區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

葛金新

（山東沂水經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì) 山東省沂水縣 276400）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)世界的自我感知和表達(dá)，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)域有著廣泛的應(yīng)用，引領(lǐng)人們步入智能化時(shí)代，顯著提高了社會(huì)的生產(chǎn)效率和人們的生活水平。但是由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自身的缺陷在給人們生活提供便利時(shí)也存在著泄露客戶隱私、數(shù)據(jù)被竊取篡改等問(wèn)題。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種通過(guò)利用區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證并且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、通過(guò)利用分布式一致性共識(shí)算法生成和更新數(shù)據(jù)、通過(guò)利用密碼學(xué)的方式保障數(shù)據(jù)訪問(wèn)和傳輸?shù)陌踩?、通過(guò)利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程構(gòu)建去中心化應(yīng)用操縱數(shù)據(jù)的全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。區(qū)塊鏈通過(guò)這樣的方式集體維護(hù)組成了一個(gè)完整的、可靠的去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了一種幾乎不可能被篡改的分布式共享總賬。區(qū)塊鏈本身所具有的去中心化結(jié)構(gòu)、容錯(cuò)能力、用戶匿名性、數(shù)據(jù)完整性和身份認(rèn)證等優(yōu)勢(shì)，可以有效解決物聯(lián)網(wǎng)中的安全信任和隱私問(wèn)題。

2 理論概述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)理論概述

根據(jù)2011 年我國(guó)發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》中給出的定義概念，物聯(lián)網(wǎng)是在通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相互融合之后的一種產(chǎn)物，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展和演化。物聯(lián)網(wǎng)主要是將具有通信能力的設(shè)備進(jìn)行相互連接，然后利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子通信技術(shù)、電子信息技術(shù)等對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)電子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行交互傳輸，并對(duì)所獲取的信息進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間的互聯(lián)互通，并賦予了物體自我表達(dá)能力和通信能力。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其創(chuàng)新應(yīng)用，在智能制造、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域迅速發(fā)展，改變了原有的生產(chǎn)模式，也為人們的生活帶來(lái)了前所未有的便利，但是也必須注意到物聯(lián)網(wǎng)在廣泛應(yīng)用過(guò)程中也面臨著諸多問(wèn)題。例如，單個(gè)節(jié)點(diǎn)被攻擊可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)受到威脅、獲取的數(shù)據(jù)被盜用或被篡改、用戶隱私被竊取等問(wèn)題。而區(qū)塊鏈最主要的特征就是去中心化，恰好為物聯(lián)網(wǎng)解決這些問(wèn)題提供了方案。

圖1：基于區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系基礎(chǔ)架構(gòu)

圖2：基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的智能自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由任意多節(jié)點(diǎn)通過(guò)融合去中心化計(jì)算、共識(shí)機(jī)制、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸技術(shù)，來(lái)共同維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)的新型密碼學(xué)系統(tǒng)，也稱為分布式賬本技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，區(qū)塊鏈具有去中心化、自治性、按照合約執(zhí)行、開(kāi)放性、不可篡改性等特征。區(qū)塊鏈包含了兩種類型的記錄：區(qū)塊（Block）和交易。交易是被存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的實(shí)際數(shù)據(jù)，而區(qū)塊則是交易的集合，記錄交易以何種順序成為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。這個(gè)分布式賬本由每個(gè)節(jié)點(diǎn)中所有的區(qū)塊鏈接而成，每個(gè)區(qū)塊中都包含有前一個(gè)區(qū)塊的hash 值并將其存放在pre-hash 字段中，像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表一樣組成了一個(gè)鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)天然的分布式特效和應(yīng)用場(chǎng)景中天然的多方參與特性，物聯(lián)網(wǎng)成為除金融以為區(qū)塊鏈技術(shù)最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

3.1 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯主要是對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、倉(cāng)儲(chǔ)和物流等環(huán)節(jié)進(jìn)行追溯和監(jiān)控，一般包括可追溯信息的收集、處理和查詢這3 個(gè)基本環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)下的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系是質(zhì)量溯源體系發(fā)展的較新研究成果，其主要包括基礎(chǔ)接入層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層四個(gè)層次。其中基礎(chǔ)接入層主要是通過(guò)傳感器、條碼設(shè)備、RFID 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)、GPS 定位裝置、監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等收集各種農(nóng)產(chǎn)品信息；數(shù)據(jù)庫(kù)層主要是對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息處理，并形成一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫(kù)；應(yīng)用層主要是為生產(chǎn)加工企業(yè)、消費(fèi)者、監(jiān)管部門等利益相關(guān)者提供農(nóng)產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)；展現(xiàn)層主要是展現(xiàn)一個(gè)具體的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)平臺(tái)，包含生產(chǎn)檢測(cè)子系統(tǒng)、加工管理子系統(tǒng)、物流運(yùn)輸子系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、流轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)的信息可視化，但是卻存在著信息可被篡改、信息數(shù)據(jù)易被竊取等問(wèn)題。而區(qū)塊鏈技術(shù)所具有的可追溯性、不可篡改性、去中心化、智能合約等特點(diǎn)恰好解決了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)法解決的一些難題。一是“物聯(lián)網(wǎng) + 區(qū)塊鏈”實(shí)現(xiàn)了信息來(lái)源可靠、傳輸過(guò)程不被篡改。首先物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集數(shù)據(jù)完全是由機(jī)器自動(dòng)獲取，確保了收集信息的準(zhǔn)確性；其次，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅植际綌?shù)據(jù)庫(kù)和參與節(jié)點(diǎn)共同認(rèn)證等實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)不可篡改。二是使隱私安全和數(shù)據(jù)共享能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。區(qū)塊鏈可以為每一個(gè)數(shù)據(jù)交易節(jié)點(diǎn)配備了私鑰和公鑰一對(duì)密鑰，公鑰起地址通信作用，私鑰對(duì)實(shí)際地址進(jìn)行加密簽名，只有具有對(duì)應(yīng)私鑰的主體才可以解密，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匿名傳輸，另外區(qū)塊鏈形成的是一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)。從而使隱私安全和數(shù)據(jù)共享同時(shí)得以實(shí)現(xiàn)。三是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約是去中心化的智能合約，各交易方之間沒(méi)有中介，也沒(méi)有大量紙質(zhì)的信用憑證，只需要執(zhí)行私有分布式賬戶上的智能合約，能夠顯著提高交易效率和降低交易成本。如圖1 所示。

3.2 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打破了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的思維方式，推動(dòng)醫(yī)療服務(wù)邁入“智慧醫(yī)療”新時(shí)代。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在健康管理、醫(yī)療物資管理和醫(yī)療過(guò)程管理三大領(lǐng)域。居民健康管理主要是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)健康指標(biāo)（血壓、血糖、血氧、心率等），為居民建立電子健康數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和智能健康預(yù)警，最大限度的實(shí)現(xiàn)健康促進(jìn)和對(duì)某些疾病的早期預(yù)防；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以打破時(shí)空限制為危重病患進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診和持續(xù)監(jiān)護(hù)服務(wù)，有效緩解不發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)療資源短缺問(wèn)題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)療資源管理是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)用藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)療廢棄物等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、追蹤，從而達(dá)到對(duì)醫(yī)療物資的高效管理。醫(yī)療過(guò)程管理是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)患者的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、監(jiān)測(cè)、分析，全面提高診療效率和準(zhǔn)確率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，顯著提高了醫(yī)療效率和醫(yī)療水平。

區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的疊加應(yīng)用可以進(jìn)一步完善醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)存在的不足。一是利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以建立P2P 端到端的去中心化的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)模式，將患者的診療信息和健康信息以帶有時(shí)間戳的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)存。在授權(quán)方面，采用區(qū)塊鏈共識(shí)算法分散地將控制權(quán)分配給患者個(gè)人，患者系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接電子病歷系統(tǒng)及健康檔案等系統(tǒng)通過(guò)P2P 網(wǎng)絡(luò)廣泛地獲取并分發(fā)數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)和共享效率，同時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源和訪問(wèn)記錄等信息對(duì)患者是透明的，且信息在傳輸過(guò)程中采用非對(duì)稱加密算法進(jìn)行了加密，采用智能合約設(shè)置不同角色的授權(quán)，并對(duì)不同角色的訪問(wèn)進(jìn)行記錄和審計(jì)，一定程度上建立了信任共享機(jī)制和隱私保護(hù)機(jī)制，也有利于醫(yī)患矛盾的減少；患者還可以通過(guò)手機(jī)等智能終端訪問(wèn)患者系統(tǒng)，并允許對(duì)個(gè)人的健康信息進(jìn)行查詢和修改，提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。二是區(qū)塊鏈技術(shù)的引入，其運(yùn)行機(jī)制一定程度上能夠解決患者數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的難題。三是區(qū)塊鏈采用分布式記賬方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療與護(hù)理數(shù)據(jù)的充分共享。

3.3 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的智能自動(dòng)駕駛汽車

隨著各種車載智能設(shè)備和各類傳感器的不斷豐富，自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，百度、京東、亞馬遜等科技巨頭紛紛加入到研發(fā)隊(duì)列。智能自動(dòng)駕駛汽車幾乎完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，例如可以根據(jù)油量或電量自主前往加油站或充電樁進(jìn)行補(bǔ)充，自動(dòng)對(duì)車上各個(gè)組成部件進(jìn)行檢測(cè)，自動(dòng)與4S 店或維修廠預(yù)約維修時(shí)間，并在指定時(shí)間自動(dòng)前往維修。智能自動(dòng)駕駛汽車雖然依托各種智能化的電子元器件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是依然是一個(gè)多方參與的場(chǎng)景，一旦出現(xiàn)事故，汽車生產(chǎn)商、車主和維修廠各方可能由于掌握數(shù)據(jù)不一致而各執(zhí)一詞，沒(méi)有可信的第三方進(jìn)行公正的裁決，而區(qū)塊鏈技術(shù)可以很好的解決此問(wèn)題。基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的智能汽車系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。汽車廠家在出廠時(shí)為汽車設(shè)置一個(gè)ID，并將汽車生產(chǎn)相關(guān)信息上傳到區(qū)塊鏈平臺(tái)，出廠后銷售商或者4S 店再將該車相關(guān)銷售信息上傳到區(qū)塊鏈平臺(tái)，汽車銷售之后所有的信息比如行駛記錄、充電或加油記錄、維修記錄、保險(xiǎn)等數(shù)據(jù)均自動(dòng)采集或者由相關(guān)人員實(shí)時(shí)上傳到區(qū)塊鏈平臺(tái)，區(qū)塊鏈的分布式記賬和不可篡改性在源頭上確保了上傳數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

3.4 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的共享經(jīng)濟(jì)模式

共享經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)就是物品的擁有者和使用者之間發(fā)生的物品使用權(quán)的臨時(shí)轉(zhuǎn)移。但是商品擁有者和使用者之間存在著信息不對(duì)稱的問(wèn)題，彼此之間互不信任。為了解決這個(gè)問(wèn)題可以搭建一個(gè)囊括物品擁有者、使用者、監(jiān)管者等多方在內(nèi)區(qū)塊鏈平臺(tái)，物品的擁有者上傳 物品狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字簽名；租用者提交共享申請(qǐng)并進(jìn)行數(shù)字簽名認(rèn)證；物品通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)采集物品狀態(tài)信息和共享前期被使用所產(chǎn)生的交易、評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)；租用者對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行交互印證，從而進(jìn)一步掌握物品的真實(shí)狀態(tài)。

4 區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)

4.1 區(qū)塊鏈工作模式對(duì)資源消耗較高

物聯(lián)網(wǎng)中所使用的的各種電子軟硬件設(shè)備普遍存在著運(yùn)算能力差、存儲(chǔ)能力低、電池續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題。因此區(qū)塊鏈應(yīng)用中的工作量證明機(jī)制（Proof of Work, PoW）對(duì)資源占用非常大，不適宜部署在物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊鏈2.0 技術(shù)采用的是PoW+PoS，并正逐步切換到權(quán)益證明機(jī)制，對(duì)資源占用依然非常高。另外區(qū)塊鏈技術(shù)采用分布式記賬的特性需要共識(shí)機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)資源需求也較高。

4.2 區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)設(shè)備存儲(chǔ)能力要求較高

物聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備往往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力較差，而區(qū)塊鏈在運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)是不斷增長(zhǎng)的，最后會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。2016 年比特幣的區(qū)塊鏈賬本的數(shù)據(jù)是80GB，到2017 年就達(dá)到了130GB，目前已經(jīng)超過(guò)了160GB，由于區(qū)塊鏈本身就是一個(gè)分布式總賬，產(chǎn)生的每一筆交易都會(huì)記錄在這個(gè)賬本之上，因此區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)還會(huì)繼續(xù)不斷增長(zhǎng)。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的膨脹性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的存儲(chǔ)能力提出了高要求。

4.3 區(qū)塊鏈信息反饋較慢

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息的采集、處理、反饋速度要求相對(duì)較高，而在區(qū)塊鏈中只要需要放入?yún)^(qū)塊鏈賬本中的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的層層驗(yàn)證。區(qū)塊鏈應(yīng)用中巨大的數(shù)據(jù)量會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)證速度變慢、信息反饋和報(bào)警反饋發(fā)生延時(shí)，從而降低了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的處理效率。例如，傳統(tǒng)的比特幣交易是每秒發(fā)生6 筆，再加上共識(shí)確認(rèn)，這需要6 個(gè)區(qū)塊，大約需要一個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈。

5 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用是未來(lái)的必然發(fā)展趨勢(shì)，區(qū)塊鏈具有的去中心化、不可篡改性、可追溯性可以完美彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)的缺點(diǎn)，雖然面臨著資源消耗較高、設(shè)備存儲(chǔ)能力要求較高、區(qū)塊鏈信息反饋較慢等幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展這些問(wèn)題都可以迎刃而解，區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。