◆郭藝杰 李維峰

淺談區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

◆郭藝杰1李維峰2

（1.中飛通用航空有限責(zé)任公司 陜西 710089；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 710089）

時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，它使得“事物”之間能夠相互通信，因此，形成了一個(gè)由設(shè)備組成的具有一定“感知”能力的網(wǎng)絡(luò)。盡管物聯(lián)網(wǎng)好處眾多，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中不乏安全和隱私等問(wèn)題。面對(duì)這些問(wèn)題，人們發(fā)明了區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)防篡改、高可靠性、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等方面具有先天優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)和區(qū)塊鏈技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，供相關(guān)讀者參考。

物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；分布式

物聯(lián)網(wǎng)就是將可使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議發(fā)現(xiàn)的對(duì)象連接而成的網(wǎng)絡(luò)。從更廣義的角度我們甚至可以說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了一切具有連通性和通信能力的“事物”。這些“事物”可以是任何東西，例如：傳感器、電子設(shè)備、家用電器或者是車輛。物聯(lián)網(wǎng)的概念源于我們世界中的物體將相互“交談”的想法；因此，形成一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)對(duì)象都可能具有通信能力以及一些“感知”和“驅(qū)動(dòng)”能力[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大致可以分為以下三種類型：1）面向互聯(lián)網(wǎng)的，可作為中間件；2）面向事物的，可提供感知能力；3）面向語(yǔ)義的，可提供知識(shí)。特定類型的適用性取決于應(yīng)用環(huán)境。多種類型的組合或單獨(dú)的物聯(lián)網(wǎng)可用于構(gòu)建此類智能應(yīng)用程序，旨在解決我們?nèi)粘Ｉ钪械年P(guān)鍵問(wèn)題[2]。

盡管物聯(lián)網(wǎng)有眾多好處，能夠解決很多問(wèn)題，但它仍然面臨挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)大多與安全和隱私問(wèn)題有關(guān)。一篇2018年在計(jì)算智能與數(shù)據(jù)科學(xué)國(guó)際會(huì)議上發(fā)表的論文指出了物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全問(wèn)題及眾多挑戰(zhàn)；其中安全問(wèn)題包括：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信模型中缺乏最佳控制角色以防止劫持和網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅等；隱私問(wèn)題包括：物聯(lián)網(wǎng)缺乏隱私保護(hù)模型，無(wú)法識(shí)別用戶的隱私期望等[3]。面對(duì)這些問(wèn)題，我們想到了區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)將為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨的部分問(wèn)題提供更好的解決方案。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種記錄信息的技術(shù)，它能夠保證被記錄的信息很難被更改、偽造或破解。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是交易的數(shù)字分類賬，它在區(qū)塊鏈上的整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中復(fù)制和分布。鏈中的每個(gè)區(qū)塊都包含許多交易記錄，每次在區(qū)塊鏈上發(fā)生新交易時(shí)，該交易的記錄都會(huì)添加到每個(gè)參與者的分類賬中。由多個(gè)參與者管理的去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)被稱為分布式賬本技術(shù)（DLT）。簡(jiǎn)單說(shuō)，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯糜诖鎯?chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)文件?；蛘撸酶鼘I(yè)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)開(kāi)放的分布式賬本（數(shù)據(jù)庫(kù)），這意味著區(qū)塊鏈中包含的數(shù)據(jù)分布（復(fù)制）到多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因此是去中心化的。

1 結(jié)合點(diǎn)分析

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的場(chǎng)景中，交互的事物或設(shè)備的數(shù)量會(huì)不斷增加。這些增加數(shù)量的設(shè)備將以互聯(lián)網(wǎng)作為媒介嘗試與每個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互。這就會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題，例如：在物聯(lián)網(wǎng)中，大部分收集的數(shù)據(jù)都保存在中央服務(wù)器內(nèi)，如果設(shè)備想要訪問(wèn)它們必須使用集中式網(wǎng)絡(luò)交互的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)流將通過(guò)中央服務(wù)器，此流程如圖1所示。

隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，集中式服務(wù)器將不是一種有效的方法[4]。目前實(shí)施的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都基于集中式服務(wù)器概念。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器從設(shè)備中收集信息，并通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器。中央服務(wù)器根據(jù)用戶的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。同樣的，大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也希望能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析和處理，但在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，已有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施處理能力無(wú)法提供有效的支持[5]。為了解決在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中處理海量數(shù)據(jù)的問(wèn)題，最直接的辦法就是增加互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，而最佳的辦法是使用分布式網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（PPN）、分布式文件共享（DFS）和自主設(shè)備協(xié)調(diào)（ADC）功能可以發(fā)揮作用[6]。區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠跟蹤大量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。區(qū)塊鏈允許物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)處理設(shè)備之間的事務(wù)，增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的隱私性和可靠性，使其更加穩(wěn)健。區(qū)塊鏈允許在分布式賬本的幫助下以更快的方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息傳遞，如圖1所示，使用區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流處理過(guò)程與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)不同。在使用區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)流來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò)-路由器-互聯(lián)網(wǎng)-分布式區(qū)塊鏈-分析-用戶。在這里，分布式賬本是防篡改的，不允許數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤解釋和錯(cuò)誤認(rèn)證。區(qū)塊鏈消除了物聯(lián)網(wǎng)中的單線程通信（STC），使系統(tǒng)更加可靠。

區(qū)塊鏈技術(shù)在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)[5-7]：

1）防篡改數(shù)據(jù)；

2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息傳遞的可能性；

3）高可靠性；

4）數(shù)據(jù)隱私保護(hù)；

5）記錄歷史操作；

6）記錄智能設(shè)備中舊的交易數(shù)據(jù)；

7）允許自我指導(dǎo)的運(yùn)作；

8）分布式文件共享；

9）取消單一控制權(quán)；

10）降低開(kāi)發(fā)龐大互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的成本；

11）加速交易。

區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用將改變?cè)S多工業(yè)和家庭應(yīng)用的交互方式。這包括在金融、醫(yī)療衛(wèi)生、物流、制造、能源、智能家居、智能汽車和智慧城市等領(lǐng)域。我以下介紹幾種典型應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流對(duì)比

2 智能醫(yī)療

區(qū)塊鏈技術(shù)有可能通過(guò)將患者置于醫(yī)療保健生態(tài)系統(tǒng)的中心并提高健康記錄的安全性、隱私性和互操作性來(lái)改變傳統(tǒng)醫(yī)療保健。這項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)使電子病歷更加高效、去中心化和安全，為健康信息交換提供一種新模式。在智能醫(yī)療領(lǐng)域，我們會(huì)面對(duì)如下需求：

1）數(shù)據(jù)共享能力：智能醫(yī)療系統(tǒng)必須支持一個(gè)通用平臺(tái)，利益相關(guān)者可以在其中輕松交換數(shù)據(jù)。這對(duì)于醫(yī)生需要立即訪問(wèn)患者過(guò)去記錄的緊急情況非常重要。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自被測(cè)患者可穿戴設(shè)備的健康數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果作出一定程度的響應(yīng)。

3）多數(shù)據(jù)源：用于應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)個(gè)人健康狀況的可穿戴和便攜式設(shè)備的數(shù)量激增。不同的公司開(kāi)發(fā)他們定制的設(shè)備并使用他們自己的數(shù)據(jù)格式。智能健康系統(tǒng)必須能夠在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。

4）支付系統(tǒng)：醫(yī)療保健提供者和患者都受益于高效的支付流程?；趨^(qū)塊鏈的支付系統(tǒng)可以通過(guò)消除中介顯著改善醫(yī)療保健領(lǐng)域的支付效率。

5）身份管理：醫(yī)療數(shù)據(jù)是私密且敏感的。確保只有合法實(shí)體才能訪問(wèn)數(shù)據(jù)非常重要。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，應(yīng)該有一個(gè)適當(dāng)?shù)纳矸莨芾硐到y(tǒng)。除了人類之外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也應(yīng)該在身份管理系統(tǒng)之下，以跟蹤哪個(gè)設(shè)備正在生成哪些數(shù)據(jù)。

已經(jīng)有人將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于解決智能醫(yī)療領(lǐng)域的上述需求。根據(jù)Q.Xia等人的論文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)[8]，可用于無(wú)信任環(huán)境中在醫(yī)療大數(shù)據(jù)托管人之間共享醫(yī)療數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)為大數(shù)據(jù)實(shí)體之間的云存儲(chǔ)庫(kù)中的共享醫(yī)療數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)來(lái)源、審計(jì)和控制。

3 智慧城市

根據(jù)上下文不同，智慧城市的概念有多種定義。有時(shí)它指的是智能，有時(shí)它表示生成和交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力。總的來(lái)說(shuō)，智慧城市結(jié)合了人、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、技術(shù)和數(shù)據(jù)，為市民提供更好的服務(wù)和生活體驗(yàn)。來(lái)自這些設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈上不可變的歷史數(shù)據(jù)共同為研究人員提供了巨大的機(jī)會(huì)，這使他們將獲得額外的優(yōu)勢(shì)，從稱為數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的新角度來(lái)看待智慧城市。在智慧城市領(lǐng)域一般有如下需求：

1）跟蹤：智慧城市應(yīng)用程序依賴于對(duì)城市里的人類和非人類元素的跟蹤。

2）連接性：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序通常需要無(wú)縫連接來(lái)交換數(shù)據(jù)。在智慧城市環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，這些應(yīng)用程序通常無(wú)法容忍延遲，其性能在很大程度上取決于設(shè)備的連接性。

3）隱私：對(duì)人類和非人類元素的跟蹤都涉及隱私問(wèn)題。在跟蹤人類時(shí)，是否跟蹤他們的面部是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。如何識(shí)別個(gè)人為他們提供量身定制的服務(wù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。跟蹤非人類元素，例如掃描汽車牌照，也會(huì)引起嚴(yán)重的隱私問(wèn)題。

4）可靠性：這是一個(gè)基本特征，因?yàn)榇蠖鄶?shù)智能城市應(yīng)用程序都用于自動(dòng)化。沒(méi)有高度的可靠性，在城市中運(yùn)行這樣的應(yīng)用程序是不安全的，如果出現(xiàn)很大的故障甚至可能對(duì)人們?cè)斐蓚Α?/p>

接下來(lái)我們將舉例說(shuō)明，集成物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈平臺(tái)如何在智慧城市中發(fā)揮重要作用。

1）運(yùn)輸：管理交通系統(tǒng)對(duì)任何現(xiàn)代城市來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?；趨^(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)集成的運(yùn)輸系統(tǒng)管理可以在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。這樣的系統(tǒng)將能夠持續(xù)感知乘客和車輛，以促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用和服務(wù)，例如設(shè)計(jì)地鐵列車和公共巴士的時(shí)間表，預(yù)測(cè)城市不同地區(qū)的通勤者需求，分配司機(jī)輪班，共享乘車，甚至管理智能汽車。

2）公用事業(yè)服務(wù)：電力和水管理一直是智慧城市最重要的要素之一。這包括智能電網(wǎng)、智能供水及其在利益相關(guān)者和消費(fèi)者端的管理。越來(lái)越多的人支持在家庭中使用可再生能源以及使用零排放電動(dòng)汽車進(jìn)行通勤，這為區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)共同發(fā)揮關(guān)鍵作用帶來(lái)了潛力。

3）公民參與：智慧城市通過(guò)讓市民參與活動(dòng)和娛樂(lè)活動(dòng)來(lái)幫助改善他們的生活方式。公園、圖書(shū)館、博物館、體育館、電影院、購(gòu)物中心等是現(xiàn)代城市中常見(jiàn)的各種公民參與形式?？梢允褂冒惭b在這些公共場(chǎng)所的支持物聯(lián)網(wǎng)的傳感器收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而區(qū)塊鏈將提供歷史信息的支柱，幫助機(jī)器學(xué)習(xí)或類似方法提出建議。

4 智能家居

物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備到設(shè)備通信領(lǐng)域的革命使智能家居或家庭自動(dòng)化成為近年來(lái)最賺錢的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一。隨著不同類型硬件、可擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)應(yīng)用程序的引入，家庭自動(dòng)化的使用在全球范圍內(nèi)迅速增加，未來(lái)將繼續(xù)增長(zhǎng)。從根本上說(shuō)，智能家居是具有內(nèi)置連接功能的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備可以通過(guò)使用通信協(xié)議相互通信。它使房主能夠通過(guò)集中式界面遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理家中的每臺(tái)電子設(shè)備。然而，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的混亂增長(zhǎng)也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，例如互操作性、可擴(kuò)展性、安全性和隱私性。區(qū)塊鏈可以在提高智能家居中的數(shù)據(jù)安全性、隱私、信任和可追溯性方面發(fā)揮重要作用。接下來(lái)我們從兩個(gè)例子說(shuō)明智能家居的實(shí)用性。

1）智能家電：智能電器是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫闹С治锫?lián)網(wǎng)的電器，例如冰箱、恒溫器、空調(diào)和安全警報(bào)器。據(jù)估計(jì)，到2025年底，全球智能家居工具和服務(wù)市場(chǎng)將達(dá)到980億美元。預(yù)計(jì)未來(lái)每一件家電都將與物聯(lián)網(wǎng)集成。這些功能將用于創(chuàng)建新穎的應(yīng)用程序，以便為家中的每個(gè)人提供更高水平的控制和舒適度。這些將有助于智能家居居民從世界任何地方監(jiān)控和控制任何家用電器。

2）健康與便利：上述所有功能的最終目標(biāo)是利用智能家電提高居民的幸福感和便利性。配備所需的智能設(shè)備后，智能家居應(yīng)該能夠監(jiān)控住戶的健康狀況和整體健康狀況。這對(duì)于擁有老年居民的家庭尤其重要。如果健康監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)到任何居民有危險(xiǎn)，會(huì)向急救中心發(fā)出警報(bào)。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)依靠強(qiáng)大的影響力正在逐步改變世界。雖然它在某些應(yīng)用環(huán)境中還存在著一些明顯的缺陷，但隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，這些缺陷將得以彌補(bǔ)。這種技術(shù)組合具有額外優(yōu)勢(shì)，為新型應(yīng)用打開(kāi)了機(jī)會(huì)之門。本文例舉了這兩種技術(shù)的結(jié)合以及在智能醫(yī)療、智慧城市及智能家居領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，希望借此推動(dòng)新興技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

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