物聯網與區塊鏈融合技術研究綜述

吳明娟 陳書義 邢濤 劉海濤

摘 要：針對近年來出現的物聯網與區塊鏈研究熱潮，提出了物聯網和區塊鏈融合技術，實現兩者技術優勢互補，建立安全可信和跨行業的物聯網應用，具有巨大的市場前景。首先簡要給出了物聯網和區塊鏈產生背景、技術特點、發展現狀及面臨問題，在此基礎上，分析兩者融合帶來的技術優勢和發展潛力。其次闡述物聯網和區塊鏈融合的學術研究、技術發展、國內外標準和產業化發展前景，分析了兩者融合在回歸物理世界、安全可信、生態體系和商業模式方面的創新，及技術和商業模式上面臨的挑戰。

關鍵詞：物聯網；區塊鏈；物理世界；安全可信；生態體系

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-04

0 引 言

1999年，麻省理工大學首次提出物聯網的概念，主張將RFID射頻識別技術和互聯網結合起來，通過互聯網實現產品信息在全球范圍內的識別和管理，形成物聯網。這是物聯網首次被提出，它強調物聯網用來標識、連接物品的特征。經過近二十年的發展，物聯網的內涵不斷演化發展，物聯網涵蓋了傳感器網絡、射頻識別、機器對機器等感知技術，以及低功耗無線網絡、低功耗無線廣域網技術等通信技術，物聯網與云計算、大數據、人工智能技術等具有緊密聯系。國家標準GB/T 33745—2017《物聯網術語》中將物聯網定義為通過感知設備，按照約定協議，連接物、人和信息系統[1]，實現對物理世界和虛擬世界的信息進行處理并作出反應的智能服務系統，其中，物即物理實體。定義表明，物聯網在信息世界中建立了與物理世界目標對象的鏡像。國家標準GB/T 33474—2017中給出了物聯網的概念模型和系統參考架構、實體及接口等[2]，這些標準的提出在業內形成了統一的物聯網概念和系統框架，為物聯網的行業應用發展奠定基礎。在《物聯網感知社會論》中提到，物聯網是面向實體世界，以感知互動為目的，以社會化屬性為核心，關注實體世界的事件，超越智能化、超越互聯網，建立在智能化和互聯網基礎上的物理與信息深度融合的全新體系。物聯網是人類社會螺旋發展的再次回歸，是信息產業發展的第三次浪潮，是第四次工業革命的核心支撐[3]。

1 物聯網背景介紹

物聯網作為新興技術，逐漸融入我們的生活中。近年來，車聯網、醫療健康、家居、可穿戴等消費市場更加活躍，物聯網與其他前沿技術不斷融合。物聯網的產業布局和生態構建正在全球加速展開，大批IT國際巨頭進軍物聯網。早前，亞馬遜、微軟、英特爾等布局物聯網、云平臺和車聯網等，2017年

戴爾宣布3年投資10億美元用于發展物聯網，SAP宣布

20億歐元投資物聯網。我國的制造企業、終端、電信運營商、平臺廠商加大力度整合芯片、操作系統、基礎設施建設和平臺服務，積極構建產業生態體系。其中包括百度、阿里在建的物聯網云平臺，華為中興通訊積極推進NB-IoT，以及華為LiteOS操作系統等。我國在工業、農業、能源、物流、健康養老、交通、安防等行業創新示范應用水平不斷提升，形成一批成熟運營服務平臺和商業模式。IDC預估2021年物聯網終端安裝數量將高達361億個，全球物聯網支出到1.1萬億美元。

物聯網面向的是物理世界，其具有海量終端、網絡異構、數據量大、管理復雜等特點，通常依靠單一的技術無法解決，因此物聯網需要跨技術和領域的解決方案。物聯網與互聯網最本質的區別在于，互聯網的數據大多來源于人為輸入，而物聯網通過感知設備獲取來自物理世界的感知數據，這些感知數據建立了物理世界與信息世界的對應關系，比如腕表采集的人體體征信息、家居系統中煙感、光感設備采集的煙濃度、光強度等信息，這些感知獲取的信息來自客觀的物理世界，與人類生產生活緊密相關。因此，物聯網比以往任何時候，更加需要保證數據安全和隱私。物聯網的數據安全和隱私問題包括如何保證數據來自真實可靠感知設備、數據在不同的應用系統中流轉時不被篡改、數據在不被非法訪問和竊取等，這些問題較大阻礙了物聯網規模化應用發展。與此同時，物聯網碎片化應用較多，物聯網的系統建設和行業應用現階段相對孤立，系統之間融合應用還未完全展開，導致物聯網的潛在價值尚未被充分挖掘出來。

1.1 區塊鏈背景介紹

區塊鏈是2008年由中本聰提出，它是以比特幣為代表的數字加密貨幣的核心支撐技術，區塊鏈的核心技術包括分布式賬本、共識機制、智能合約和密碼學等。它的核心優勢是去中心化，通過運用數據加密、時間戳、分布式共識和經濟激勵等手段，在節點間無需互相信任的分布式系統中實現點對點的交易、協調與協作[4]。目前，隨著區塊鏈技術的研究和應用呈現爆發式增長。由于區塊鏈具有的去中心化信用、不可篡改和可編程等特點，使得區塊鏈具有廣闊的應用前景。區塊鏈技術將會經歷以加密貨幣體系為特征的區塊鏈1.0模式，以可編程金融系統為主要特征的區塊鏈2.0模式，以可編程社會為主要特征的區塊鏈3.0模式，目前區塊鏈應用還處于區塊鏈2.0模式前期[5]，區塊鏈技術已成功應用于數字加密貨幣，且未來在經濟、金融、社會系統中具有廣泛的應用前景。

目前，許多國家和政府也開始探索區塊鏈應用。日本是全球首個對虛擬貨幣立法的國家，目前以日元計價的比特幣交易約占總交易量的一半，區塊鏈應用的行業領域也較多。英國較早布局區塊鏈，2016年由英國政府發布《超越區塊鏈》報告。2017年美國知名企業如微軟、沃爾瑪、IBM等開始積極布局區塊鏈技術研究，探索在食品安全、供應鏈物流和區塊鏈平臺等應用，2017年澳大利亞政府將區塊鏈納入國家數字化戰略。近兩年，我國的區塊鏈企業數量急劇增多，2018年，工業和信息化部信息中心發布了《2018中國區塊鏈產業白皮書》[6]，該白皮書深入分析了我國區塊鏈技術產業發展現狀和特點，深入闡述了區塊鏈在金融領域和實體經濟的應用落地情況，并對產業發展趨勢進行了展望。截止到2018年3月底，我國以區塊鏈為主營業務的區塊鏈公司數量達456家，覆蓋硬件制造、基礎設施、安全服務、產業技術、應用服務等，其中金融行業應用服務的公司數量達到86家，主要為實體產業應用服務公司數量達到109家。可見我國區塊鏈企業在服務實體經濟超過金融行業，其比例占總企業數的23.9%。白皮書也指出，區塊鏈存在的合規性風險和技術風險。技術層面的風險包括攻擊、私鑰和終端安全、共識機制安全等。

1.2 物聯網和區塊鏈融合的巨大應用前景

經上述研究發現，物聯網和區塊鏈各自的優勢可實現互補，兩者融合具有技術可行性，同時也將催生巨大的應用前景和發展潛力。

物聯網連接物理世界，其應用場景豐富，物聯網為區塊鏈引入了來自實體世界的真實數據，這些數據上鏈將擴展海量數據的應用空間并挖掘出數據背后的巨大價值，真正發揮出區塊鏈對實體世界的推動作用。因此，物聯網的引入將充分體現區塊鏈服務實體經濟的重要價值。

同時，區塊鏈自身具備防篡改的優勢，從根本上解決物聯網大數據管理、信任、安全和隱私問題，在此基礎上，依靠區塊鏈的智能合約、授權機制、激勵機制等，大大拓展物聯網的多種行業內部和跨行業應用，從而為實現安全可信、多行業融合的物聯網應用提供強大的技術支撐。因此，融合物聯網和區塊鏈技術，不僅能解決物聯網行業應用中面臨的數據安全和隱私、跨行業等難點問題，而且未來將對各個行業應用產生根本性變革，具有巨大的市場前景和發展潛力。

2 物聯網和區塊鏈融合的研究近展

近幾年來，國內外政府機構、學術界和產業界在物聯網和區塊鏈融合的學術研究、標準和行業應用已逐漸萌芽，并迅猛發展。

學術研究方面，2017年中國電子技術標準化研究院聯合無錫市經信委發布了《中國區塊鏈與物聯網創新應用藍皮書》[7]，深度剖析區塊鏈與物聯網的融合模式，以及融合在環保、醫療、智能制造、供應鏈管理、農業等領域的應用場景。眾多學者開始探討兩者融合技術和應用。丁慶洋分析了利用物聯網和區塊鏈技術解決B2C電商平臺信息追溯和防偽問題[8]，并給出了設計模型和應用場景，馬昂等分析了物聯網和區塊鏈融合的應用場景[9-10]，張健強等分析了區塊鏈共識機制和賬本在兩種通信架構物聯網中應用架構設想[11]。葉小榕設計出利用物聯網、區塊鏈及智能合約的供應鏈原型系統[12]。羅松介紹區塊鏈給物聯網帶來的機遇和挑戰[13]。趙明慧設計出基于區塊鏈的社會物聯網框架，解決社會物聯網的安全和交易問題[14]。梅穎等利用區塊鏈技術解決物聯網訪問控制、隱私保護和應用安全問題[15-16]。

物聯網標準化方面，我國發布了《物聯網標準化白皮書》

（2016版）[17]，研究國內外物聯網標準化進展，包括國際標準組織IEEE，ISO，ETS，ITU-T，3GPP，3GPP2等。ISO主要針對物聯網、傳感網的體系結構及安全等進行研究；ITU-T與ETSI專注于泛在網總體技術研究，但二者的側重角度不同，ITU-T從泛在網的角度出發，而ETSI則是以M2M的角度對總體架構開展研究；3GPP和3GPP2是針對于通信網絡技術方面進行研究，IEEE針對設備底層通信協議開展研究。我國針對物聯網標準化組織包括國家物聯網基礎標準工作組、電子標簽標準工作組、傳感器網絡標準工作、生物特征識別分技術委員會、多媒體語音視頻編碼以及公安、交通、醫療、農業、林業和環保各行業應用標準工作組，這些工作組它們各自側重點不同。

區塊鏈標準化方面，許多國內外標準組織包括ISO，ITU-T，IETF，IEEE等均已開展區塊鏈及其與物聯網融合的標準化工作。其中，ITU-T啟動了分布式賬本的總體需求、安全以及物聯網應用研究。2017年3月，中國聯通聯合眾多公司和研究機構在ITU-T SG20 成立了全球首個物聯網區塊鏈標準項目，定義去中心化的可信物聯網服務平臺框架。ISO TC 307區塊鏈和分布式賬本技術委員會開展區塊鏈制定，目前已經有8項標準項目正在開展。IETF討論區塊鏈的互聯互通標準，IEEE建立了區塊鏈應用在物聯網下的框架標準。國內CCSA TC10啟動物聯網區塊鏈子項目組，負責區塊鏈技術在物聯網及其涵蓋的智慧城市、車聯網等行業應用，在TC1下啟動區塊鏈行業標準制定。數據中心聯盟于2016年12月1日成立可信區塊鏈工作組，包括中國聯通、中國電信、騰訊、華為、中興通訊等30多家單位組成。

另外，國內外知名的企業和研究機構針對物聯網和區塊鏈融合研究逐漸興起。騰訊、京東和華為針對區塊鏈技術分別發布了《騰訊區塊鏈方案白皮書》[18]《京東區塊鏈技術實踐白皮書（2018）》[19]《華為區塊鏈白皮書》[20]，這些白皮書中均將物聯網作為區塊鏈的應用場景，根據企業總體優勢闡述其在區塊鏈的布局，騰訊的目標是打造企業級區塊鏈基礎平臺，京東闡述以服務平臺為目標，利用區塊鏈實踐進行跨主體協作的業務，華為推出云區塊鏈服務BCS，打造典型的“應用+區塊鏈平臺+硬件”三位一體軟硬結合的解決方案。物聯網和區塊鏈底層融合技術引起國內外企業的關注。2014年在德國誕生的數字虛擬貨幣IOTA（埃歐塔）是面向物聯網應用的區塊鏈技術，通過一種創新的分布式Tangle賬本、DAG結構滿足物聯網之間的互操作性和資源共享需求。國內針對物聯網和區塊鏈融合技術也開始蓬勃發展，2017年提出的“六域鏈”（Six Domain Chain）針對物聯網應用生態的復雜需求等，在P2P通信、加密算法、共識算法、市場化共識激勵、去中心化DApp等底層技術方面進行了充分的優化設計，建立了適用于物聯網應用生態的公有鏈，推進區塊鏈服務實體經濟的探索實踐。2018年5月，中國、加拿大來自物聯網、區塊鏈、金融等不同領域的專家聯合發起創立“中加物聯網與區塊鏈產業發展研究院”推進相關的研究和應用。

國內外眾多企業開展了物聯網和區塊鏈融合的行業應用，比如在漁業、食品溯源、金融、能源等領域，表明區塊鏈作為物聯網應用的基礎技術已經廣受認可。如在漁業領域，慶漁堂公司采用物聯網和區塊鏈技術幫助農民進行水質監控，降低種養過程中的風險，提高生產效率，實現農業科技授信貸款、農業科技保險、供應鏈溯源、農產品溯源及品牌營銷等。在食品安全溯源領域，食品安全區塊鏈實驗室Akte致力于打造基于物聯網和區塊鏈技術的食品防偽溯源生態，通過打通物聯網智能終端的信息采集與區塊鏈的數據鏈路，保障食品可溯源和信息真實可信。金融方面，感知集團通過物聯網與區塊鏈融合技術，致力于實現客觀可信的基于企業不動產貨品的信用評級、貸款、融資、保險服務等。能源領域，澳大利亞Origin Energy，英國BP，日本東京電力公司，荷蘭殼牌和德國Innogy公司宣布建設能源區塊鏈項目，并提供分布式能源點對點交易、碳證交易、融資服務。

3 物聯網和區塊鏈融合的創新與挑戰

3.1 物聯網和區塊鏈融合帶來的創新

物聯網和區塊鏈融合將推動技術跨越融合和實現安全可信，促進行業生態體系建立及商業模式創新。

（1）物聯網為區塊鏈提供更多落地的應用場景以及物理世界的支撐，兩者融合可創新性回歸到解決物理世界的現實問題。物聯網連接的是物與物、物與人，這些連接的對象是客觀存在的。根據行業和應用場景的不同，物聯網采用功能、形態、需求各異的物聯網設備終端采集來自醫療健康、家居、交通、物流、工業等行業的數據，從而提供來自這些行業以及細分領域的真實數據，這些數據上鏈給區塊鏈的應用不斷注入新鮮的血液，可不斷擴大區塊鏈技術的應用場景，同時融合區塊鏈技術幫助解決物理世界的現實問題，從而服務實體經濟。當前，區塊鏈不僅應用在金融系統中，越來越多的應用領域來自非金融領域，特別是物聯網應用場景，例如車聯網、能源、醫療領域等。

（2）區塊鏈解決物聯網中的信息安全和隱私問題，創新性建立了物聯網去中心化、可信任、隱私保護的機制和能力。物聯網的數據來自物理世界，它是物理世界的客觀鏡像，這些數據的安全性直接關系到物理世界的安全性，一旦出現數據被惡意竄改、數據被違規訪問等問題時，其產生的災難性后果比虛擬世界更嚴峻，因此物聯網應用安全方面問題亟需解決。區塊鏈本身具有的分布式、去中心化、數據加密、時間序列、共識機制等屬性，可保證數據不被篡改，以及利用區塊鏈技術建立的安全訪問機制，從技術上解決物聯網的數據安全和隱私問題，從而保障客觀數據的真實可靠、可用性和隱私保護能力，有利于物聯網真正大范圍的推廣應用。

（3）與行業應用相結合，以區塊鏈的智能合約為技術支

撐，創新性建立物聯網跨行業應用生態體系。物聯網的應用不僅僅是單個行業的數據監測、數據傳輸和分析控制，更需要建立一個龐大的生態服務體系。物聯網本身也是一個跨技術、多個主體共同協作的系統級應用，需要設備入網者、服務提供者、運營管理者、目標客戶、目標對象所有人等多個主體之間合作和共享，同時，物聯網提供服務不再是單一的內容服務，而是多元化、種類繁多、不斷演進的生態服務體系，利用智能合約機制能建立這些數據之間以及映射出的主體之間的關系，并基于主體之間的合約腳本，給不同主體提供嶄新的網絡化、具有社會化屬性、以及不斷演進的服務和體驗。如基于區塊鏈的農業物聯網服務不再是單一的農作物生長監控、食品溯源，更多的服務是農業信用、農業保險、農產品交易、農資租賃等。在基于區塊鏈的醫療健康物聯網服務不僅包括健康監測、藥品溯源、醫廢管理等，還能提供精準的人壽保險、社會保障、居家養老、遠程醫療服務、醫療器械租賃等。

（4）結合區塊鏈的共識機制和激勵機制，它將給物聯網行業應用帶來創新性的商業模式。物聯網的數據共享和服務之所以還不夠普及，一方面受制于技術集成創新成熟度，另一方面也缺乏良好商業模式推動，特別是在一些重要的消費行業，包括供應鏈金融、農業、食品安全、能源、電動汽車共享租賃等。物聯網作為推動共享經濟、實現零邊際成本社會的重要動力，還需要借助一定的激勵機制和商業模式。由于物聯網實現跨領域的生態體系，物聯網系統的設備提供商、軟件服務商、運營管理方、多種類用戶之間的關系錯綜復雜，需要在他們之間建立良好的數據提供、服務獲取、交易確認和付費機制等。區塊鏈為物聯網多方主體參與貢獻和交易提供了去中心化平臺并利用其共識機制和激勵制度，提倡做出貢獻的主體可獲取相應額度報酬，這種機制將鼓勵和帶動更多的主體參與到物聯網的應用中，實現實體流、信息流與資金流的三流合一，高效解決跨行業、深層次的社會問題。

3.2 物聯網和區塊鏈融合面臨的挑戰

物聯網和區塊鏈融合將面臨技術和商業模式兩個方面的挑戰：

（1）技術方面的挑戰

經過近年來國內外在傳感技術、信息技術、通信技術等快速發展，物聯網已經在體系架構、操作系統、傳感器、網絡建設、軟件平臺等技術方面逐漸成熟，國內外基礎技術的標準體系已逐步建立，標志著物聯網技術發展走向成熟。而區塊鏈出現時間較短，普遍認為是處于區塊鏈2.0模式前期，國內外標準化還處于起步階段，區塊鏈應用行業和技術型企業還相對較少，區塊鏈應用也不時會出現一些安全漏洞。盡管如此，以比特幣為代表的區塊鏈掀起了一股熱潮，很多企業和專家學者看好物聯網和區塊鏈融合技術可行性。在《藍皮書》[7]中給出了基于物聯網和區塊鏈融合的架構，在各自原有技術架構上進行演進，建立了兩者融合的參考系統架構。不過，在區塊鏈技術路線中，以往比特幣的技術不適合應用于物聯網上。因此，物聯網和區塊鏈融合還存在許多技術問題有待研究。如何使區塊鏈通過高效率、低資源占用率、高安全的方式實現物聯網中多方交易、海量終端、訪問控制、隱私保護的應用需求，以及如何將物聯網終端、軟件協議、系統平臺與區塊鏈的技術融合，如何將共識機制、智能合約等區塊鏈技術與物聯網應用融合等問題還需要進一步探索。

（2）商業模式方面的挑戰

物聯網的商業應用已初步萌芽，目前也有大量的國內外知名企業開始布局物聯網并進行市場化運行，在物聯網的可穿戴設備、智能家居、共享單車、醫療服務、共享電動汽車租賃、停車管理等領域都均有規模化企業應用。由于區塊鏈為數據提供更加安全的交互平臺，物聯網為區塊鏈提供了來自物理世界的數據和應用空間，他們綜合起來將產生以信任為基礎的業務模式，實現多種主體之間跨平臺交易，而不必擔心數據安全問題，從而打通業務之間的壁壘，使得應用場景更加豐富，實現多方共贏。因此，基于物聯網和區塊鏈融合的綜合業務和商業模式也被看好，許多科技服務型企業開始試水兩者融合的商業運營。但是，基于當前大部分的物聯網商業應用還未實現持續穩定盈利，兩者融合的商業模式融合也面臨挑戰。如何將區塊鏈的技術優勢充分發揮出來，有效推進區塊鏈技術在物聯網的商業價值體現，解決物聯網商業運營過程中的問題，如何將物聯網應用中多主體、跨行業、網絡化服務與區塊鏈的共識機制、激勵機制、智能合約等實現落地和推廣，如何在跨行業應用中創造出安全、有序、可持續、共贏的商業運行環境等需要產業鏈上企業、政府和研究機構等多方共同研究和探索。

4 結 語

物聯網和區塊鏈融合具有廣泛的應用前景，在國內外學術界和產業界掀起一股熱潮。它們之間實現技術優勢互補，物聯網提供了豐富的數據和場景，但存在較大的安全和隱私風險，區塊鏈技術保障安全和隱私，提供多主體之間共享和交易的平臺，但是缺乏大量、實時有效的數據支撐，物聯網和區塊鏈融合將彌補各自不足，有利推動兩者在行業深度發展和高效應用，但同時機會與挑戰并存。當前融合技術設計實現和商業模式等還處于探索階段、尚未完備。如何解決區塊鏈的低效率、資源占用高、安全風險，建立適應物聯網行業應用的融合技術還需要進一步研究，另外，物聯網行業應用對新興的區塊鏈技術接受還尚需時日，兩者融合發展還處于產業前期。但是，隨著物聯網、區塊鏈技術的迅速發展，區塊鏈開源社區建立和技術普及，以及國內外企業在商業模式的不斷創新探索，相信在不久的未來，物聯網和區塊鏈融合必將形成共同促進的態勢，對行業進步、社會發展帶來巨大的

革新。

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