基于區(qū)塊鏈的5G、物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用研究

劉會(huì)霞　劉路希

摘 要：本文簡(jiǎn)述物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，介紹物聯(lián)網(wǎng)目前存在的一些問題，并闡述區(qū)塊鏈對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的促進(jìn)作用，將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、跨域協(xié)同與共享，同時(shí)介紹基于區(qū)塊鏈的5G、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用方案，希望能為未來區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;5G;物聯(lián)網(wǎng)（IoT）;分布式存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TN929.5;TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0030-03

Research and Analysis of 5G IoT Based on Blockchain

LIU Huixia LIU Luxi

（1.Henan Police College，Zhengzhou Henan 450046;2.Information Center of China North Industries Group Corporation，

Beijing 100089）

Abstract： This paper briefly describes the basic concept of the Internet of things， introduces some problems existing in the Internet of things at present， and makes some descriptions on the promotion of the blockchain to the Internet of things， data security， data sharing and cross-domain collaboration are realized by fusing block chain technology with Internet of Things and 5G technology， it is hoped to have some reference value for the future research of blockchain IoT.

Keywords： blockchain;5G;Internet of Things（IoT）;distributed storage

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)及車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用規(guī)模呈爆炸式增長。《物聯(lián)網(wǎng)感知社會(huì)論》中提到，物聯(lián)網(wǎng)是面向?qū)嶓w世界，以感知互動(dòng)為目的，以社會(huì)化屬性為核心，關(guān)注實(shí)體世界的事件，超越智能化，超越互聯(lián)網(wǎng)，建立在智能化和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的物理與信息深度融合的全新體系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅為人們的生活帶來了極大便利，而且為世界的發(fā)展帶來了機(jī)會(huì)，提升了社會(huì)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。物聯(lián)網(wǎng)建立了物理世界與信息世界的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了物理世界中物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤及監(jiān)督等功能，獲取了物理世界的信息。在這種背景下，物聯(lián)網(wǎng)的隱私安全和數(shù)據(jù)保護(hù)變得越來越重要。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與保護(hù)信息安全，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚待深入研究[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)涵蓋所有與互聯(lián)網(wǎng)相連事物的總稱。物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)主要可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層。在長期發(fā)展演進(jìn)過程中，物聯(lián)網(wǎng)使得人們的生活趨向智能化。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）和5G等技術(shù)的發(fā)展使萬物互聯(lián)成為現(xiàn)實(shí)。目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在向制造、政務(wù)、金融、交通及醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)展，同時(shí)也帶來了一系列問題。

1.1 成本較高

物聯(lián)網(wǎng)擁有數(shù)以億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，用來實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)海量信息。在中心化組網(wǎng)的方式下，這些設(shè)備都連接到中心化云和大型服務(wù)器上，因此對(duì)云和中心服務(wù)器的性能要求越來越高，導(dǎo)致成本越來越高，每一次互動(dòng)傳輸都將產(chǎn)生昂貴的流量成本。另外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要周期性更新迭代其軟件和功能，且中心化的平臺(tái)維修、升級(jí)也帶來了較高的成本開銷。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性差

很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存儲(chǔ)有隱私信息，且以中心化的方式部署，一旦中心數(shù)據(jù)庫受到惡意攻擊，會(huì)對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)造成很大的破壞。可見，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性差。

1.3 缺乏隱私安全與保護(hù)

目前，物聯(lián)網(wǎng)具有分布式節(jié)點(diǎn)多、海量數(shù)據(jù)傳輸和云存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)中心化等特點(diǎn)。其中，節(jié)點(diǎn)多導(dǎo)致出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)多，且不能判斷具體故障節(jié)點(diǎn)，增加了隱私保護(hù)的難度;海量數(shù)據(jù)傳輸和云存儲(chǔ)容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，造成隱私泄露;數(shù)據(jù)中心化存儲(chǔ)造成數(shù)據(jù)集中，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄密，隱私信息將大量、災(zāi)難性暴露。物聯(lián)網(wǎng)隱私信息的生命周期時(shí)間跨度較長和多層次的特點(diǎn)，使得隱私保護(hù)更加困難。隱私信息在采集、傳輸、存儲(chǔ)及使用等一系列過程中，在存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等結(jié)構(gòu)中，都存在泄露和竊取風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺乏信任機(jī)制

物聯(lián)網(wǎng)涉及很多領(lǐng)域，不同運(yùn)營商、企業(yè)之間存在互信問題;物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備之間缺乏信任機(jī)制，過度依賴中心化數(shù)據(jù)庫;物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)過多個(gè)主體，如傳感器、芯片、邊緣計(jì)算、云SaaS服務(wù)、位置計(jì)算服務(wù)及智能調(diào)度等。因?yàn)椴煌瑓⑴c方的通信標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證方式不同，所以他們之間存在數(shù)據(jù)難以互信的問題[2]。

2 基于區(qū)塊鏈的5G、物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈于2008年由中本聰提出。區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际劫~本技術(shù)、共識(shí)機(jī)制、智能合約和密碼學(xué)的綜合應(yīng)用，是以比特幣為代表的數(shù)字機(jī)密貨幣的支撐技術(shù)。區(qū)塊鏈運(yùn)用了密碼學(xué)、Hash函數(shù)、分布式共識(shí)和智能合約等手段，在無須借助第三方的平臺(tái)下，在互不了解的多方之間建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，主要特征優(yōu)勢(shì)是去中心化。目前，區(qū)塊鏈作為一種去中心化、不可篡改、可追溯以及多方共同維護(hù)的分布式數(shù)據(jù)庫，在很多方面獲得了較為廣泛的應(yīng)用[3]。

2.2 5G技術(shù)

第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱“5G網(wǎng)絡(luò)”或“5G”）是為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)型社會(huì)并實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的宏偉目標(biāo)而提出的下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。相比于4G來說，5G在寬帶、時(shí)延等各個(gè)方面都有了質(zhì)的提高。5G運(yùn)用通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到萬物互聯(lián)的效果，可為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。根據(jù)IMT-2020推進(jìn)組的規(guī)劃，未來5G應(yīng)達(dá)到“三高兩低”5個(gè)基本要求，即高速率、高容量、高可靠性、低延時(shí)與低能耗。5G將以創(chuàng)新為基本理念，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，成為敏捷化、服務(wù)化與軟件化的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)，并能夠服務(wù)于各行各業(yè)。可見，5G已經(jīng)成為新一輪信息技術(shù)的熱點(diǎn)課題[4]。

2.3 基于區(qū)塊鏈的5G、物聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用方案

區(qū)塊鏈與5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合解決了很多弊端，并為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來了新的生機(jī)。區(qū)塊鏈能夠在沒有第三方的情況下將交易雙方相互信任地聯(lián)系在一起，建立一個(gè)多邊團(tuán)體，為5G無線網(wǎng)絡(luò)的跨各方整合和共享各種資源提供強(qiáng)有力的支撐平臺(tái)。區(qū)塊鏈無線接入網(wǎng)（Blockchain-Radio Access Network Beyond，B-RAN）是以區(qū)塊鏈為技術(shù)支撐平臺(tái)的去中心化的、可信任的無線接入范式，如圖1所示。通過有效聚集和共享大量信息資源，區(qū)塊鏈在多種功能上都有所加強(qiáng)，其中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是很重要的一方面，還有車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)連接、移動(dòng)邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片和能源交易等。區(qū)塊鏈無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了一個(gè)多邊平臺(tái)的作用，通過網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)吸引更多的參與者，通過通信、計(jì)算、緩存和控制單元的集成和協(xié)調(diào)，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供智能服務(wù)。

區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的融合解決了許多物聯(lián)網(wǎng)存在的成本問題、安全問題和信任問題。在融合框架中，數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)、區(qū)塊鏈服務(wù)器和云服務(wù)器相互聯(lián)系，為數(shù)據(jù)共享提供了平臺(tái)支撐。數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)由各種提供數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成，如自動(dòng)駕駛車輛、移動(dòng)設(shè)備以及傳感器等，將共享數(shù)據(jù)的具體情況上報(bào)給區(qū)塊鏈服務(wù)器，使得區(qū)塊鏈可以根據(jù)具體情況為其匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)，待匹配成功后，將發(fā)送授權(quán)令牌給數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)，用于和云服務(wù)器的驗(yàn)證。數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)由各種需要數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如自動(dòng)駕駛車輛、數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)等，可向區(qū)塊鏈服務(wù)器發(fā)送共享請(qǐng)求。為了支付數(shù)據(jù)共享費(fèi)用，它還需要兌換一定數(shù)量的共享幣。區(qū)塊鏈服務(wù)器由賬戶服務(wù)器、交易服務(wù)器和共識(shí)服務(wù)器3個(gè)實(shí)體構(gòu)成。賬戶服務(wù)器類似于銀行，負(fù)責(zé)共享幣的發(fā)行，并記錄節(jié)點(diǎn)的余額;交易服務(wù)器用來處理申請(qǐng)數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求，并為數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)，而數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)根據(jù)需求可能是一個(gè)或者多個(gè);共識(shí)服務(wù)器由多個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)區(qū)塊的打包、驗(yàn)證和記錄，維護(hù)區(qū)塊鏈賬本的一致性。云服務(wù)器存儲(chǔ)著數(shù)據(jù)的云端，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)的加密數(shù)據(jù)datak。數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)對(duì)明文數(shù)據(jù)使用對(duì)稱密鑰Dk進(jìn)行加密得到datak。當(dāng)數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求訪問此數(shù)據(jù)時(shí)，云服務(wù)器首先驗(yàn)證授權(quán)令牌，待驗(yàn)證通過后再將對(duì)應(yīng)的加密數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)、區(qū)塊鏈服務(wù)器和云服務(wù)器相輔相成，形成數(shù)據(jù)共享框架和數(shù)據(jù)共享流程。

3 區(qū)塊鏈與5G、物聯(lián)網(wǎng)融合效果

3.1 直接互聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)，降低運(yùn)維成本

物聯(lián)網(wǎng)具備分布式特征。物聯(lián)網(wǎng)中的海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備按照各自交互作用中的角色產(chǎn)生數(shù)以億計(jì)的交易，與區(qū)塊鏈分布式特征的P2P網(wǎng)絡(luò)高度契合。通過區(qū)塊鏈分布式計(jì)算處理物聯(lián)網(wǎng)中的海量交易，能夠顯著降低與建立和維護(hù)龐大的中心化數(shù)據(jù)庫相關(guān)的成本。同時(shí)，為了降低計(jì)算和儲(chǔ)存成本，可以利用分布在不同位置的閑置設(shè)備的計(jì)算力、存儲(chǔ)容量和寬帶進(jìn)行交易處理。

區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備放入?yún)^(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行管理，分布式存儲(chǔ)和處理設(shè)備信息、狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)，提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備鑒權(quán)、狀態(tài)管理、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、多設(shè)備協(xié)同的效率，也能夠有效解決物聯(lián)網(wǎng)多方主體間的可信數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式物聯(lián)網(wǎng)的去中心化控制。另外，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠解決物理資產(chǎn)與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)映射的可信性問題，保證原生數(shù)據(jù)是真實(shí)的。

區(qū)塊鏈技術(shù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)模式、分布式存儲(chǔ)等技術(shù)特點(diǎn)，彌補(bǔ)了物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，不僅降低了物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營成本，也使得物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署、穩(wěn)定運(yùn)行成為可能。

3.2 保證數(shù)據(jù)安全

區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在受到破壞時(shí)能保證一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)即使遭到攻破其他節(jié)點(diǎn)也不會(huì)受到影響。

3.3 保證隱私安全

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)，利用隱私數(shù)據(jù)區(qū)塊化、去中心化存儲(chǔ)以及信息分級(jí)的智能合約保護(hù)等方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)。

第一，將物聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)塊化，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊只包含完整信息的一部分，且采用哈希函數(shù)進(jìn)行非對(duì)稱加密，這樣即使受到攻擊，一個(gè)區(qū)塊也很難獲取完整數(shù)據(jù)。

第二，區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制等特點(diǎn)可保證各節(jié)點(diǎn)之間在安全可靠一致性的前提下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地采集、驗(yàn)證、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免中心化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高風(fēng)險(xiǎn)問題，從而減少隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。

第三，智能合約將依據(jù)數(shù)據(jù)和事件輸入執(zhí)行合約代碼，并根據(jù)約定將隱私信息按照不同等級(jí)采取不同的保護(hù)措施[5]。

3.4 建立物聯(lián)網(wǎng)的互信機(jī)制

區(qū)塊鏈去中心化特性有助于構(gòu)建多方互信。它的分布式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)不可篡改可全程追溯等特性也將大大降低各方的信任成本?？尚艛?shù)據(jù)的自由流通使得價(jià)值物聯(lián)網(wǎng)成為可能。

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證方式是設(shè)備與服務(wù)器之間的一對(duì)一認(rèn)證。區(qū)塊鏈基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)，采用非對(duì)稱加密、時(shí)間戳以及共識(shí)機(jī)制等技術(shù)，去除中心化認(rèn)證機(jī)制，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，基于共識(shí)機(jī)制進(jìn)行設(shè)備接入的認(rèn)證與管理，保證設(shè)備接入的合法性，從而建立設(shè)備之間的不依賴可信第三方的安全互聯(lián)。

3.5 5G為區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)提供通信保障

區(qū)塊鏈?zhǔn)屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)體量和賬本數(shù)據(jù)量的逐步擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)間的通信需要高性能、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)為支撐，否則可能造成區(qū)塊鏈的性能瓶頸。高速率、低延時(shí)以及廣連接等5G特征為區(qū)塊鏈應(yīng)用空間和系統(tǒng)性能的提升提供了有效支撐。5G與區(qū)塊鏈融合，使得區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以達(dá)到高速同步，減少了差異數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，大大提高了數(shù)據(jù)一致性，提高了共識(shí)算法的效率。同時(shí)，它還大大提升了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減少了因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲帶來的差錯(cuò)和分叉，也提高了區(qū)塊鏈的性能。

快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生更多的終端傳感設(shè)備，使得接入網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多，且設(shè)備采集的數(shù)據(jù)大幅度增多且更加復(fù)雜。另外，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求更高，要求數(shù)據(jù)快速進(jìn)行傳輸和處理，且要求信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸。物聯(lián)網(wǎng)這些發(fā)展需求都能由5G網(wǎng)絡(luò)的高傳輸容量、傳輸速率和高可靠性滿足，因此5G與物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用必將在很大程度上促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

4 結(jié)語

在區(qū)塊鏈發(fā)展如日中天、5G逐漸步入大眾視野以及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展遇到瓶頸的情況下，將區(qū)塊鏈、5G及物聯(lián)網(wǎng)相融合應(yīng)用于實(shí)際，成為一個(gè)非常具有研究意義的話題。區(qū)塊鏈為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供了一個(gè)分布式去中心化的平臺(tái)，運(yùn)用密碼學(xué)、共識(shí)機(jī)制以及塊鏈結(jié)構(gòu)等多種技術(shù)解決了物聯(lián)網(wǎng)存在的數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等問題。5G為物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈提供了通信保障，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的融合。雖然很多現(xiàn)存的問題得到了解決，但是仍面臨很多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步探索研究其關(guān)鍵技術(shù)，使區(qū)塊鏈與5G、物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用得到更好的發(fā)展。

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