致性是完全沒有保障的。這些物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)基本是以時(shí)間為序列的，和區(qū)塊鏈有天然的結(jié)合。蓋上時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，可以防止重放攻擊，解決并發(fā)導(dǎo)致的死鎖等問題，解決數(shù)據(jù)在流通中的最終一致性問題，過往這些數(shù)據(jù)在割裂的中心化網(wǎng)絡(luò)中并沒有有效地被結(jié)合起來。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)以同步的時(shí)間戳為核心，控制局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)邏輯。時(shí)間戳在整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是同步的，追溯同一時(shí)刻整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為可以還原網(wǎng)絡(luò)某一時(shí)刻的狀態(tài)。

2.4 可實(shí)現(xiàn)價(jià)值轉(zhuǎn)移的共識(shí)機(jī)制

考慮到物聯(lián)網(wǎng)里主控設(shè)備的計(jì)算能力有限，故排除比特幣使用的POW（工作量證明機(jī)制）共識(shí)機(jī)制，選擇區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的DPoS（授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制）作為共識(shí)算法。根據(jù)這種算法，全網(wǎng)持有區(qū)塊鏈Token（通證）的人可以通過投票系統(tǒng)來選擇區(qū)塊生產(chǎn)者。一旦當(dāng)選，任何人都可以參與區(qū)塊的生產(chǎn)。網(wǎng)絡(luò)上的資源不是免費(fèi)的，在任何個(gè)包含了多筆物聯(lián)網(wǎng)合約交易的區(qū)塊誕生之時(shí)，系統(tǒng)將獎(jiǎng)勵(lì)打包區(qū)塊者。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的價(jià)值轉(zhuǎn)移。未來基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，不同的參與方可以通過提供資源獲取Token回報(bào)，或是消費(fèi)Token獲取資源，并且彼此分享，形成一個(gè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值驅(qū)動(dòng)的自治體。

2.5 區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)分類

物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)往往是非常小的運(yùn)算單元，算力很低，內(nèi)存很小，MCU不會(huì)超過512kb， Linux版本的節(jié)點(diǎn)也就是路由器的級(jí)別，存儲(chǔ)也很小，MCU的只有1M的Flash，這樣的節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)是非常困難的。所以物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)一定是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里會(huì)有一個(gè)或是多個(gè)應(yīng)用，應(yīng)用通過應(yīng)用接口和鏈發(fā)生交互，而本地應(yīng)用所需的計(jì)算能力來自邊緣計(jì)算單元，可以是網(wǎng)關(guān)或是路由器。應(yīng)用可以使用中心化或是去中心化的方式管理局部網(wǎng)絡(luò)，并和鏈發(fā)生交互。根據(jù)以上特點(diǎn)，把物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈生態(tài)里的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分類，比如提供接口功能而無存儲(chǔ)功能的輕節(jié)點(diǎn)、記載全網(wǎng)信息由高性能設(shè)備扮演的全節(jié)點(diǎn)、擔(dān)負(fù)打包和投票功能的代表節(jié)點(diǎn)、驗(yàn)證交易的控制節(jié)點(diǎn)等等。

2.6 去中心化的安全性

物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的結(jié)合在隱私和安全性方面也具備很強(qiáng)的重放攻擊，因?yàn)楸镜刈越M網(wǎng)是去中心化的，在一個(gè)本地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，一旦主要應(yīng)用節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，應(yīng)用邏輯會(huì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)完成，從而保障了本地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)一致性的問題。物聯(lián)網(wǎng)本身的安全性是由操作系統(tǒng)本身保證的，采用對(duì)稱密鑰，密鑰在網(wǎng)絡(luò)中不傳輸。此外鏈網(wǎng)絡(luò)釋放基于時(shí)間戳的一次性Token 到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)抗重放攻擊。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是區(qū)塊鏈技術(shù)最佳的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一致性、安全性和不可篡改性也需要一個(gè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和保障，解決信息孤島，區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合已成必然。