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

吳雨芯，蔡婷

（1.廣東白云學(xué)院大數(shù)據(jù)與計算機學(xué)院，廣州510450；2.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院，重慶401520）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)在智慧城市、車聯(lián)網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能供應(yīng)鏈、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用與發(fā)展，位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的傳感器和智能設(shè)備數(shù)量正呈指數(shù)型增長。據(jù)Gartner 最近的一份報告統(tǒng)計顯示[1]，截止到2021 年，約有50 億臺智能設(shè)備將被注冊為IoT 設(shè)備，全球平均每小時將售出大約100 萬臺新的IoT 設(shè)備。如此龐大的設(shè)備群每天都在產(chǎn)生海量的高速數(shù)據(jù)流，在爆炸式的增長速度下，如何確保物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的實時傳輸與安全可靠是目前亟需解決的問題。在物聯(lián)網(wǎng)中，智能設(shè)備需要周期性的更新迭代其軟件和功能，所獲取的數(shù)據(jù)流也均需匯總在中心化的服務(wù)器平臺，每一次互動傳輸都將產(chǎn)生昂貴的流量成本。同時，中心化運營模式會不可避免的帶來安全風(fēng)險，中央服務(wù)器一旦出現(xiàn)漏洞將會對整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點產(chǎn)生安全隱患，用戶隱私也得不到有效保障。再者，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準化程度不足，容易形成信息孤島，極大制約了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)讓眾多IoT 研究人員找到了一個不錯的解決方案，利用區(qū)塊鏈本身的去中心化結(jié)構(gòu)、容錯能力、用戶匿名性、數(shù)據(jù)完整性和身份認證等優(yōu)勢，解決物聯(lián)網(wǎng)中的安全信任和隱私問題[2]。伴隨區(qū)塊鏈技術(shù)的加入，物聯(lián)網(wǎng)運營模式將從昂貴、過度集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)換到自我調(diào)節(jié)和自我管理的去中心化模式。這樣的轉(zhuǎn)換將提供可伸縮性、基礎(chǔ)設(shè)施成本降低、自治、在缺乏信任的環(huán)境中進行安全操作、用戶隱私驅(qū)動的訪問控制、數(shù)據(jù)完整性和防止網(wǎng)絡(luò)攻擊的全新IoT 生態(tài)系統(tǒng)，區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)（Blockchain of Things，BoT）。

1 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)（BoT）

IoT 系統(tǒng)大部分時間是部署在沒有任何物理安全的不可信環(huán)境中，因此，可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)作為安全、不可偽造和可審計的數(shù)據(jù)日志。還可以用于設(shè)置策略、控制和監(jiān)視對用戶、傳感器數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，并使用智能合約根據(jù)特定條件執(zhí)行各種操作。區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。感知層采集的信息和數(shù)據(jù)在底層區(qū)塊鏈進行上鏈存儲，全程可追溯，并實現(xiàn)信息的不可篡改，通過點對點的分布式連接進行信息的傳遞。合約層通過一系列的智能合約編寫實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行，進行交易等操作。合約層與底層區(qū)塊鏈代替了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的平臺層與網(wǎng)絡(luò)層。區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)平臺底層多采用公有鏈進行平臺搭建，編寫智能合約，建立物聯(lián)網(wǎng)運營服務(wù)體系，確保系統(tǒng)的實際有效運行、可持續(xù)性和商業(yè)閉環(huán)。

圖1 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

IoT 中主要存在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)集中化、應(yīng)用層安全的缺乏、產(chǎn)品安全標準化程度不足等問題，利用區(qū)塊鏈的關(guān)鍵特性來解決其日益增長的安全和隱私、資源需求等問題，將具備以下幾點優(yōu)勢。

（1）分布式連接降低數(shù)據(jù)傳輸成本

區(qū)塊鏈技術(shù)分布式連接的特點可以形成一個具有龐大體量節(jié)點的P2P 傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過閑置資源利用與點對點的連接，可以對IoT 的組網(wǎng)架構(gòu)進行優(yōu)化，節(jié)約存儲空間和傳輸流量費用。據(jù)IOEX 解決方案相關(guān)描述，區(qū)塊鏈技術(shù)的引用可以節(jié)省IoT 硬件70%的升級更新費用。

（2）智能合約的調(diào)用降低管理運營成本

利用智能合約編程實現(xiàn)IoT 信息傳遞、加工、處理的智能化操縱和交易等的自動進行，一方面節(jié)省了中心服務(wù)器的運營與維護成本，另一方面實現(xiàn)了數(shù)以萬計的終端設(shè)備的低成本互聯(lián)，大大降低了管理運營成本。

（3）去中心化存儲解決信息安全與用戶隱私保護

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用使得IoT 實現(xiàn)了去中心化的運營，沒有一個掌握了所有數(shù)據(jù)與用戶信息的中心服務(wù)器的存在，規(guī)避了信息泄露的風(fēng)險。與此同時，通過非對稱加密算法等安全加密技術(shù)可以最大化保護用戶的隱私。

2 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

BoT 能很好地解決傳統(tǒng)中心化架構(gòu)下的高成本、安全與隱私等問題。經(jīng)過授權(quán)的設(shè)備將有權(quán)自主執(zhí)行智能合約，使原來普通的設(shè)備變?yōu)榭勺晕揖S護、自我服務(wù)的高度智能化設(shè)備，而且能在沒有任何信用的條件下，通過數(shù)據(jù)加密技術(shù)保證用戶的隱私。然而，由于區(qū)塊鏈自身的缺省限制，例如事務(wù)確認延遲、區(qū)塊鏈大小和網(wǎng)絡(luò)擴展的可伸縮性、缺乏以IoT 為中心的事務(wù)確認規(guī)則、缺乏面向IoT 的共識協(xié)議、以及IoT 設(shè)備與區(qū)塊鏈的不安全集成。這些問題都需要在區(qū)塊鏈在IoT環(huán)境中高效工作之前加以解決。

（1）缺乏面向IoT 的共識協(xié)議

目前的共識協(xié)議如PoW、PoS、PoET 和IoTA 都是為公有區(qū)塊鏈設(shè)計的[3-5]，重點是金融價值轉(zhuǎn)移。這些共識協(xié)議有一個共同的問題，即共識過程不會在一個永久提交的區(qū)塊中結(jié)束，而是在一段時間內(nèi)根據(jù)接下來幾個擴展鏈的區(qū)塊最終確定塊，然后將最長的鏈確定為有效鏈。因此，這些共識協(xié)議容易產(chǎn)生分叉。而缺乏共識的最終結(jié)果是導(dǎo)致事務(wù)的確認產(chǎn)生延遲，這對大多數(shù)時候需要接近實時事務(wù)確認的IoT 系統(tǒng)來說是致命的。另外，PBFT、DBFT、HoneyBadger-BFT 和Tendermint 都是基于BFT 的協(xié)議，容易受到DoS 攻擊，且可伸縮性不太好。

（2）缺乏以IoT 為中心的事務(wù)確認規(guī)則

圖2（a）展示了比特幣網(wǎng)絡(luò)中的事務(wù)驗證過程，通過檢查事務(wù)的格式、簽名以及之前沒有被使用過的事務(wù)的輸入來驗證。圖2（b）展示了Ethereum 區(qū)塊鏈檢查發(fā)送方賬戶的格式、簽名、Nonce、Gas 和賬戶余額進行驗證。IoT 系統(tǒng)中通常包含不同的設(shè)備，以不同的格式和不同的數(shù)值范圍發(fā)送感官值或數(shù)據(jù)。因此，如何制定以IoT 為中心的事務(wù)確認規(guī)則去驗證不同格式的數(shù)據(jù)，還有待進一步解決。

圖2 不同區(qū)塊鏈平臺事務(wù)驗證規(guī)則

（3）IoT 設(shè)備集成

IoT 設(shè)備通過Web UI、移動App 中調(diào)用的智能合約或在shell 中運行JavaScript 將傳感器數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈[6]。智能合約在EVM（Ethereum 虛擬機）中執(zhí)行，不與外部世界直接通信，而使用Web3. js 庫作為接口。在這種情況下，只有當傳感器數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈中時，區(qū)塊鏈才可以作為一個安全的分布式數(shù)據(jù)庫使用。然而，在此之前，數(shù)據(jù)的完整性取決于設(shè)備、Web UI 和移動App 本身的安全性。考慮到當前的不安全場景，IoT 設(shè)備很容易被黑客入侵，惡意代碼可以遠程執(zhí)行，除非經(jīng)常驗證，否則IoT 設(shè)備的完整性總是存在問題。

（4）巨大的資源需求

當前IoT 系統(tǒng)中的嵌入式設(shè)備大幅增加，傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)中心通信模型很難應(yīng)付來自數(shù)十億設(shè)備產(chǎn)生的高速數(shù)據(jù)流[7]。雖然云計算體系結(jié)構(gòu)確實提供了幾乎無限制的存儲和處理能力，但是來回傳輸事務(wù)數(shù)據(jù)所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬在IoT 系統(tǒng)中成為了瓶頸。因此，如何設(shè)計一種不需要在IoT 節(jié)點上設(shè)置大量內(nèi)存和處理能力、并且擁有足夠的事務(wù)處理帶寬的BoT 解決方案，仍是一個不小的挑戰(zhàn)。

3 基于邊緣計算的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)

目前，由于資源需求的增長和IoT 設(shè)備計算能力的限制，基于云結(jié)構(gòu)的解決方案被廣泛使用[8]。借助云計算中高效靈活的資源調(diào)配方式，IoT 設(shè)備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h程云進行處理。然而，互聯(lián)網(wǎng)沒有足夠的效率和可擴展性來處理這些大量的IoT 數(shù)據(jù)。此外，重要數(shù)據(jù)的傳輸是昂貴的，它將耗費大量的帶寬、時間和能量。由于大量IoT 數(shù)據(jù)流需要以較高的速度傳輸?shù)皆贫耍员銓崟r發(fā)現(xiàn)有價值的信息，因此有必要設(shè)計一種高效的數(shù)據(jù)處理體系結(jié)構(gòu)。

邊緣計算，是一種結(jié)合云計算和IoT 的不斷發(fā)展的下一代計算框架[9]。它將計算能力引入分布式IoT的邊緣，無需將原始IoT 數(shù)據(jù)流傳輸?shù)皆浦校ㄟ^在IoT 中部署多個Fog 節(jié)點，從而在本地收集、分類和分析數(shù)據(jù)。邊緣計算可以被看作是云計算范式延伸的分層服務(wù)結(jié)構(gòu)。能夠為終端用戶提供更快的云服務(wù)，如存儲、計算和聯(lián)網(wǎng)功能。Fog 節(jié)點使用不同的技術(shù)，把IoT 邊緣的多個計算資源相互連接、聚合和抽象，形成一個單一的邏輯實體，并提供分布式服務(wù)。考慮到有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬，集中云存儲無法及時處理大量數(shù)據(jù)，基于區(qū)塊鏈的分布式云架構(gòu)可作為一種有效的解決方案。如圖3 所示，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總共分為三層，即邊緣層、霧層和云層。

（1）邊緣層

在邊緣層，包含大量原始信息包含個人數(shù)據(jù)，如在智能手機上拍攝的視頻或照片、GPS 數(shù)據(jù)、可穿戴設(shè)備檢測到的健康數(shù)據(jù)、安裝在智能家居中的傳感器檢測到的智能家居狀態(tài)、智慧農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物生長監(jiān)控信息等。IoT 設(shè)備用于監(jiān)視并采集各種公共基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，并將本地的過濾數(shù)據(jù)發(fā)送到霧層并使用請求服務(wù)。IoT 設(shè)備與霧層之間的通信通過多接口基站（Multi-interface Base Station，MBS）進行，MBS 作為SDN 控制器的交換機，以促進基于IoT 的新的無線通信技術(shù)。為了聚合來自本地IoT 設(shè)備的所有原始數(shù)據(jù)流，MBS 構(gòu)成了一個無線網(wǎng)關(guān)，充當Fog 節(jié)點中SDN 控制器的轉(zhuǎn)發(fā)計劃，該SDN 控制器監(jiān)視數(shù)據(jù)平面上的流量并建立用戶會話。

（2）霧層

圖3 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

霧層每個Fog 節(jié)點由高性能的分布式SDN 控制器組成，每個Fog 節(jié)點覆蓋小型關(guān)聯(lián)區(qū)域，負責(zé)數(shù)據(jù)分析和提供實時服務(wù)，并向云層和邊緣層報告處理后的輸出數(shù)據(jù)的結(jié)果。霧層提供定位，云層提供廣域監(jiān)視和控制。通過提供分布式計算和存儲來提供大規(guī)模事件檢測、行為分析和長期模式識別，并使用區(qū)塊鏈技術(shù)提供可伸縮、可靠和高可用性的服務(wù)。每個SDN 控制器包括數(shù)據(jù)包遷移和流規(guī)則分析功能，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了構(gòu)建一個整體的網(wǎng)絡(luò)視圖，SDN 控制器監(jiān)視和分析從到達的OpenFlow 數(shù)據(jù)包中識別必要的OpenFlow 消息。接著對解析的數(shù)據(jù)集進行分析，提取路由拓撲狀態(tài)和元數(shù)據(jù)特征集，構(gòu)造具有流量的網(wǎng)絡(luò)流拓撲圖。集合的元數(shù)據(jù)流在管理策略期間驗證收集的允許元數(shù)據(jù)值。SDN 控制器還向網(wǎng)絡(luò)管理運營商提供編程接口，以提供各種基本的網(wǎng)絡(luò)功能。Fog 節(jié)點可以通過Internet 訪問分布式云，靈活部署應(yīng)用服務(wù)和計算可用性。當Fog 節(jié)點沒有足夠的計算資源來處理本地數(shù)據(jù)流時，可以將其計算工作負載卸載到分布式云上，而代價是通信延遲和網(wǎng)絡(luò)資源消耗增加。

數(shù)據(jù)包解析器通過監(jiān)視所有OpenFlow 消息的子集，包括FeatureReply、Stats_Reply、Flow_Mod 和Packet_in，以捕獲異常行為。流拓撲圖生成器分析解析后的數(shù)據(jù)集，以構(gòu)造和修改連接到網(wǎng)絡(luò)流的流程圖。SDN 域中有三個元素，它們精確地將網(wǎng)絡(luò)中每個流的元數(shù)據(jù)概括為流、轉(zhuǎn)發(fā)交換機和終端主機。驗證模塊以脫機方式生成路徑條件、以在線方式生成反應(yīng)規(guī)則。遷移代理模塊根據(jù)觸發(fā)解析器的流規(guī)則以生成新規(guī)則并遷移數(shù)據(jù)緩存中丟失的表數(shù)據(jù)包。在流程規(guī)則生成和更新期間，將所有丟失的數(shù)據(jù)包遷移到數(shù)據(jù)計劃緩存中。數(shù)據(jù)計劃緩存模塊是一個臨時存儲器，當接收到遷移的數(shù)據(jù)包時，它將解析數(shù)據(jù)包報頭，并使用Packet_in 生成器、緩沖區(qū)隊列和分類器將它們存儲在適當?shù)木彌_區(qū)隊列中。

圖4 SDN控制器體系結(jié)構(gòu)

（3）云層

在云層，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式云提供了對最具競爭力的計算基礎(chǔ)設(shè)施的安全、低成本和按需訪問。客戶端可以搜索、查找、提供、使用和自動釋放所需的所有計算資源，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。與傳統(tǒng)使用PoW 共識協(xié)議的區(qū)塊鏈不一樣，工作量是在區(qū)塊鏈之外發(fā)生的一些操作，例如性能計算、文件傳輸或提供一組數(shù)據(jù)。因此，在基于區(qū)塊鏈的分布式云中使用PoS（Proof of Service）作為共識協(xié)議。云層中使用了一種匹配算法，根據(jù)資源請求的描述將請求鏈接到資源提供者。同時，智能合約描述了執(zhí)行任務(wù)或部署VM實例的需求，如預(yù)期的管理程序、GPU 運行時需求、RAM、最小磁盤空間等。分布式云中還使用了調(diào)度算法，可以根據(jù)可靠性、置信度、性能、成本等因素自定義客戶端的偏好。例如，某個客戶端希望獲得更好的計算性能，即使成本更高。而另一個客戶端希望最小化成本，即使數(shù)據(jù)計算需要更長的時間。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域目前由于信息量爆炸式增長而面臨的安全與隱私、計算資源缺乏、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲等問題，分析了在物聯(lián)網(wǎng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)所帶來的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。基于邊緣計算的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供了良好的解決方案，架構(gòu)中邊緣層IoT 設(shè)備采集海量的真實數(shù)據(jù)，霧層的SDN 控制器對數(shù)據(jù)進行處理，并將結(jié)果報告基于區(qū)塊鏈的分布式云層，從而提供可伸縮、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)延遲低的高可用性BoT 系統(tǒng)服務(wù)。后續(xù)工作將進一步緊縮Fog 節(jié)點體積，改進面向IoT 的共識協(xié)議，結(jié)合5G 技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而提供更快速、安全可信的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。