區(qū)塊鏈技術(shù)作為當前國內(nèi)外的焦點技術(shù)之一，可能會對未來技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革產(chǎn)生重要影響，在物聯(lián)網(wǎng)中將會有廣闊的發(fā)展空間。本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展的基本情況，探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應用的主要方向，并在此基礎(chǔ)上分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應用中面臨的挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息通信技術(shù)高度集成和綜合應用的典范，正在與經(jīng)濟社會深度融合，深刻改變生產(chǎn)活動、社會管理、公共服務。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)中的普及和不斷深化，人類社會正進入“萬物互聯(lián)”的新時代，可穿戴設(shè)備、智能家電、自動駕駛汽車、智能機器人等數(shù)以百億計的新設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，也使得物聯(lián)網(wǎng)成為當今全球技術(shù)創(chuàng)新最活躍、應用空間最廣闊的領(lǐng)域之一。云計算、大數(shù)據(jù)、新一代移動通信技術(shù)與智能感知、行業(yè)應用相互交織，激蕩融合，不斷激發(fā)創(chuàng)新活力，成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新動力。區(qū)塊鏈技術(shù)作為當前國內(nèi)外的焦點技術(shù)之一，可能會對未來技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革產(chǎn)生重要影響。在物聯(lián)網(wǎng)中如何定位和應用區(qū)塊鏈技術(shù)值得進一步思考和探討。
區(qū)塊鏈的技術(shù)與應用情況
區(qū)塊鏈的概念首次在2008年底由化名中本聰(Satoshi Nakamoto)發(fā)表在比特幣論壇中的論文中提出。論文中區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)實現(xiàn)了比特幣的挖礦與交易。
區(qū)塊鏈是分布式數(shù)字存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術(shù)的集成應用。從狹義上講，區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義而言，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全、利用智能化合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算范式。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)相比，區(qū)塊鏈具備3個特點：一是數(shù)據(jù)的不可篡改性;二是系統(tǒng)集體維護;三是信息的公開透明。同時，相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，現(xiàn)階段的區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)吞吐量小，讀寫時延較大，更適合低頻率、小數(shù)據(jù)的可靠存儲和處理。
從現(xiàn)有的區(qū)塊鏈的技術(shù)應用看，區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)一般由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應用層組合。其中，數(shù)據(jù)層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊以及相關(guān)數(shù)據(jù)加密和時間戳等技術(shù);網(wǎng)絡(luò)層則包括分布式組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制等;共識層主要封裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各類共識算法;激勵層將經(jīng)濟因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中，主要包括經(jīng)濟激勵的發(fā)行機制和分配機制等;合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特征的基礎(chǔ);應用層則封裝了區(qū)塊鏈的各種應用。在這一模型中，基于時間戳的鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)、分布式節(jié)點的共識機制、靈活可編程的智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)最具創(chuàng)新性的技術(shù)環(huán)節(jié)。
全球區(qū)塊鏈應用探索非?；钴S，總體而言還處于小規(guī)模的概念驗證階段。當前的區(qū)塊鏈技術(shù)應用主要集中在兩個方面：一是在不同機構(gòu)或個人之間缺乏互信并缺少中介的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接交換。區(qū)塊鏈技術(shù)源于比特幣，是比特幣的底層數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，因此金融是區(qū)塊鏈應用最熱門的領(lǐng)域。美國Ripple公司早在2012年就已經(jīng)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)為多家銀行提供跨境轉(zhuǎn)賬、清算和支付服務，與SWIFT(環(huán)球同業(yè)銀行金融電訊協(xié)會)等傳統(tǒng)渠道相比，能夠節(jié)約1/3手續(xù)費，把跨行對賬等操作時間從數(shù)天壓縮到幾秒。區(qū)塊鏈在數(shù)字貨幣、支付結(jié)算、證券交易、互助保險等金融場景中的應用也受到高度重視。此外，在能源領(lǐng)域，美國公司Brooklyn MicroGrid等使用區(qū)塊鏈技術(shù)，智能電網(wǎng)的用戶無需通過電力公司就能進行電力資源的靈活交換。在醫(yī)療領(lǐng)域，瑞士公司HealthBank和美國公司Gem采用區(qū)塊鏈技術(shù)存儲醫(yī)療數(shù)據(jù)，幫助多家醫(yī)院和醫(yī)療機構(gòu)直接交換電子病歷。
二是用于重要數(shù)據(jù)的保全與可靠存儲。利用區(qū)塊鏈不可篡改的特點，重要數(shù)據(jù)(如權(quán)屬、協(xié)議、票據(jù)等法律文書)的保全成為應用探索的熱點。目前，愛沙尼亞、格魯吉亞等國家政府正嘗試采用區(qū)塊鏈技術(shù)對重要資產(chǎn)進行登記，開展了土地注冊、商業(yè)登記、電子征稅等重要信息的登記工作。美國法律服務公司Pryor Cashman推出了數(shù)字產(chǎn)品(如音樂、視頻等)的交易平臺“Monograph”，采用區(qū)塊鏈技術(shù)解決數(shù)字藝術(shù)品的權(quán)屬和認證問題。國內(nèi)網(wǎng)站“保全網(wǎng)”通過區(qū)塊鏈技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)金融平臺的身份信息、操作記錄以及保險業(yè)務中的保險憑證等電子數(shù)據(jù)的真實性進行認證，并與公證處和司法鑒定中心對接，可以提供公證書、司法鑒定報告等服務。
區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應用的思路探討
應該說，區(qū)塊鏈最核心的價值便是通過程序算法來建立一個公開透明的規(guī)則，以此為基礎(chǔ)來創(chuàng)立一個信任網(wǎng)絡(luò)，確保點對點之間的信任與交易的安全，這就摒棄了傳統(tǒng)的中心化的第三方機構(gòu)，也省去了統(tǒng)一的賬簿更新和驗證環(huán)節(jié)。而隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，構(gòu)建百億級設(shè)備的“巨系統(tǒng)”，物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全隱私保護、數(shù)據(jù)真實性保障、系統(tǒng)可擴展性和信息共享等的一系列挑戰(zhàn)，應用區(qū)塊鏈技術(shù)的空間十分廣闊?？傮w而言，區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應用主要在以下3個方面。
物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是通過傳感器等感知設(shè)備將物理世界的隱性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯性數(shù)據(jù)，進而從顯性數(shù)據(jù)中獲得客觀世界的運行規(guī)律和相關(guān)知識。作為物理世界在網(wǎng)絡(luò)信息空間的投射，物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳輸、處理過程中的真實性具有更高的要求，這也是區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中可能應用的主要方向之一。在產(chǎn)品追溯、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均有廣闊的應用空間。
以產(chǎn)品追溯為例。產(chǎn)品追溯是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應用領(lǐng)域之一，目前廣泛應用在農(nóng)牧產(chǎn)品原產(chǎn)地追溯，工業(yè)生產(chǎn)的原材料和零配件追溯，以及消費品防偽等方面。其主要實現(xiàn)方式是為追溯產(chǎn)品分配惟一的標識(可以是RFID射頻標簽、二維碼等多種形式)，在標識中關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的相關(guān)信息(如原產(chǎn)地信息、制造企業(yè)信息等)，采購該產(chǎn)品的企業(yè)或消費者可通過標識識別裝置(如RFID讀寫器、手機二維碼掃描等)對標識中的信息進行讀取，實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的追溯、真?zhèn)尾樵兊裙δ堋Ｔ诋a(chǎn)品溯源過程中應用區(qū)塊鏈技術(shù)，可形成多方參與且信息透明、共享、保真的溯源鏈。在產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、銷售等多個環(huán)節(jié)建立區(qū)塊鏈賬本，建立真品溯源的全程鏈式路徑，直達最終使用方或消費者。以肉類產(chǎn)品為例建立的溯源鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 肉類產(chǎn)品溯源鏈結(jié)構(gòu)
利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的溯源鏈，具有數(shù)據(jù)公開透明、不可偽造、不可篡改、不可撤銷的特點，能夠從技術(shù)上解決產(chǎn)品數(shù)據(jù)的真實性問題。在這一溯源鏈中，不論是生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)銷商、零售商，還是監(jiān)管部門均能夠基于溯源鏈對各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行共享，有效地解決了目前產(chǎn)品溯源中數(shù)據(jù)可能在某一環(huán)節(jié)遭到篡改而造成整體數(shù)據(jù)失真問題。另外在車聯(lián)網(wǎng)的V2X交互過程中，為了保證高即時性和高不確定性的路況信息在車輛之間的可靠性傳遞，避免由于數(shù)據(jù)信息真實導致失效，也可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建“路況鏈”，保障信息的透明、可靠傳遞。
區(qū)塊鏈技術(shù)增強物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性
隨著萬物互聯(lián)時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)安全威脅日益凸顯。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點分布廣;數(shù)量多，應用環(huán)境復雜，計算和存儲能力有限，這使得物聯(lián)網(wǎng)的安全性相對脆弱。隨著物聯(lián)網(wǎng)應用在工業(yè)、能源、電力、交通等國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)行業(yè)，一旦發(fā)生安全問題，將造成難以估量的損失。從伊朗的震網(wǎng)病毒攻擊核設(shè)施的事件、2015年底烏克蘭電網(wǎng)受木馬影響而局部停電事件到2016年美國發(fā)生的物聯(lián)網(wǎng)終端被木馬控制發(fā)起攻擊導致互聯(lián)網(wǎng)癱瘓的事件，物聯(lián)網(wǎng)安全問題日益突出。與安全相關(guān)的，還有物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)隱私保護。隨著物聯(lián)網(wǎng)平臺化的發(fā)展，對于行業(yè)用戶而言，如何保證物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)隱私也是亟需解決的問題之一。而不論是安全還是隱私保護，物聯(lián)網(wǎng)中應用的仍是在互聯(lián)網(wǎng)或通信網(wǎng)中常規(guī)的安全防護技術(shù)和手段。這種“嫁接”對物聯(lián)網(wǎng)本身在安全和數(shù)據(jù)隱私保護方面的特定要求考慮并不充分，也難以應對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量大幅度增長帶來的擴展性問題。物聯(lián)網(wǎng)的安全風險及安全需求如圖2所示。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)的安全風險及安全需求
區(qū)塊鏈技術(shù)的應用能夠在一定程度上提升物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)安全性，當前主要在以下方面起到重要作用。
一、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點合法性身份的鑒別。由于物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備有限的計算、存儲能力，造成感知設(shè)備上難以應用復雜度較高、對節(jié)點性能要求較高的安全措施，被仿冒的風險較高。區(qū)塊鏈的驗證和共識機制有助于識別合法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，避免非法或惡意的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點或設(shè)備的接入。
二、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隱私保護。集中式的物聯(lián)網(wǎng)方案由平臺對感知數(shù)據(jù)進行匯聚和處理。對于接入到物聯(lián)網(wǎng)平臺的行業(yè)用戶而言，面臨著物聯(lián)網(wǎng)平臺在未經(jīng)許可的方式下存儲和轉(zhuǎn)發(fā)涉及用戶隱私的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈帶來的分布式、無中心化結(jié)構(gòu)，以及對所有傳輸數(shù)據(jù)進行加密處理的方式，將能夠有效的解決這方面的問題。
三、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施安全性的提升。不論是構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)之上的物聯(lián)網(wǎng)應用，還是物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的集中式服務提供設(shè)備均是安全攻擊的重點。例如利用DDOS攻擊互聯(lián)網(wǎng)DNS服務器，或是DDOS攻擊基站或核心路由器等，均將造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。而利用區(qū)塊鏈技術(shù)將集中式服務改為分布式服務，能夠有效防范對關(guān)鍵核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的攻擊。
區(qū)塊鏈技術(shù)改變物聯(lián)網(wǎng)信息交換模式
物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將帶來百億級設(shè)備，而這些設(shè)備將分屬于不同的平臺，形成中心化的設(shè)備連接結(jié)構(gòu)。不同的設(shè)備獲得用戶的狀態(tài)信息都是片面的，但由于分屬不同的業(yè)務提供商、不同的平臺，因此設(shè)備之間無法進行直接信息的交換或交易。在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)信息交互模型下，設(shè)備之間的信息交互需要通過設(shè)備所屬平臺進行(當然信息交換的前提是設(shè)備所屬業(yè)務提供商之間已經(jīng)達成了一致)，這種信息交換模式不僅效率低，而且需要業(yè)務提供商之間達成一致，并需要平臺之間互聯(lián)互通技術(shù)的支持。物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的信息交換模式如圖3所示。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有信息交換模式
利用區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備商的部署，能夠快速、有效地建立設(shè)備之間的互信和交易網(wǎng)絡(luò)，推動物聯(lián)網(wǎng)信息交換模式從平臺之間的交換，向設(shè)備之間進行對等的信息交換或交易的方式轉(zhuǎn)變。去中心化的數(shù)據(jù)信息流動將能夠快速、準確地將相關(guān)信息進行關(guān)聯(lián)，碎片化的信息將形成系統(tǒng)化的信息，能夠更準確地反應客觀世界的運行狀態(tài)，促進業(yè)務和應用創(chuàng)新，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展開辟新的空間。
區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應用面臨的挑戰(zhàn)
雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應用場景，但也應該看到區(qū)塊鏈技術(shù)仍處于發(fā)展初期，主要面向的應用場景還是以金融、記賬等為主，其技術(shù)的先進性在逐步向其他領(lǐng)域擴展。因此在區(qū)塊鏈向物聯(lián)網(wǎng)擴展過程中，也應該考慮其面臨的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括但不限于以下3點。
一、區(qū)塊鏈技術(shù)的部署和實施需要由多個節(jié)點共同參與，但現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備的存儲和計算能力普遍受限，聯(lián)網(wǎng)能力也較弱。因此如何在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中部署區(qū)塊鏈技術(shù)、是否應在物聯(lián)網(wǎng)中采取分級的區(qū)塊鏈架構(gòu)，以及現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)需要做哪些方面的增強，都是需要考慮的問題;
二、很多物聯(lián)網(wǎng)應用對實時性要求較高，如車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等。而現(xiàn)有的區(qū)塊鏈共識機制普遍存在延時較大的問題(特別是隨著節(jié)點規(guī)模擴大，延時可能進一步增加)。共識延時可能引起反饋延時、告警延時，無法滿足現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，需要在技術(shù)上進行進一步改進;
三、目前區(qū)塊鏈在互聯(lián)網(wǎng)中的應用，僅在一定范圍內(nèi)、有限節(jié)點中開展。而一旦區(qū)塊鏈應用在物聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點數(shù)量將呈幾何級數(shù)增加，其頻繁的關(guān)系數(shù)據(jù)查詢請求將對現(xiàn)有的鏈式數(shù)據(jù)架構(gòu)提出非常嚴峻的挑戰(zhàn)。
當今時代，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)以前所未有的速度轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，深刻改變著全球格局。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊，面臨著難得的歷史機遇，也面臨著不少挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，能夠在一定程度上解決物聯(lián)網(wǎng)面臨的問題;同時物聯(lián)網(wǎng)提出的新的需求，也將為區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展注入新的活力。
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