基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

張潮 劉茜 馮鋒

摘要：隨著近年來區(qū)塊鏈的概念提出，人們逐漸構(gòu)想將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于金融、政府、物流、醫(yī)療等各個方面。而傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)存在的低可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)個體的信任問題以及隱私保護(hù)問題，也可以在基于區(qū)塊鏈這一點(diǎn)對點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展下，可以得到很好的解決，從而使得物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展邁向新的臺階。文章闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在的問題，并分析了物聯(lián)網(wǎng)在區(qū)塊鏈技術(shù)下的研究與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；金融

物聯(lián)網(wǎng)是未來世界科技發(fā)展的主要驅(qū)動力，是繼通信網(wǎng)之后的另一個萬億市場。現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)正在繁榮發(fā)展，特別是隨著5G技術(shù)的逐漸應(yīng)用，以后所有的事物都可以通過物聯(lián)網(wǎng)相連。而區(qū)塊鏈技術(shù)的興起，則可以讓物聯(lián)網(wǎng)在大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上突破傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所存在的問題。

萬物皆可聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代為我們描繪了無數(shù)美好的可能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最近幾年取得了令人矚目的成果[1]。目前在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有數(shù)十億個傳感器和智能控制器投入使用，預(yù)計在未來幾年這個數(shù)字還會成倍增長。但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也面臨著運(yùn)營成本高、隱私保護(hù)不明顯、商業(yè)模式固定等問題，這些問題有可能成為物聯(lián)網(wǎng)在未來發(fā)展和應(yīng)用的巨大障礙，而區(qū)塊鏈技術(shù)給這些問題的解決提供可能性。

2008年由中本聰?shù)谝淮翁岢隽藚^(qū)塊鏈的概念[2]，最開始在比特幣中發(fā)揮核心作用。近兩年來，人們逐漸構(gòu)想將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于金融、政府、物流、醫(yī)療等各個方面。同樣，區(qū)塊鏈技術(shù)對于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也起著革命性的作用，區(qū)塊鏈可以降低物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本、解決物聯(lián)網(wǎng)的隱私保護(hù)問題、利用區(qū)塊鏈建立新的商業(yè)模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)作為一個戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長。政府給予了極大的關(guān)注，國家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開環(huán)應(yīng)用”，將致力于加強(qiáng)通用協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的研究，推動物聯(lián)網(wǎng)不同行業(yè)不同領(lǐng)域應(yīng)用間的互聯(lián)互通、資源共享和應(yīng)用協(xié)同，通過開環(huán)應(yīng)用示范工程推動集成創(chuàng)新，總結(jié)形成一批綜合集成應(yīng)用解決方案[3]，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高信息消費(fèi)和民生服務(wù)能力，提升城市和社會管理水平。各大科技公司都投入了大量資源參與到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中，無人駕駛，智能家居也在飛速發(fā)展。隨著中國5G技術(shù)的逐漸應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)海量連接、廣域覆蓋、短時延問題也會逐漸解決。

但是物聯(lián)網(wǎng)仍然存在極大的瓶頸，數(shù)以千億計的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理運(yùn)營給物聯(lián)網(wǎng)個體帶來了極大的成本壓力；在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域目前涉及用戶的隱私數(shù)據(jù)都儲存在中心服務(wù)器，具有極大的泄露風(fēng)險；當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)更多地是將設(shè)備連接在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，而很難進(jìn)行自主協(xié)作，完成具有商業(yè)價值的應(yīng)用。

2 物聯(lián)網(wǎng)存在的問題

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本

目前的物聯(lián)網(wǎng)通用架構(gòu)，存在這樣一種問題：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是由數(shù)據(jù)匯總到單一的中心控制系統(tǒng)控制，導(dǎo)致中心服務(wù)器在能耗和企業(yè)成本支出方面存在巨大壓力。而且，隨著當(dāng)下終端的低成本的普及，未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將呈幾何級數(shù)增長，這個壓力可能變得難以承受。

2.2 隱私保護(hù)問題

在斯諾登事件之后，由政府和大型企業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的隱私被廣泛質(zhì)疑。特別在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，目前的中心化服務(wù)構(gòu)架將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制信號都由中央服務(wù)器存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。這些中央服務(wù)器收集者所有的攝像頭傳輸過來的視頻信號，麥克風(fēng)錄制的通話記錄，甚至用戶的奔跑節(jié)奏、心跳和血壓的信息都匯總到中央服務(wù)器。雖然物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商一直宣稱他們能夠有效保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)安全和隱私，但是一系列的安全漏洞和隱私泄露事件的發(fā)生使用戶無法真正信任運(yùn)營服務(wù)提供商能夠?qū)崿F(xiàn)他們的承諾。而最近Facebook公司大規(guī)模泄露用戶隱私數(shù)據(jù)的問題再次將互聯(lián)網(wǎng)中的隱私保護(hù)問題為所有人敲響了警鐘。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)新的商業(yè)模式

未來物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是將設(shè)備連接在一起完成數(shù)據(jù)的采集，人們更加希望連入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備能夠具有一定的智能，在給定的規(guī)則邏輯下進(jìn)行自主協(xié)作，完成各種具備商業(yè)價值的應(yīng)用。但是，具備商業(yè)價值的交互必須確保進(jìn)行操作的設(shè)備具有代表擁有者進(jìn)行交易的授權(quán)，并且這種授權(quán)能夠被直接驗(yàn)證。同時，由智能設(shè)備發(fā)出的交易請求需要可靠地記錄以確保交易的有效性。

但是在當(dāng)前中心化構(gòu)架下的物聯(lián)網(wǎng)很難完成上述自主協(xié)作和有效交易，因?yàn)檫@種協(xié)作和交易的相關(guān)方往往是屬于不同的利益主體，具有復(fù)雜和難以確定的信任關(guān)系。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)

3.1 區(qū)塊鏈的定義

區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是一種點(diǎn)對點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它以某種共識算法保障了各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的一致性，通過加密算法保證數(shù)據(jù)的安全性與隱私性，同時通過加入時間戳及首尾相連的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了一種公開的、透明的、可驗(yàn)證的、不可篡改的且可追溯的技術(shù)體系。

3.2 區(qū)塊鏈架構(gòu)

這里以比特幣和以太坊的區(qū)塊鏈架構(gòu)為實(shí)例。區(qū)塊鏈系統(tǒng)包含底層的交易數(shù)據(jù)、狹義的分布式賬本、重要的共識機(jī)制、完整可靠的分布式網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)之上的分布式應(yīng)用這幾個要素。底層的數(shù)據(jù)被組織成區(qū)塊這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各個區(qū)塊按照時間順序鏈接成區(qū)塊鏈，全分布式網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)分別保存一份名為區(qū)塊鏈的分布式賬本，網(wǎng)絡(luò)中使用P2P協(xié)議進(jìn)行通信，通過共識機(jī)制達(dá)成一致，基于這些基礎(chǔ)產(chǎn)生相對高級的各種應(yīng)用。在該架構(gòu)中，不可篡改的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分布式網(wǎng)絡(luò)的共識機(jī)制、工作量證明機(jī)制和愈發(fā)靈活的智能合約是具代表性的創(chuàng)新點(diǎn)。區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示。

3.3 區(qū)塊鏈的主要特征

由區(qū)塊鏈的定義的基礎(chǔ)框架可知，區(qū)塊鏈主要包括去中心化、可信任的主要特征。去中心化是指在整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中沒有中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，任意節(jié)點(diǎn)間的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)的損壞均不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，而且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以隨時離開和加入網(wǎng)絡(luò)?？尚湃问蔷W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)交換時，雖然不可見，但仍然是可信任的，因?yàn)檎麄€網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作及數(shù)據(jù)都是公開透明的，各節(jié)點(diǎn)無法欺騙其他節(jié)點(diǎn)。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

4.1 降低物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本

雖然隨著云計算技術(shù)的普及和利用，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商可以通過云端的服務(wù)器集群提供物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的存儲和交換服務(wù)。但是隨著連接設(shè)備數(shù)量的幾何級增長，中心化服務(wù)需要付出的計算、存儲和帶寬成本也會增加到無法負(fù)擔(dān)的程度。

區(qū)塊鏈技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了點(diǎn)對點(diǎn)直接互聯(lián)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個物聯(lián)網(wǎng)解決方案不需要引入大型數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和管理控制，包括數(shù)據(jù)采集、指令發(fā)送和軟件更新等操作都可以通過區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

區(qū)塊鏈技術(shù)的點(diǎn)對點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)傳輸和存儲的構(gòu)架、分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)的加密保護(hù)和驗(yàn)證機(jī)制以及方便可靠的費(fèi)用結(jié)算和支付。通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)，不同所有者的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以直接通過加密協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，去中心化特點(diǎn)將極大解決物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本。

點(diǎn)對點(diǎn)的分布式架構(gòu)就是P2P網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是建立在IP通信協(xié)議和分布式網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上的，它不依靠傳統(tǒng)的電路交換，而是建立于網(wǎng)絡(luò)通信之上，完全通過互聯(lián)網(wǎng)去交換信息。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)具有同等的地位，不存在任何特殊化的中心節(jié)點(diǎn)和層級結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)均會承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由、驗(yàn)證數(shù)據(jù)區(qū)塊等功能。分布式記賬網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

4.2 解決物聯(lián)網(wǎng)的隱私保護(hù)問題

區(qū)塊鏈技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了去中心化的可能性[4]，只要數(shù)據(jù)不是被單一的云服務(wù)提供商控制，并且所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過嚴(yán)格的加密處理，那么用戶的數(shù)據(jù)和隱私將會更加的安全。在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)被廣泛使用的今天[5]，用戶可以自己利用數(shù)據(jù)的價值而不是被運(yùn)營商進(jìn)行劫持和外協(xié)。

現(xiàn)在區(qū)塊鏈中應(yīng)用最為廣泛的非對稱加密算法就是橢圓曲線算法。非對稱加密算法指的就是存在一對數(shù)學(xué)相關(guān)的密鑰，使用其中一個密鑰進(jìn)行加密的數(shù)據(jù)信息，只有使用另一個密鑰才能對該信息進(jìn)行解密。這對密鑰中，對外公開的密鑰叫作公鑰，不公開的密鑰就叫作私鑰。圖3所示為比特幣加密算法，也是區(qū)塊鏈普遍所采用的算法。加上區(qū)塊鏈數(shù)字區(qū)塊上面的數(shù)字簽名、時間戳等技術(shù)和維護(hù)系統(tǒng)的共識算法一起構(gòu)成了區(qū)塊鏈的安全保障。

4.3 利用區(qū)塊鏈建立新的商業(yè)模式

未來物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是將設(shè)備連接在一起完成數(shù)據(jù)的采集，人們更加希望連入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備能夠具有一定的智能[6]，在給定的規(guī)則邏輯下進(jìn)行自主協(xié)作，完成各種具備商業(yè)價值的應(yīng)用。但是，具備商業(yè)價值的交互必須確保進(jìn)行操作的設(shè)備具有代表擁有者進(jìn)行交易的授權(quán)，并且這種授權(quán)能夠被直接驗(yàn)證。同時，由智能設(shè)備發(fā)出的交易請求需要可靠地記錄以確保交易的有效性。在當(dāng)前中心化構(gòu)架下的物聯(lián)網(wǎng)很難完成上述自主協(xié)作和有效交易，因?yàn)檫@種協(xié)作和交易的相關(guān)方往往是屬于不同的利益主體，具有復(fù)雜和難以確定的信任關(guān)系。因此，目前的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的協(xié)作和交易只能夠在同一信任域下進(jìn)行，也就是說協(xié)作和交易的設(shè)備必須是同一個物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營服務(wù)商提供或者進(jìn)行授權(quán)驗(yàn)證，這就大大降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的真正商業(yè)價值。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠提供去信任中介的直接交易，IBM公司和三星公司聯(lián)合研制的概念驗(yàn)證系統(tǒng)“自主去中心的點(diǎn)對點(diǎn)遙測”（AutonomousDecentralized Peer-to-Peer Telemetry，ADEPT），使用了區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建智能設(shè)備的分布式網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了去中心化物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的可行性。ADEPT能夠使得連入其中的設(shè)備之間能夠安全并高效地直接相互通信，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的商業(yè)邏輯。比如，通過智能合約控制家中的洗衣機(jī)在洗衣粉不夠的時候直接向供應(yīng)商下單進(jìn)行采購，區(qū)塊鏈技術(shù)使連入ADEPT的智能設(shè)備之間直接進(jìn)行訂單確認(rèn)和完成支付操作。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)在科技必不可少的一部分與未來新技術(shù)區(qū)塊鏈技術(shù)的結(jié)合，必將會促使物聯(lián)網(wǎng)邁向新的臺階，“區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)=無限可能”的場景有著極大的可能去實(shí)現(xiàn)。雖然在5G的發(fā)展下，物聯(lián)網(wǎng)的海量連接、廣域覆蓋、短時延問題會得到解決。但是物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)桎梏仍然沒有很好的解決方法，區(qū)塊鏈技術(shù)的橫空出世將再次引發(fā)物聯(lián)網(wǎng)新一次革命，在降低物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本，解決物聯(lián)網(wǎng)的隱私保護(hù)問題，建立新的商業(yè)模式等方面起著決定新的作用。當(dāng)然區(qū)塊鏈對于物聯(lián)網(wǎng)的其他方面也有著極大的作用，例如大數(shù)據(jù)記錄保存可以為物聯(lián)網(wǎng)參與者提供合適的解決方案，本文未一一闡述。

[參考文獻(xiàn)]

[1]LUIGI A， ANTONIO I， GIACOMO M.The Internet of Things：a survey [J].Computer Networks， 2010（15）：2787-2805.

[2]沈鑫.區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報，2016（11）：11-20.

[3]劉錦.我國物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].企業(yè)經(jīng)濟(jì)，2013（4）：114-117.

[4]朱巖.區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)中的安全性研究[J].信息安全研究，2016（12）：1090-1097.

[5]趙闊.區(qū)塊鏈技術(shù)驅(qū)動下的物聯(lián)網(wǎng)安全研究綜述[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2017（5）：1-6.

[6]謝輝.區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2016（9）：192-195.