熊強(qiáng)東
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區(qū)塊鏈技術(shù)和邊緣計(jì)算的結(jié)合,使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的深度開發(fā)具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。區(qū)塊鏈作為共享數(shù)據(jù)庫具有不可偽造、公開透明和追溯能力強(qiáng)的特征,邊緣計(jì)算作為數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用的開放平臺(tái),能夠?yàn)橛脩籼峁┙朔?wù),滿足智能化場(chǎng)景應(yīng)用請(qǐng)求,使得物聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)能力獲得顯著提升。
借助于云計(jì)算等技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的融合,當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展如火如荼,全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)提出, 2019-2025年,全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將翻一番以上,全球物聯(lián)網(wǎng)收入將增加兩倍以上達(dá)到1.1 萬億美元。雖然發(fā)展勢(shì)頭良好,但傳統(tǒng)基于云計(jì)算技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),仍然存在大量不可忽視的問題,給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大帶來了障礙。
當(dāng)前在物聯(lián)網(wǎng)中大量應(yīng)用了云計(jì)算技術(shù),雖然此舉充分利用了云端計(jì)算資源,但由于一方面物聯(lián)網(wǎng)終端需要將數(shù)據(jù)上傳,另一方面需要云端進(jìn)行計(jì)算之后再回傳計(jì)算結(jié)果,在相互網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中將耗費(fèi)了大量的時(shí)間,網(wǎng)絡(luò)存在一定的延遲,如遇網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好時(shí)延遲現(xiàn)象更為明顯,在需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析以進(jìn)行快速響應(yīng)的場(chǎng)景下,如虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急搶險(xiǎn)等,存在明顯不足。
現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大,一些連接的傳感器(例如相機(jī)或在引擎中工作的聚合傳感器)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),特別是一些視頻等多媒體信息。將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送至云端進(jìn)行處理,將占用很大的網(wǎng)絡(luò)寬帶,耗費(fèi)額外的成本,得不償失。
物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主體多為各單位,個(gè)人用戶很多時(shí)間難以按照個(gè)人意愿,對(duì)私人數(shù)據(jù)取向及用途加以限制和授權(quán)。另外,大量用戶信息需通過互聯(lián)網(wǎng)上傳云端處理,數(shù)據(jù)常集中存儲(chǔ)于中心數(shù)據(jù)庫中,大大增加了黑客中途盜取篡改數(shù)據(jù)以及破壞中心化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)。如何有效的為用戶的隱私提供保護(hù),現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域亟待解決的問題。
基于云技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),通常其控制信息來自于云端,一旦網(wǎng)絡(luò)中斷將導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn),使終端設(shè)備間的協(xié)同出現(xiàn)混亂和偏差。來自云端的控制信息延遲過大,同時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,如車聯(lián)網(wǎng)過于依賴云端,一旦出現(xiàn)突發(fā)事件無法快速處理數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)做出判斷,將導(dǎo)致自動(dòng)駕駛產(chǎn)生災(zāi)難性后果。
當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系主要依賴的是中心化的代理通信模式,不然就是服務(wù)器/用戶端模式,所有的設(shè)備都是通過云服務(wù)器驗(yàn)證設(shè)備身份的合法性和數(shù)據(jù)的正確性。一旦云服務(wù)器崩塌或被入侵,將導(dǎo)致設(shè)備間的信任失敗,甚至為不法分子所利用,偽造設(shè)備身份或信息加以大肆破壞。
由于存在上述問題,結(jié)合當(dāng)前新興的邊緣計(jì)算及區(qū)載鏈技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),非常有必要將兩者融入進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)中。
邊緣計(jì)算強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)源頭相近網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)為依托,通過充分融合存儲(chǔ)、計(jì)算等功能的開放式平臺(tái),對(duì)邊緣智能服務(wù)進(jìn)行就近提供,保證行業(yè)數(shù)字化所提出關(guān)鍵需求可得到最大限度滿足。一般來說,行業(yè)數(shù)字化所出需求,主要集中在:連接敏捷、優(yōu)化數(shù)據(jù)、安全保護(hù)、應(yīng)用智能、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)等方面[1]。
在物聯(lián)網(wǎng)中融入邊緣計(jì)算,在終端和云端之間增加以邊緣計(jì)算為核心邊緣端,形成“云、邊、端”協(xié)同效應(yīng),能取得明顯效果:
(1)可保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備做出更及時(shí)且有效的反應(yīng),在對(duì)云計(jì)算架構(gòu)所存在不足進(jìn)行彌補(bǔ)的基礎(chǔ)上,通過萬物互動(dòng)的方式,確保所構(gòu)建系統(tǒng)具有理想的完整性;
(2)真正做到串聯(lián)不同物聯(lián)設(shè)備,為不同類型及規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供接入、互動(dòng)的途徑;
(3)數(shù)據(jù)大量存儲(chǔ)于終端,有效防止信息在傳輸中的泄漏和對(duì)帶寬的大量占用,安全性和經(jīng)濟(jì)性更好
區(qū)塊鏈從本質(zhì)上講是一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫,存儲(chǔ)于其中的數(shù)據(jù)或信息,具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護(hù)等特征。基于這些特征,區(qū)塊鏈技術(shù)可在物聯(lián)網(wǎng)中建立堅(jiān)實(shí)的信任基礎(chǔ),創(chuàng)造了可靠的合作機(jī)制,并能提高物聯(lián)網(wǎng)的終端自治能力。它可以把物聯(lián)網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)的能力下放到各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn) ,核心節(jié)點(diǎn)僅控制核心內(nèi)容或做備份使用, 各邊緣節(jié)點(diǎn)為各自區(qū)域內(nèi)設(shè)備服務(wù),并可通過更加靈活的協(xié)作模式以及相關(guān)共識(shí)機(jī)制,完成原核心節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的認(rèn)證、賬務(wù)控制等功能,保證網(wǎng)絡(luò)的安全、可信和穩(wěn)定運(yùn)行。
在物聯(lián)網(wǎng)上,對(duì)邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合,可進(jìn)一步放大彼此的優(yōu)勢(shì),共同增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的能力:
(1)資源利用度提高業(yè)務(wù)應(yīng)用、區(qū)塊鏈可共用節(jié)點(diǎn)資源,降低云端資源開銷。通過快速向節(jié)點(diǎn)部署業(yè)務(wù)應(yīng)用、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的方式,在提高部署效率的基礎(chǔ)上,為相關(guān)軟件功能的實(shí)現(xiàn)助力。
(2)通信能力增強(qiáng)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和用戶側(cè)距離較近,若以向云端傳輸數(shù)據(jù)為參照,不僅傳播路徑變得更加可控,通信時(shí)延也將有所降低。可以充分利用現(xiàn)有方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,如基于邊緣節(jié)點(diǎn)緩存使用頻率較高的區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和賬本數(shù)據(jù),可使通信效率得到顯著提高,傳輸時(shí)延自然能夠獲得優(yōu)化。
(3)開放性增強(qiáng)。邊緣計(jì)算對(duì)物聯(lián)網(wǎng)固有網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行增強(qiáng),支撐區(qū)塊鏈應(yīng)用的實(shí)現(xiàn),幫助強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自身開放能力,保證所形成區(qū)塊鏈服務(wù)符合信任+信息的要求。
(4)安全協(xié)同能力增強(qiáng)。邊緣計(jì)算多源頭的處理方式和區(qū)塊鏈的特點(diǎn)正好契合,區(qū)塊鏈去中心化結(jié)構(gòu)正是能夠保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度,可有效分配、管理龐大的分布式邊緣計(jì)算資源。其次,區(qū)塊鏈也可保障邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)的完整性和防偽存證,在“端-邊-云”各方間實(shí)現(xiàn)去中心的認(rèn)證。此外,區(qū)塊鏈特有的不可篡改數(shù)據(jù)賬本特性,使得邊緣節(jié)點(diǎn)在分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的安全威脅得以解決,利用區(qū)塊鏈的共識(shí)算法,可使得邊緣計(jì)算在出現(xiàn)特定的節(jié)點(diǎn)宕機(jī)或被惡意操控的情形下仍能保持正常工作。
基于區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算所設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng),其系統(tǒng)架構(gòu)自下向上分為資源層、計(jì)算層、通信層、共識(shí)層、應(yīng)用層,各層內(nèi)容和作用如下:
該層主要為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,功能主要是向系統(tǒng)提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來源。
該層主要基于邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算,包括邊緣數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)、報(bào)警、響應(yīng)等功能。數(shù)據(jù)清洗:計(jì)算設(shè)備利用自身固有算力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單清洗,如一致性檢查,確保缺失值、無效值能得到有效處理;數(shù)據(jù)儲(chǔ)存;計(jì)算節(jié)點(diǎn)以設(shè)備儲(chǔ)存容量為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)允許條件完成數(shù)據(jù)上傳;報(bào)警信息推送:計(jì)算設(shè)備采用郵件、短信等形式推送報(bào)警信息;設(shè)備響應(yīng):計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)設(shè)備特性做出響應(yīng),確保設(shè)備性能符合要求、響應(yīng)及時(shí)有效。
該層主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信。物聯(lián)設(shè)備通信通過4G、5G、NB-IoT、以太網(wǎng)、串口總線、并口總線等通用的物理進(jìn)行通訊,可支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link 等協(xié)議。
該層主要基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共識(shí)達(dá)成、智能合約等功能。數(shù)據(jù)驗(yàn)證:主要用于驗(yàn)證物聯(lián)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的安全性、有效性、并對(duì)上傳數(shù)據(jù)做價(jià)值評(píng)估以及價(jià)值確認(rèn);數(shù)據(jù)存儲(chǔ):采用PFS 和BigChainDB 等方式對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);共識(shí)達(dá)成:利用一定協(xié)議機(jī)制使所有節(jié)點(diǎn)對(duì)接下來要生產(chǎn)出的區(qū)塊鏈的區(qū)塊達(dá)成一致;智能合約:通過編寫智能合約代碼將用戶的規(guī)則和區(qū)塊鏈的共識(shí)算法結(jié)合在一起,以保證用戶可以合法安全地使用區(qū)塊鏈上面的數(shù)據(jù),通過區(qū)塊鏈傳遞價(jià)值,它包括合約管理和合約接口兩大子功能,合約管理負(fù)責(zé)智能合約的部署、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等操作,合約接口則提供給外部系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。
應(yīng)用層應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場(chǎng)景和案例,實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商注冊(cè)、設(shè)備注冊(cè)、數(shù)據(jù)查詢、訪問服務(wù)、設(shè)備互動(dòng)等功能,并且結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開放DAPP 開發(fā)接口,可以通過開發(fā)DAPP 實(shí)現(xiàn)自定義功能。
基于邊緣計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),主要適用于以下幾類典型場(chǎng)景:
基于邊緣計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足對(duì)數(shù)據(jù)高一致性要求的應(yīng)用場(chǎng)景。以該系統(tǒng)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用為例,無論是業(yè)務(wù)跨節(jié)點(diǎn)交互,還是數(shù)據(jù)跨節(jié)點(diǎn)同步,都能保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性,也能滿足少數(shù)業(yè)務(wù)及節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)追溯的要求,且能保證數(shù)據(jù)做到實(shí)時(shí)同步,并能通過邊緣計(jì)算及時(shí)響應(yīng)各種變化。為滿足車聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)交互時(shí)效的嚴(yán)格要求,可通過縮短生成區(qū)塊的時(shí)長,由發(fā)起方聯(lián)合接收方,通過連接認(rèn)證的方式建立安全發(fā)送通道,完成摘要信息上鏈的提交,即可為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的可用性及完整性提供保證。
基于邊緣計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高公信度要求的、可作為證據(jù)存檔的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。以該系統(tǒng)應(yīng)用于視頻監(jiān)控為例,可有效的保證視頻的公信度?,F(xiàn)階段負(fù)責(zé)儲(chǔ)存監(jiān)控視頻的主體多為各單位,若有需要調(diào)閱視頻的特殊情況發(fā)生,部分單位考慮到調(diào)閱視頻可能使自身利益受損,往往會(huì)選擇篡改甚至刪除部分視頻,導(dǎo)致剩余數(shù)據(jù)無法使事實(shí)真相得以還原。而該系統(tǒng)以區(qū)塊鏈技術(shù)為依托,利用邊緣計(jì)算技術(shù)確保區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)在產(chǎn)生視頻文件后的第一時(shí)間就能得到相關(guān)元數(shù)據(jù)以及摘要信息,通過上鏈存儲(chǔ)視頻信息、名稱及時(shí)間戳。調(diào)取視頻時(shí),由邊緣計(jì)算對(duì)上述信息進(jìn)行二次生成,若生成信息和儲(chǔ)存信息相同,則代表視頻沒有經(jīng)過篡改或刪除,即可被用來還原事實(shí)真相。
基于邊緣計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高安全性要求的、用于認(rèn)證的應(yīng)用場(chǎng)景。以該系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)真實(shí)性認(rèn)證為例,剛出廠的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,其簽名數(shù)字證書、公私鑰,均由生產(chǎn)商進(jìn)行寫入,隨后生產(chǎn)商便可向認(rèn)證系統(tǒng)發(fā)出設(shè)備發(fā)布的申請(qǐng),待認(rèn)證系統(tǒng)確認(rèn)證書無誤后,可將相關(guān)信息儲(chǔ)存在區(qū)塊鏈上。若邊緣計(jì)算應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)終端有建立連接的需求,先由物聯(lián)網(wǎng)終端將證書標(biāo)識(shí)發(fā)送給邊緣計(jì)算應(yīng)用,再由邊緣計(jì)算應(yīng)用根據(jù)證書查詢結(jié)構(gòu),將其狀態(tài)回傳給認(rèn)證系統(tǒng),物聯(lián)網(wǎng)終端重復(fù)上述操作,便可進(jìn)入握手流程,建立起安全傳輸通道。
基于邊緣計(jì)算技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高高效率要求的、自治性強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景。以該系統(tǒng)應(yīng)用于智慧城市為例,遍布城市各處的廣義傳感器和智能設(shè)備,組成了龐大的物聯(lián)網(wǎng),通過不間斷的檢測(cè),來偵聽城市的核心子系統(tǒng)的運(yùn)行情況。采用系統(tǒng)中的邊緣計(jì)算技術(shù),分布于城市各處的傳感器和智能設(shè)備,不必再將數(shù)據(jù)上傳至“城市大腦”云計(jì)算中心來處理,而是就近通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析、預(yù)處理、聯(lián)合控制及告警,及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)做出反饋,即使在云計(jì)算中心出現(xiàn)異常故障下,各個(gè)子系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定程度的自治,將有效緩解城市大腦計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等壓力。
基于邊緣計(jì)算及區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng),在今后的發(fā)展道路上,將面臨以下幾個(gè)主要挑戰(zhàn):
首先是要提升技術(shù)成熟度。即便區(qū)塊鏈有十年左右的發(fā)展時(shí)間,但其成熟度與傳統(tǒng)技術(shù)的差距仍極為明顯,另外國內(nèi)從事區(qū)塊鏈、邊緣應(yīng)用開發(fā)工作的工程師數(shù)量有限,應(yīng)用開發(fā)速度自然無法得到提升,需要進(jìn)一步加快技術(shù)的推廣和普及。
其次是要降低資源開銷。智能合約以及共識(shí)機(jī)制的加入,無形中加大了區(qū)塊鏈的資源開銷,在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延給邊緣計(jì)算造成的影響尚不十分明確的當(dāng)下,資源給下沉位置較低節(jié)點(diǎn)所帶來的制約有目共睹,需要尋求更高效的解決方案。
再次是要強(qiáng)化邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力。從理論上說,邊緣計(jì)算可經(jīng)由數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)完成,但受平臺(tái)異構(gòu)問題影響,不同網(wǎng)絡(luò)往往對(duì)應(yīng)不同邊緣形式、不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間,這在無形中增加了開發(fā)程序的難度,需要挖掘更多高兼容性的協(xié)同計(jì)算方法。
最后是要安全與效率兼顧。受邊緣計(jì)算服務(wù)器實(shí)際計(jì)算力的限制,在具有私有性的物聯(lián)網(wǎng)體系中,比較現(xiàn)實(shí)可行的方法是采用“白名單制”,即免去“挖礦”達(dá)成共識(shí)機(jī)制的過程,但是如果有設(shè)備冒充物聯(lián)網(wǎng)終端白名單設(shè)備與移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行交互,則很容易引發(fā)安全問題,需要進(jìn)一步尋求更可靠的安全機(jī)制。
事實(shí)證明,基于區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),通過萬物互聯(lián)和設(shè)備互通,在改變現(xiàn)有工作生活模式的基礎(chǔ)上,能確立起全新的、高效的、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用生態(tài)圈,一方面可使人類生活體驗(yàn)更加美好,另一方面有利于人類命運(yùn)共同體的構(gòu)筑,該課題未來仍將是研究重點(diǎn),應(yīng)引起重視。