浅谈区块链技术在物联网中的应用

◆郭艺杰 李维峰

浅谈区块链技术在物联网中的应用

◆郭艺杰1李维峰2

（1.中飞通用航空有限责任公司 陕西 710089；2.中国飞行试验研究院 陕西 710089）

时至今日，物联网技术已经广泛应用于很多领域，它使得“事物”之间能够相互通信，因此，形成了一个由设备组成的具有一定“感知”能力的网络。尽管物联网好处众多，但仍面临诸多挑战，其中不乏安全和隐私等问题。面对这些问题，人们发明了区块链技术。区块链技术在数据防篡改、高可靠性、数据隐私保护等方面具有先天优势。本文通过分析物联网面临的挑战和区块链技术具有的优势，取长补短，分析了区块链技术在物联网中的应用，供相关读者参考。

物联网；区块链；分布式

物联网就是将可使用标准通信协议发现的对象连接而成的网络。从更广义的角度我们甚至可以说物联网涵盖了一切具有连通性和通信能力的“事物”。这些“事物”可以是任何东西，例如：传感器、电子设备、家用电器或者是车辆。物联网的概念源于我们世界中的物体将相互“交谈”的想法；因此，形成一个设备网络，其中每个对象都可能具有通信能力以及一些“感知”和“驱动”能力[1]。

物联网技术大致可以分为以下三种类型：1）面向互联网的，可作为中间件；2）面向事物的，可提供感知能力；3）面向语义的，可提供知识。特定类型的适用性取决于应用环境。多种类型的组合或单独的物联网可用于构建此类智能应用程序，旨在解决我们日常生活中的关键问题[2]。

尽管物联网有众多好处，能够解决很多问题，但它仍然面临挑战。物联网的挑战大多与安全和隐私问题有关。一篇2018年在计算智能与数据科学国际会议上发表的论文指出了物联网面临的安全问题及众多挑战；其中安全问题包括：物联网设备通信模型中缺乏最佳控制角色以防止劫持和网络攻击的威胁等；隐私问题包括：物联网缺乏隐私保护模型，无法识别用户的隐私期望等[3]。面对这些问题，我们想到了区块链技术。区块链技术将为物联网系统面临的部分问题提供更好的解决方案。

区块链技术是一种记录信息的技术，它能够保证被记录的信息很难被更改、伪造或破解。区块链本质上是交易的数字分类账，它在区块链上的整个计算机系统网络中复制和分布。链中的每个区块都包含许多交易记录，每次在区块链上发生新交易时，该交易的记录都会添加到每个参与者的分类账中。由多个参与者管理的去中心化数据库被称为分布式账本技术（DLT）。简单说，区块链是用于存储数据的计算机文件。或者，用更专业的术语来说，它是一个开放的分布式账本（数据库），这意味着区块链中包含的数据分布（复制）到多台计算机上，因此是去中心化的。

1 结合点分析

在物联网系统不断增长的场景中，交互的事物或设备的数量会不断增加。这些增加数量的设备将以互联网作为媒介尝试与每个设备进行交互。这就会引发很多问题，例如：在物联网中，大部分收集的数据都保存在中央服务器内，如果设备想要访问它们必须使用集中式网络交互的数据，并且数据流将通过中央服务器，此流程如图1所示。

随着物联网规模的不断增长，集中式服务器将不是一种有效的方法[4]。目前实施的大多数物联网系统都基于集中式服务器概念。在物联网系统中，传感器从设备中收集信息，并通过有线或无线网络将数据传输到中央服务器。中央服务器根据用户的需求对数据进行分析和处理。同样的，大型物联网系统也希望能够对数据进行及时的分析和处理，但在传统物联网架构中，已有的互联网基础设施处理能力无法提供有效的支持[5]。为了解决在大规模物联网中处理海量数据的问题，最直接的办法就是增加互联网基础设施，而最佳的办法是使用分布式网络，点对点网络（PPN）、分布式文件共享（DFS）和自主设备协调（ADC）功能可以发挥作用[6]。区块链技术可以实现这三个功能，使物联网系统能够跟踪大量联网设备。区块链允许物联网系统协调处理设备之间的事务，增强物联网系统的隐私性和可靠性，使其更加稳健。区块链允许在分布式账本的帮助下以更快的方式进行点对点消息传递，如图1所示，使用区块链技术的物联网中数据流处理过程与传统物联网不同。在使用区块链技术的物联网中，数据流来自传感器网络-路由器-互联网-分布式区块链-分析-用户。在这里，分布式账本是防篡改的，不允许数据中的错误解释和错误认证。区块链消除了物联网中的单线程通信（STC），使系统更加可靠。

区块链技术在大规模物联网系统中的应用具有以下优势[5-7]：

1）防篡改数据；

2）点对点消息传递的可能性；

3）高可靠性；

4）数据隐私保护；

5）记录历史操作；

6）记录智能设备中旧的交易数据；

7）允许自我指导的运作；

8）分布式文件共享；

9）取消单一控制权；

10）降低开发庞大互联网基础设施的成本；

11）加速交易。

区块链技术在物联网中的应用将改变许多工业和家庭应用的交互方式。这包括在金融、医疗卫生、物流、制造、能源、智能家居、智能汽车和智慧城市等领域。我以下介绍几种典型应用。

图1 物联网中的数据流对比

2 智能医疗

区块链技术有可能通过将患者置于医疗保健生态系统的中心并提高健康记录的安全性、隐私性和互操作性来改变传统医疗保健。这项技术可以通过使电子病历更加高效、去中心化和安全，为健康信息交换提供一种新模式。在智能医疗领域，我们会面对如下需求：

1）数据共享能力：智能医疗系统必须支持一个通用平台，利益相关者可以在其中轻松交换数据。这对于医生需要立即访问患者过去记录的紧急情况非常重要。

2）实时监测：实时监测来自被测患者可穿戴设备的健康数据，并能够根据数据分析结果作出一定程度的响应。

3）多数据源：用于应对监测个人健康状况的可穿戴和便携式设备的数量激增。不同的公司开发他们定制的设备并使用他们自己的数据格式。智能健康系统必须能够在异构网络中运行。

4）支付系统：医疗保健提供者和患者都受益于高效的支付流程。基于区块链的支付系统可以通过消除中介显著改善医疗保健领域的支付效率。

5）身份管理：医疗数据是私密且敏感的。确保只有合法实体才能访问数据非常重要。为了实现这一点，应该有一个适当的身份管理系统。除了人类之外，物联网设备也应该在身份管理系统之下，以跟踪哪个设备正在生成哪些数据。

已经有人将区块链技术应用于解决智能医疗领域的上述需求。根据Q.Xia等人的论文中设计的系统[8]，可用于无信任环境中在医疗大数据托管人之间共享医疗数据。该系统为大数据实体之间的云存储库中的共享医疗数据提供数据来源、审计和控制。

3 智慧城市

根据上下文不同，智慧城市的概念有多种定义。有时它指的是智能，有时它表示生成和交换实时数据的能力。总的来说，智慧城市结合了人、物联网设备、技术和数据，为市民提供更好的服务和生活体验。来自这些设备的实时数据和区块链上不可变的历史数据共同为研究人员提供了巨大的机会，这使他们将获得额外的优势，从称为数据到决策的新角度来看待智慧城市。在智慧城市领域一般有如下需求：

1）跟踪：智慧城市应用程序依赖于对城市里的人类和非人类元素的跟踪。

2）连接性：物联网应用程序通常需要无缝连接来交换数据。在智慧城市环境中运行时，这些应用程序通常无法容忍延迟，其性能在很大程度上取决于设备的连接性。

3）隐私：对人类和非人类元素的跟踪都涉及隐私问题。在跟踪人类时，是否跟踪他们的面部是一个有争议的问题。如何识别个人为他们提供量身定制的服务也是一个挑战。跟踪非人类元素，例如扫描汽车牌照，也会引起严重的隐私问题。

4）可靠性：这是一个基本特征，因为大多数智能城市应用程序都用于自动化。没有高度的可靠性，在城市中运行这样的应用程序是不安全的，如果出现很大的故障甚至可能对人们造成伤害。

接下来我们将举例说明，集成物联网的区块链平台如何在智慧城市中发挥重要作用。

1）运输：管理交通系统对任何现代城市来说都是一个巨大的挑战。基于区块链和物联网集成的运输系统管理可以在应对这一挑战方面发挥关键作用。这样的系统将能够持续感知乘客和车辆，以促进各个领域的许多应用和服务，例如设计地铁列车和公共巴士的时间表，预测城市不同地区的通勤者需求，分配司机轮班，共享乘车，甚至管理智能汽车。

2）公用事业服务：电力和水管理一直是智慧城市最重要的要素之一。这包括智能电网、智能供水及其在利益相关者和消费者端的管理。越来越多的人支持在家庭中使用可再生能源以及使用零排放电动汽车进行通勤，这为区块链和物联网共同发挥关键作用带来了潜力。

3）公民参与：智慧城市通过让市民参与活动和娱乐活动来帮助改善他们的生活方式。公园、图书馆、博物馆、体育馆、电影院、购物中心等是现代城市中常见的各种公民参与形式。可以使用安装在这些公共场所的支持物联网的传感器收集实时数据，而区块链将提供历史信息的支柱，帮助机器学习或类似方法提出建议。

4 智能家居

物联网和设备到设备通信领域的革命使智能家居或家庭自动化成为近年来最赚钱的物联网应用之一。随着不同类型硬件、可扩展基础设施和移动应用程序的引入，家庭自动化的使用在全球范围内迅速增加，未来将继续增长。从根本上说，智能家居是具有内置连接功能的设备网络，这些设备可以通过使用通信协议相互通信。它使房主能够通过集中式界面远程监控和管理家中的每台电子设备。然而，物联网设备的混乱增长也带来了许多挑战，例如互操作性、可扩展性、安全性和隐私性。区块链可以在提高智能家居中的数据安全性、隐私、信任和可追溯性方面发挥重要作用。接下来我们从两个例子说明智能家居的实用性。

1）智能家电：智能电器是我们日常生活中使用的支持物联网的电器，例如冰箱、恒温器、空调和安全警报器。据估计，到2025年底，全球智能家居工具和服务市场将达到980亿美元。预计未来每一件家电都将与物联网集成。这些功能将用于创建新颖的应用程序，以便为家中的每个人提供更高水平的控制和舒适度。这些将有助于智能家居居民从世界任何地方监控和控制任何家用电器。

2）健康与便利：上述所有功能的最终目标是利用智能家电提高居民的幸福感和便利性。配备所需的智能设备后，智能家居应该能够监控住户的健康状况和整体健康状况。这对于拥有老年居民的家庭尤其重要。如果健康监测设备检测到任何居民有危险，会向急救中心发出警报。

5 结论

物联网依靠强大的影响力正在逐步改变世界。虽然它在某些应用环境中还存在着一些明显的缺陷，但随着区块链技术在物联网中的应用，这些缺陷将得以弥补。这种技术组合具有额外优势，为新型应用打开了机会之门。本文例举了这两种技术的结合以及在智能医疗、智慧城市及智能家居领域内的应用，希望借此推动新兴技术在更广泛领域内的应用。

[1]Mohammad Jabed Morshed Chowdhury，Md Sadek Ferdous，Kamanashis Biswas，etc.A Survey on Blockchain-based Platforms for IoT Use-cases[J].The Knowledge Engineering Review，2004，0（0）：1-1.

[2]L. Atzori，A. Iera，G. Morabito.The internet of things：A survey[J].Computer Networks，2010(54)：2787-2805.

[3]Nallapaneni Manoj Kumara，Pradeep Kumar Mallick.Blockchain technology for security issues and challenges in IoT[J].Procedia Computer Science，2018(132)：1815-1823.

[4]Executive Summary.Measuring the Information SocietyReport[R].Geneva：International Telecommunication Union，2018.

[5]Ben Dickson.Decentralizing IoT networks through blockchain[EB/OL].https://techcrunch.com/2016/06/28/decentralizing-iot-networks- through-blockchain/，2016.

[6]Ahmed Banafa.IoT and Blockchain Convergence： Benefits and Challenges[EB/OL].https://iot.ieee.org/newsletter/january-2017/iot-and- blockchain-convergence-benefits-and-challenges.html，2017.

[7]David Snyder.BLOCKCHAIN TECHNOLOGY for THE INTERNET OF THINGS[R].42TEK：Inc.，2017.

[8]Q. Xia，E. B. Sifah，K. O. Asamoah，etc.Medshare：Trust-less medical data sharing among cloud service providers via blockchain[J].IEEE Access，2017（5）：14757-14767.