区块链技术在物联网中应用研究

2021-06-28时晔

电子测试 2021年6期

时晔

(广东省电信规划设计院有限公司，广东广州，510000)

1 区块链技术概述

自2008年至今，随着比特币的出现，区块链技术得到了广泛的应用，该技术以互联网共享数据库为核心，是一种以密码学算法为基础的点对点分布式账本技术。针对中心化模型所带来的安全问题，区块链技术可以有效确保数据与价值的安全转移，保障数据不被篡改，并确保节点间区块数据的一致性。

目前区块链层级构架一般包含了数据层、共识层、应用层、网络层以及合约层。区块链数据层依托于levelDB等数据库，账户数据以及交易数据一般存储于区块体中，区块头则存储了Merkle树的根及区块父哈希值等。数据层包含了非对称加密技术和时间戳技术等，为数据的不可篡改性和可溯源性奠定了基础。

网络层包含了区块同步算法、数据验证机制、节点间的分布式P2P通信协议、数据传播等，在区块链的分布式点对点网络拓扑中起到了决定性作用，能够完成数据传输、信息广播以及节点发现等任务。共识层涉及了多种较为成熟的区块链共识算法，共识算法作为区块链的核心机制，决定了共识层在区块链中的重要地位。合约层包含了智能合约的部署、合约接口、日志管理、合约测试、实例管理等，能够在没有人工干预的情况下，按照事先约定好的条款，在区块链上运行脚本语言。应用层能够支撑区块链实现物联网、金融货币、征信、供应链、社交娱乐等方面的应用的落实，包含了在区块链上运行的去中心化应用程序等[1]。

2 区块链在实际物联网中的应用场景

2.1 无人机领域

目前，无人机技术应用急需解决的问题之一即数据隐私以及安全问题。区块链技术在无人机领域的应用有效提升了无人机管理和调控的可信度、安全性和效率。有学者利用哈希算法实现数学签名，将GPS位置信息等通过时间戳机制进行记录，利用传感器和图像对数据进行加密等，打造了一个以区块链为基础的、易于管理的、可扩展的、安全性好的无人机访问控制系统。

2.2 车联网领域

为了提升驾驶的安全系数，车辆需要进行高效率的数据的收集和共享。当区块链技术在车联网领域中应用时，既能够解决分布式管理构架中存在的安全保护问题和数据访问问题，也能够解决集中式管理构架中车辆不主动上传基础设施的问题。有研究者利用区块链技术的智能合约提升了路侧基础设施数据存储的效率和可靠性，利用信誉数据分享方案提升数据可信度，这样人们可以选择可信度高、质量好的数据提供者，在确保数据共享的安全性和异常车辆的检测率方面发挥了至关重要的作用。

2.3 在电网中的应用

微电网和间歇性能源是未来能源供应的重要组分，有研究者已经尝试将智能电网和区块链进行结合以提升系统的运行效率，在电力供应和电力需求匹配中利用了人工智能和微交易，有效提升了整个网络中电力资源分布的合理性。除此之外，基于区块链技术，人们创新性的构建了一个电力联系模型，促进成功促进了能源的合理交易，打破了能源市场垄断的局面，让能源管理的稳定性更高。例如，Energo项目巧妙的利用智能合约调整电网切换的策略过交易规则，评估能源消耗量等，将本地微电网和区块链技术有效结合，实现了一个情节能源力量、交易、结算、登记及管理的去中心化系统。

2.4 在农产品运输领域的应用

物联网的正常运行需要依赖于传感数据的传输，如果将区块链技术与传感器技术进行融合，可以有效提升物联网去中心化安全和信任，实现数据溯源和存证。在具体的运输链情景中，区块链技术的应用能够打造一个谷物质量跟踪系统，该系统应用后可以实现巴西大豆出口收益额的提升。与此同时，区块链技术与传感器技术结合，能够对运输车辆内部的微气候进行检测，让食品公司、供应商或运输单位能够实时掌握物品的运输状况。此外，基于区块链技术构建的系统能够实现供应量数据的可溯源性，为农产品的供应提供了安全保障[2]。

图1 区块链物联网应用

3 针对物联网的区块链底层技术研究

3.1 系统架构

到目前为止，物联网的架构发展经过了服务器阶段、客户端阶段、开放式云中心阶段以及分布式P2P阶段，如图2所示。以云服务器为基础的传统物联网在安全方面存在较大的漏洞，网络系统的安全性和稳定性受外界干扰大。相比较而言，基于区块链的分布式P2P网络构架能够在单个恶意节点存在时，主动拒绝该节点对链上数据的操作。

图2 物联网构架发展历程

为了寻找更加适合物联网的区块链构架，相关学者基于区块链技术开发了新的轻量级体系构架，该构架包含了覆盖网络、智能家居、云储存三个部分，其中，智能家居层解决了访问控制和身份认证的问题，覆盖层解决了隐私问题，云储存层解决了分布式节点的信任问题。为了促进两个技术领域交叉融合，需要相关人员努力构建和设计能够适合物联网的区块链系统构架，伴随着物联网边缘计算的快速发展，雾计算与区块链技术的结合将成为区块链物联网系统构架的发展方向。

3.2 共识算法

共识算法在确保区块链去中心化和维护区块链的安全性等发挥了关键作用，可以说，共识算法是区块链的核心。在分布式P2P网络中应用时能够保障各个节点能够对顺序和内容的交易记录进行维护。由于传统PoW的共识算法在应用时存在高能耗、低通量以及低可扩展性的局限，所以，只有不断设计和优化适合物联网应用的共识算法才能够推动区块链技术的发展。随着网络规模的增加以及人们对网络安全性的要求的提升，相关人员可以尝试利用PoS共识算法，或者把DPoS和PBFT等共识算法利用在安全性不严苛的环境中，让工作更加节能和高效。

3.3 智能合约

区块链技术在各个领域的广泛应用离不开各类智能合约的区块链设计。研究者开发了基于太坊区块链的物联网设备管理系统，在各个设备上都保存了私钥，而在区块链上存储了密码公钥，那么物联网设备的配置便可以利用完备语言的智能合约来完成，提升了物联网设备的管理水平[3]。

4 区块链为物联网带来的新挑战

4.1 隐私安全

物联网研究的重点在于，针对涉及敏感数据的区块链技术应用，应该重视数据隐私安全问题。例如，有学者创新性的研究出的FairAccess，这是一种利用区块链来保障物联网数据隐私安全的有效方式。FairAccess拓展了区块链应用的全新领域，解决了物联网中分布式访问控制的问题。

4.2 节能高效

由于物联网设备在分布式P2P网络中大多是传感器节点或是嵌入式终端，其储存能力和计算能力相对不足。无效传感网络可以利用电池功能，网络的运行和寿命离不开能源的消耗。因此，区块链在物联网中的应用很大程度上受到了设备性能的干扰，相关人员应该重视区块链节能高效问题。例如，针对这一问题，有学者提出了分层的轻量级可扩展区块链，优化了分布式信任和通量管理算法、共识算法、数据流的分离以及交易路由，成功的降低了能源消耗，扩展了区块链在低性能物联网中的应用。