区块链技术在物联网系统中的应用

2020-02-03葛金新

电子技术与软件工程 2020年14期

葛金新

（山东沂水经济开发区管理委员会山东省沂水县 276400）

1 引言

物联网技术实现了物质世界的自我感知和表达，在智慧城市、车联网、智能医疗、智能供应链、智慧农业等领域有着广泛的应用，引领人们步入智能化时代，显著提高了社会的生产效率和人们的生活水平。但是由于物联网技术自身的缺陷在给人们生活提供便利时也存在着泄露客户隐私、数据被窃取篡改等问题。区块链技术是一种通过利用区块链式结构来验证并且存储数据、通过利用分布式一致性共识算法生成和更新数据、通过利用密码学的方式保障数据访问和传输的安全性、通过利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程构建去中心化应用操纵数据的全新的分布式基础架构与计算范式。区块链通过这样的方式集体维护组成了一个完整的、可靠的去中心化数据库，形成了一种几乎不可能被篡改的分布式共享总账。区块链本身所具有的去中心化结构、容错能力、用户匿名性、数据完整性和身份认证等优势，可以有效解决物联网中的安全信任和隐私问题。

2 理论概述

2.1 物联网理论概述

根据2011 年我国发布的《物联网白皮书》中给出的定义概念，物联网是在通信网和互联网相互融合之后的一种产物，并在此基础上进行了拓展和演化。物联网主要是将具有通信能力的设备进行相互连接，然后利用互联网技术、电子通信技术、电子信息技术等对物理世界进行感知识别，通过电子通信网络对相关信息进行交互传输，并对所获取的信息进行综合分析，进而实现对物体进行远程实时监测、控制和管理的目的。物联网实现了人与物、物与物之间的互联互通，并赋予了物体自我表达能力和通信能力。近年来，物联网技术及其创新应用，在智能制造、智能家居、智慧城市等领域迅速发展，改变了原有的生产模式，也为人们的生活带来了前所未有的便利，但是也必须注意到物联网在广泛应用过程中也面临着诸多问题。例如，单个节点被攻击可导致整个系统受到威胁、获取的数据被盗用或被篡改、用户隐私被窃取等问题。而区块链最主要的特征就是去中心化，恰好为物联网解决这些问题提供了方案。

图1：基于区块链、物联网技术的农产品追溯体系基础架构

图2：基于区块链和物联网的智能自动驾驶汽车系统架构

2.2 区块链技术概述

区块链是一种由任意多节点通过融合去中心化计算、共识机制、分布式数据存储和点对点传输技术，来共同维护一个可靠数据库的新型密码学系统，也称为分布式账本技术。相比于传统的分布式数据库，区块链具有去中心化、自治性、按照合约执行、开放性、不可篡改性等特征。区块链包含了两种类型的记录：区块（Block）和交易。交易是被存储在区块链上的实际数据，而区块则是交易的集合，记录交易以何种顺序成为区块链数据库的一部分。这个分布式账本由每个节点中所有的区块链接而成，每个区块中都包含有前一个区块的hash 值并将其存放在pre-hash 字段中，像数据结构中的链表一样组成了一个链式的结构。由于物联网系统天然的分布式特效和应用场景中天然的多方参与特性，物联网成为除金融以为区块链技术最热门的应用领域。

3 区块链在物联网中的应用场景分析

3.1 基于区块链和物联网的农产品质量溯源

农产品质量追溯主要是对农产品的生产、加工、仓储和物流等环节进行追溯和监控，一般包括可追溯信息的收集、处理和查询这3 个基本环节。物联网技术架构下的农产品质量溯源体系是质量溯源体系发展的较新研究成果，其主要包括基础接入层、数据库层、应用层和展现层四个层次。其中基础接入层主要是通过传感器、条码设备、RFID 无线射频识别技术、GPS 定位装置、监控设备、网络设备等收集各种农产品信息；数据库层主要是对收集的数据信息处理，并形成一个农产品信息数据库；应用层主要是为生产加工企业、消费者、监管部门等利益相关者提供农产品信息数据；展现层主要是展现一个具体的农产品质量安全追溯系统平台，包含生产检测子系统、加工管理子系统、物流运输子系统等功能子系统。

基于物联网技术建立的农产品质量溯源系统虽然实现了农产品生产、加工、流转等环节的信息可视化，但是却存在着信息可被篡改、信息数据易被窃取等问题。而区块链技术所具有的可追溯性、不可篡改性、去中心化、智能合约等特点恰好解决了物联网技术无法解决的一些难题。一是“物联网 + 区块链”实现了信息来源可靠、传输过程不被篡改。首先物联网平台收集数据完全是由机器自动获取，确保了收集信息的准确性；其次，区块链使用分布式数据库和参与节点共同认证等实现了数据不可篡改。二是使隐私安全和数据共享能同时实现。区块链可以为每一个数据交易节点配备了私钥和公钥一对密钥，公钥起地址通信作用，私钥对实际地址进行加密签名，只有具有对应私钥的主体才可以解密，实现数据匿名传输，另外区块链形成的是一个共享数据库。从而使隐私安全和数据共享同时得以实现。三是基于区块链技术的智能合约是去中心化的智能合约，各交易方之间没有中介，也没有大量纸质的信用凭证，只需要执行私有分布式账户上的智能合约，能够显著提高交易效率和降低交易成本。如图1 所示。

3.2 基于区块链和物联网的医疗卫生健康领域

物联网技术在医疗卫生领域的广泛应用打破了传统医学的思维方式，推动医疗服务迈入“智慧医疗”新时代。医疗物联网主要应用在健康管理、医疗物资管理和医疗过程管理三大领域。居民健康管理主要是采用物联网技术实时监测各项健康指标（血压、血糖、血氧、心率等），为居民建立电子健康数据库，并对数据进行分析、预测和智能健康预警，最大限度的实现健康促进和对某些疾病的早期预防；利用物联网技术可以打破时空限制为危重病患进行远程会诊和持续监护服务，有效缓解不发达地区的医疗资源短缺问题。基于物联网技术的医疗资源管理是指利用物联网技术对医疗设备、医用药品、医疗器械、医疗废弃物等进行实时监测、追踪，从而达到对医疗物资的高效管理。医疗过程管理是指利用物联网技术对患者的各项指标进行识别、监测、分析，全面提高诊疗效率和准确率。物联网技术在医疗领域的广泛应用，显著提高了医疗效率和医疗水平。

区块链技术与物联网技术的叠加应用可以进一步完善医疗物联网存在的不足。一是利用区块链技术可以建立P2P 端到端的去中心化的网络访问模式，将患者的诊疗信息和健康信息以带有时间戳的链式结构进行储存。在授权方面，采用区块链共识算法分散地将控制权分配给患者个人，患者系统通过对接电子病历系统及健康档案等系统通过P2P 网络广泛地获取并分发数据，提高了数据访问和共享效率，同时数据来源和访问记录等信息对患者是透明的，且信息在传输过程中采用非对称加密算法进行了加密，采用智能合约设置不同角色的授权，并对不同角色的访问进行记录和审计，一定程度上建立了信任共享机制和隐私保护机制，也有利于医患矛盾的减少；患者还可以通过手机等智能终端访问患者系统，并允许对个人的健康信息进行查询和修改，提升了数据的准确性。二是区块链技术的引入，其运行机制一定程度上能够解决患者数据隐私保护的难题。三是区块链采用分布式记账方式可以实现远程诊疗与护理数据的充分共享。

3.3 基于区块链和物联网的智能自动驾驶汽车

随着各种车载智能设备和各类传感器的不断丰富，自动驾驶汽车领域发展十分迅速，百度、京东、亚马逊等科技巨头纷纷加入到研发队列。智能自动驾驶汽车几乎完全实现了自动化，例如可以根据油量或电量自主前往加油站或充电桩进行补充，自动对车上各个组成部件进行检测，自动与4S 店或维修厂预约维修时间，并在指定时间自动前往维修。智能自动驾驶汽车虽然依托各种智能化的电子元器件实现了自动化，但是依然是一个多方参与的场景，一旦出现事故，汽车生产商、车主和维修厂各方可能由于掌握数据不一致而各执一词，没有可信的第三方进行公正的裁决，而区块链技术可以很好的解决此问题。基于区块链和物联网的智能汽车系统架构如图2 所示。汽车厂家在出厂时为汽车设置一个ID，并将汽车生产相关信息上传到区块链平台，出厂后销售商或者4S 店再将该车相关销售信息上传到区块链平台，汽车销售之后所有的信息比如行驶记录、充电或加油记录、维修记录、保险等数据均自动采集或者由相关人员实时上传到区块链平台，区块链的分布式记账和不可篡改性在源头上确保了上传数据的真实可靠。

3.4 基于区块链和物联网的共享经济模式

共享经济的实质就是物品的拥有者和使用者之间发生的物品使用权的临时转移。但是商品拥有者和使用者之间存在着信息不对称的问题，彼此之间互不信任。为了解决这个问题可以搭建一个囊括物品拥有者、使用者、监管者等多方在内区块链平台，物品的拥有者上传物品状态数据并进行数字签名；租用者提交共享申请并进行数字签名认证；物品通过物联网自动采集物品状态信息和共享前期被使用所产生的交易、评价等数据；租用者对所有数据进行交互印证，从而进一步掌握物品的真实状态。

4 区块链在物联网中应用存在的挑战

4.1 区块链工作模式对资源消耗较高

物联网中所使用的的各种电子软硬件设备普遍存在着运算能力差、存储能力低、电池续航时间短等问题。因此区块链应用中的工作量证明机制（Proof of Work, PoW）对资源占用非常大，不适宜部署在物联网的各个节点，区块链2.0 技术采用的是PoW+PoS，并正逐步切换到权益证明机制，对资源占用依然非常高。另外区块链技术采用分布式记账的特性需要共识机制来确保数据的一致性，对资源需求也较高。

4.2 区块链技术对设备存储能力要求较高

物联网的电子设备往往数据存储能力较差，而区块链在运行过程中数据是不断增长的，最后会产生海量数据。2016 年比特币的区块链账本的数据是80GB，到2017 年就达到了130GB，目前已经超过了160GB，由于区块链本身就是一个分布式总账，产生的每一笔交易都会记录在这个账本之上，因此区块链数据还会继续不断增长。区块链数据的膨胀性对物联网相关设备的存储能力提出了高要求。

4.3 区块链信息反馈较慢

物联网对信息的采集、处理、反馈速度要求相对较高，而在区块链中只要需要放入区块链账本中的数据都需要经过各个节点的层层验证。区块链应用中巨大的数据量会导致验证速度变慢、信息反馈和报警反馈发生延时，从而降低了区块链网络的处理效率。例如，传统的比特币交易是每秒发生6 笔，再加上共识确认，这需要6 个区块，大约需要一个小时的时间才能写入区块链。