区块链技术在物联网中的应用及其面临挑战

柏青

（北京达其科技有限公司，北京，100176）

1 区块链技术概述

区块链作为一种互联网共享数据库，其是在密码学算法的基础上，而衍生出来的点对点分布式账本技术。从技术层面来看，区块链首次对信任的中心化模型进行充分利用，较为有效地处理了各种安全问题，并借助密码学算法，完成了数据、价值的安全转移；借助共识算法来将各节点之间的区块数据加以统一；利用哈希链和时间戳机制，促使数据具备不可篡改性、可追溯性的特征。区块链作为一种数据结构，该结构的主要构成部分为：具备交易信息的区块由后前有序相链接；而区块链网络作为分布式的点对点网络，各种交易数据都遍布所有完整节点之中，这就让区块链应用呈现出诸多优势，具体包括：开放性、去中心化、信息不可篡改性及匿名性等。

2 区块链技术在物联网中的应用场景

区块链技术在物联网中得到较为广泛的应用，包括在环保、医疗、农业、供应链等领域的应用，下面主要对其中部分场景的应用做详细论述：

2.1 在无人机领域中的应用

对于无人机领域而言，因为存在一系列的安全问题、数据隐私问题，在很大程度上阻碍了无人机技术的普及，但通过对区块链技术进行充分应用，能够对无人机技术的应用进行更加透明、安全、可靠及高效的感控。以沃尔玛所研发的“使用区块链克隆无人机”成果为例，这一科研成果就是借助区块链技术，实现了无人机包裹输送系统的数据全面性、可靠性、安全性。通过对哈希算法进行充分利用，可实现数字签名及利用图像与传感器来对数据进行采集，从而更加有效地保障数据的安全性和匿名性；基于时间戳机制，可实现对GPS位置信息的交易日志的全面记录；通过区块链能够构建起一个可扩展、管理便捷、通用的无人机访问控制系统。在未来，区块链技术的不断发展可能会开发出能够更加适应消费者需求的小型无人机，并且其服务器也可适用于各种移动设备。

2.2 在车联网领域中的应用

对于车联网而言，通过实现数据的高质、高效收集与共享，就可以显著提高车辆驾驶的安全性，为车辆驾驶者提供更加优质的服务。而针对集中式管理架构中车辆出现可能遇到的问题（基础设施无法顺利接受到数据操控与单点故障方面的数据），以及分布式管理架构中数据访问、安全保护未经授权的问题，均可通过对区块链技术进行有效应用来加以解决。据研究显示：借助区块链构建分布式数据库，能够更加有效地管控车辆数据；基于部署智能合，则能够获得更加高效、安全及完整的路测基础设备数据；以信誉的数据分享计划为依托，则能够进一步提高数据的可信度。由此可见，与传统方法相比，通过应用区块链技术能够显著提高异常车辆的检测率，最终促使数据之间共享更加安全。

2.3 在电网领域中的应用

在电网领域中，能源供应的实现离不开主电网、间歇性能源和微电网的支持。据相关研究发现：（1）通过有效融合区块链和智能电网，能够生成一个更加高效率的系统，并对微交易与人工智能进行充分利用，能够更好地将电力需求与供应进行衔接，最终实现对整个网络中电力资源的有效利用；（2）通过应用区块链技术，可形成一个安全、分布式及透明的电力交易模型，从而解决以往能力市场被垄断的问题，促使能源与信用之间的交易更加合理，最终更加高质、高效地进行能源管理。以Energo为例，其借助代币的形式来对能源的消耗量、占有量进行评估，基于智能合约来对交易规则、电网切换策略进行合理调整；基于区块链与本地微电网的相结合，可构建一个集清洁能源计量、记录、管理、交易、结算为一体的去中心化系统。

2.4 在物流运输领域中的应用

在物流运输领域中，最为关键的部分是传感器，其主要功能在于确保物联网的正常运行。通过将区块链和传感器技术相结合，可实现传感器数据的存证、溯源，以此来更好地确保物联网运行的安全、去中心信任。在具体运输链应用场景中，全面发挥出区块链中质量跟踪系统的作用，有效保证物流运输的质量。同时，通过传感器来对运输车辆车厢内微气候进行检测，借助区块链技术来对所有数据进行保存与传输，有利于供应商、运输单位及购买者均可以实施掌握物流运输情况。另外，针对区块链技术在物流运输中的应用，可充分发挥出该技术的可溯源性与不可篡改性，最终更好地确保物流运输的安全性。

3 区块链技术在物联网中应用面对的挑战

3.1 隐私安全

当前，物联网技术已贯穿到人们日常生产生活的各个方面，物联网设备也分布在城市的各个角落。但各种各样的传感器与通信设备中存储着庞大的数据信息，使得人们开始担忧在物联网中的隐私安全，特别是区块链系统中交易数据在链上的存储是公开、透明的，尽管地址和用户真实身份并不公开，但是在数据隐私安全方面依然有着较大的威胁。针对含有敏感数据的运用，可采用以下技术手段，以有效确保数据隐私安全，具体包括：

（1）FairAccess，其借助分布式账本的统一性，来对物联网中分布式、集中式访问控制问题进行较好地解决，拓宽了区块链新的应用范围，也就是物联网访问控制，即借助区块链来更好地确保物联网的数据隐私安全。

（2）ControlChain，其作为一种以区块链为依托的访问控制架构，即能够实现对物联网隐私安全的保护，还能够兼容物联网中所有访问控制模型。

（3）一种区块链连接网关的设计方法，可实现对物联网中各类数据信息的的自适应保护，将用户与物联网设备进行有效衔接，用户获得区块链网关的相关信息与安全策略，并利用网关来访问设备，而非直接访问，从而有效保障数据的隐私安全。通过区块链网关能够有效存储物联网设备上用户的隐私偏好，在用户与物联网服务提供者间发生隐私争议时，能够发挥出区块链技术的不可篡改性优势，从而对这一争议进行妥善处理。

（4）以属性加密算法为切入点，而研发出了一种隐私保护的区块链物联网架构，主要是利用属性加密算法，重现建构了区块链协议，让物联网生态系统能够获取到一种端到端的隐私保护方案，进而对区块链技术具体应用中可能遇到的问题进行恰当处理。但是，借助加密算法进行隐私安全优化往往会大大增加物联网设备的计算开销，故而应结合具体的应用场景来合理应用属性加密算法。

3.2 节能高效

对于分布式P2P网络而言，物联网设备是作为传感器节点或是嵌入式终端而存在的，该设备缺乏良好的计算能力与存储能力。而对于电池功能的无线传感器网络而言，能源消耗往往会大大影响到网络的寿命，从而严重阻碍了物联网中区块链技术的应用。面对这一问题，相关研究人员提出可以下解决方法：

（1）以Twitter概念为依托的Tweetchain，该方法对物联网设备区块链应用中存在的影响因素进行了深入分析，即：区块链挖矿离不开大量计算资源的支撑，而物联网设备并不能作为矿工节点；区块链的所有设备均要具备一套完整的加密功能；任何完整节点均必须存储区块链副本，但是常规的物联网设备并不能满足这些要求 。基于此，可对类似推文的结构进行有效应用，科学编码交易和状态，重构共识协议，从而在极大程度上降低区块链的性能开销。

（2）LSB，也就是分层的轻量级可扩展区块量，通过对区块链计算开销昂贵、可扩展性不足、带宽开销和延迟、不适用物联网场景等影响因素进行全面考虑，选择通过LSB来进一步优化物联网需求，即借助轻量级的共识算法，分布式信任与通量管理算法，交易路由与数据流的分离，来显著降低能源消耗，即便是低性能的物联网设备，也能够发挥出区块链技术的价值。

3.3 通量性能

现有区块链通量有限，尽管采用具备更高效率的共识算法能够提高每秒交易数量，然而并不能满足当前的业务需求。面对这一问题，相关研究人员提出了以下解决方法：（1）持续优化区块链，从而更加及时地满足带宽要求，提升网络通量；（2）充分利用物联网云计算生成一个区块链云架构，然后全面评估通量、响应时间、网络延迟，以此来提高区块链数据通量，然而在具体工作中，区块链物联网中的通量性能依然存在一些不足之处，建议仍需加大对区块链基础设施的优化力度，从而更加显著地提升通量性能。