一种使用区块链技术增进物联网管理能力的方案

田雪函 沈雪晴 陈新鹏 冯志鹏 葛冰玉 韩璐

（国家电网有限公司信息通信分公司， 北京市  100761）

摘要：智能设备的普及带动了物联网技术的应用和发展，而基于传统互联网的物联网架构面临着数据隐私安全问题、中心服务器单点问题等，无法确保用户数据的安全共享。本文提出一种使用区块链技术增进物联网管理能力的方案，通过选择一定数量的边缘物联代理组成区块链，将物联网与区块链技术高效融合。

关键词：区块链;物联网;数据共享;智能合约

1关键技术

1.1区块链

区块链[1，2，3]是分散的分类账，其中包含关联的交易块。区块链是一种链式数据结构的分布式数据库，方便数据的查找与存储。每个区块都包含了两部分，即区块头和区块体。各个区块通过父哈希值维持与上一区块的关联从而形成链状结构，通过根哈希值快速验证区块体交易集合的完整性。

按照区块链参与者可将其分为公有链、私有链和联盟链。公有链内部信息完全公开。私有链内部信息不对外公开。联盟链内部信息不对外公开。

区块链数据对象结构包含账户、区块、事务、合约、实体和配置。在区块、事务、合约和实体中存储区块链中的核心数据，支撑区块链系统的稳定运行。

1.2边缘物联代理

边缘物联代理[4，5]将物联网终端设备与中心化平台互连，通常部署在感知层，支持各类物联网终端设备的即时接入、实时传输等需求，实现应用场景的区域自治和边缘计算。区块链节点间共识的形成需要消耗网络及存储资源。

2基于区块链的物联网整体架构

本文提出的基于区块链的物联网架构与传统的物联网管理模式相比，显著优势在于去中心化，将监控管理的职责分散到各个节点。本文提出的基于区块链的物联网整体架构如图1所示，该架构包括物联网终端、轻节点和共识节点。

2.1物联网终端

物联网终端在基于区块链的物联网架构中处在边缘位置，将传感网络层和传输网络层相连。在基于区块链的物联网架构中，外部数据信息可由物联网终端设备采集而得，在设备内部进行处理与转换，最后通过网络发送到互联网中，实现“物”与“物”的互联互通。

2.2轻节点

随着区块链中交易量的增加，每个节点需要存储越来越多的历史交易数据。为避免资源浪费，轻节点概念被提出。

轻节点只需要维护区块链中区块头的信息[6]。相比全节点，存储内容更加简单，在节省计算资源的同时，还可以快速对交易信息进行查找验证。

2.3共识节点

共识节点中的数据信息涵盖了区块链中各个区块的信息，是一种全节点。共识节点在区块链中参与共识进行投票，通过寻找物联网终端设备所采集的数据信息来验证数据信息的准确性。

3基于区块链的物联网管理方案

区块链中的物联网终端设备通过无线或有线的方式与网关连接，以北京数据中心云平台机房为例，机房网关作为区块链中的一个轻节点，与物联网终端设备相连，监听状态变化，通过执行发布智能合约完成一系列智能化操作。

以北京数据中心机房温湿度控制为例，每个机房中都有独立的机房网关节点，机房网关节点A（轻节点）控制机房空调B（物联网终端设备）的开关。

1）发布智能合约

首先由机房网关A发布合约，并写入相应的权限验证策略。该合约可以通过空调B感知的状态来控制空调B的开关，通过权限验证策略来验证合约调用者的身份，满足条件即可成功调用。在区块链中可以查找到已经成功发布的智能合约，在此之后，机房网关A将对空调的状态进行监听，根据机房中温湿度的变化做出一系列智能化操作。例如，当机房中温度过高时，会控制空调B打开开关进行降温。

2）执行智能合约

当机房网关节点A控制空调的开关时，节点A会連接到区块链中的共识节点并发生一笔合约调用，合约内部通过权限验证策略验证请求节点是否具备该合约函数的执行权限，验证通过后执行该合约，改变空调的状态。机房网关节点监听到合约中空调的状态发生了变化后，会控制空调的开关。

4结语

物联网技术的应用和发展受到世界各国的广泛关注。同时，物联网面临着隐私安全问题、中心服务器单点问题等一系列挑战。本文通过选择一定数量的边缘物联代理组成基于区块链的物联网管理体系，每一个边缘代理可以得到链上全部可信的信息，将物联网与区块链技术融合，为解决物联网管理问题提供了新的思路。

参考文献

[1]Samaniego M，Deters R.Blockchain as a Service for IoT[C]//IEEE International Conference on Internet of Things.IEEE，2017.

[2]N. Kshetri，"Can Blockchain Strengthen the Internet of Things？，" in IT Professional，vol.19，no.4，pp.68-72，2017，doi：10.1109/MITP.2017.3051335.

[3]袁莉莉，袁晓伟，韦安垒.物联网和区块链在智能工厂中的应用[J].网络空间安全，2020，11（01）：91-97.

[4]郝长征，刘明媚，张建宇，付召辉.边缘物联代理应用研究[J].科技风，2020（15）：100.