基于区块链技术的物联网可信组网应用研究

李力

摘要：物联网近年来发展非常迅速，目前基于中心化服务的物联网及物联网业务平台将面临挑战。区块链作为信任工具，区块中數据分布存储，信息公开透明，实现了各参与节点的去中心化连接，可进行点对点自由流通。文章结合物联网技术，采用密码学技术之加密算法，探索面向行业应用的各类技术多元化，实现物联网设备的安全认证和可信组网。文章阐述了区块链的核心技术以及物联网海量连接存在的问题，探讨了去中心化的物联网可信组网区块链架构模型的构建。

关键词：区块链；物联网；信任机制

中图分类号：TP391

文献标志码：A

0 引言

区块链不是一项新技术，而是新的技术组合、集成与应用模式。作为信任工具，区块中数据分布存储，信息公开透明，实现了各参与节点的去中心化连接，可进行点对点自由流通，能保证区块中数据的安全。区块链的特性主要有：网络分散（去中心化）、安全、可追溯、共识机制、高可用性。我国《“十三五”国家信息化规划》中把区块链作为一项重点前沿技术，明确提出要加大区块链相关新技术的研发和创新，落地应用，抢占先机，把新一代信息技术主导权掌握在手中，让区块链更好地赋能数字社会建设。

与此同时，物联网业务近年来发展非常迅速。权威机构预测2025年物联网连接数可能超过1 000亿。传统物联网网络与业务平台是基于中心化信任管理的，随着越来越多物联网设备的接入，物联网将面临更大的挑战，具体表现在：设备连接缺乏信任机制；设备间数据交互缺乏安全和隐私保护；设备间自主操作缺少可靠的通信和协作机制。

为解决以上物联网存在的问题，研究人员可结合区块链，采用密码学技术之加密算法，实现物联网设备的安全认证和可信组网，并在此基础上搭建区块链分布式账本，开发物联网设备间数据交互智能合约，实现设备间自主、可信和安全的互操作。在具体应用方面，研究人员可依托现有物联网设备，应用区块链技术，实现新型的物联网业务管理模式。

1 区块链技术

1.1 比特币诞生背景

比特币诞生于刚刚开始受到美国次贷危机打击的全球化经济环境。它将分布式技术、密码学以及博弈论这3个并不算新鲜的知识领域加以整合，实现了一种被称为“区块链”的共识机制^［1］。区块链技术是比特币的底层技术，也是比特币的核心与基础架构，是一个去中心化的账本系统。比特币是区块链最早也是最成功的一个应用，但不是区块链技术的全部。

比特币系统的4个基本组成部分包含软件、加密、硬件、采矿（博弈论）。比特币系统就是去中心化理念和区块链技术的一个优秀示范项目。

1.2 区块链定义

区块链技术的本质是一种点对点的分布式数据库系统，它以某种共识算法保障了各节点间数据的一致性，通过加密算法保证数据的安全性和隐私性，同时通过加入时间戳及首尾相连的链式结构，创造出一种公开的、透明的、可验证的、不可篡改的且可追溯的技术体系^［2］。

1.3 区块链核心技术

1.3.1 分布式账本

分布式账本指交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，是一种在网络成员之间共享、复制和同步的数据库。每个节点记录的是完整的账目，网络参与者都可以监督交易的合法性，同时也可以互为作证。

1.3.2 共识机制

共识机制是区块链事务达成分散式共识的算法。区块链的节点是分散的，没有做出决策的中心化权威机构。网络中保存数据的所有节点，必须汇集在一起共同决策，共识机制，这决定了区块链数据库的真实性。

1.3.3 智能合约

智能合约是一种特殊协议，从技术角度也被认为是网络服务器，是运行在可复制、共享账本上的计算机程序，可以处理信息，接收、储存和发送价值，是一种使用区块链实现各方之间协议的方法，但是与网络服务器不同的是，智能合约可以被所有人看到。

智能合约可以促进分布式网络中的服务和资源共享，实现物联网的应用价值，因此，智能合约已经成为区块链技术在物联网应用领域落地的关键点。智能合约和传统纸质合约的区别在于智能合约是由计算机生成的，成本更低，交易更准确。

1.3.4 密码学

密码学是区块链技术实现可信、防篡改和防伪造的基础技术^［3］。存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问，从而保证了数据的安全和个人隐私。加密能力包括适用于去中心化环境下的数据加密和解密、摘要生成后的签名机制^［4］。

2 区块链技术与物联网的结合

2.1 物联网发展现状

目前，大多数物联网解决方案都依赖于一个强大的中心服务器——物联网平台主机，均采用集中式的服务器—客户端方式，物联网设备接入云端。然而，物联网时代终端数量爆炸式增长，网络边缘设备和云服务器数据的流通和汇聚给物联网设备带来了比较大的开销。中心化网络结构终将迎来一次突变，应用服务正在从中心向终端迁移，形成分布式网络的物联网架构，解决中心化网络架构存在的问题。

2.2 区块链技术与物联网的结合

现物联网已经成为数字化时代最具发展潜力的技术和产业之一，正逐步向物联网生态方向快速演进，引入各类新兴技术是培育物联网生态的重要手段。而区块链技术的“去中心化”机制，把计算和管理能力下放到各个边缘节点，各边缘节点为各自区域内设备服务，以此达到增强物联网网络扩展能力，保证物联网生态网络的安全、可信和稳定运行，使得数据得以在整个链中以块的形式存在。该系统的构成特性决定了数据几乎不可能被破坏或窃取，物联网中对数据的操作可以通过在区块链中进行注册和验证来解决物联网数据安全问题，区块链技术已然解决了数据集中化管理带来的数据隐私和安全问题，能确保其隐私性、鲁棒性、单点故障容错性。在区块链分布式共享数据框架中，物联网设备无需人为干预，可以安全地将数据存储在不同的节点中，减少了开销，更好地实现了隐私保护以及信任问题。

另外，区块链的去中心化特点可以使物联网承载海量设备连接服务，保证数据的稳定性和可靠性，还可以降低数据被篡改的风险。而区块链的分布式计算和主體对等的特点也可以有效地打破物联网主体间的通信障碍，构建新型的主体协作关系。最后区块链以分布式账本运作，记录每一个连接到网络的设备动作，将获取到的信息上传，因此作为物联网中大量设备的公共账本，记录物联设备的任何动作，实现了对物联网接入识别的管理。

3 构建去中心化的物联网可信组网区块链架构模型

随着区块链技术的成熟、硬件设备的发展和5G通信的应用，区块链加物联网的产业模式将成为未来物联网发展的重要方向。设计新的系统架构、共识算法、智能合约、加密算法、时间戳技术、数据存储结构等，可以使区块链更加适用于物联网应用领域。

（1）物联网系统中，嵌入式设备点对点对等网络的组网通信技术，结合分布式崩溃故障容错（Crash Fault Tolerant）共识算法，构建去中心化的物联网可信组网架构模型，保证在物联网中部分网关节点出现非拜占庭故障的情况下，网络依然可以处理客户端的请求，提高物联网整体的安全性和可用性。去中心化的物联网可信组网区块链架构如图1所示。

其中，分布式崩溃故障容错共识算法基于分布式的一致K-V数据库，通过多节点网络服务发现和配置管理机制，实现分布式网络状态的一致性，抵御不可信非拜占庭式攻击，分布式崩溃故障容错共识算法如图2所示。

（2）基于PKI公钥基础设施的物联网设备安全数据通信。采用公钥密码技术，在物联网嵌入式设备网络上构建PKI公钥基础设施，通过CA数字证书的申请和签发，形成安全的物联网证书链，实现物联网嵌入式设备与传感器之间数据加密和数据签名，为上层区块链不同组织之间的安全数据通信提供基础。基于PKI公钥基础设施的物联网安全通信如图3所示。

4 去中心化的物联网可信组网

在物联网中，区块链和其他技术的结合可以有效地应用于物联网边缘计算架构，解决隐私与安全问题。

4.1 基于区块链的物联网通信协议

区块链的通信协议是在应用层基于TCP/IP的点对点通信协议，而物联网则在设备层和网络层采用不同的协议，如设备层一般采用ZigBee，LoRa，NB-IoT，WiFi和4G等通信协议，而网络层一般采用TCP/IP协议。基于区块链的物联网通信协议主要是在物联网的网络层，基于非对称密码学技术，采用公匙基础设施（PKI）协议，在物联网设备注册时，实现设备的认证，确保物联网设备的可信组网。

4.2 基于区块链的物联网应用框架

基于区块链的物联网应用是在物联网中，增加区块链网络的P2P点对点通信、非对称密码加解密、身份认证、共识算法以及智能合约运行环境，通过区块链赋能物联网，实现物联网设备间的交互操作，如身份验证、数据交易等。

4.3 物联网设备自主操作协作机制

采用区块链的智能合约技术，将物联网设备间互操作逻辑固化在区块链的智能合约中，在业务条件满足时，自动触发智能合约，进行业务状态的更新，同时交易记录上传到区块链的分布式账本中，实现物联网设备间安全可信的自主互操作。

5 结语

区块链技术赋能物联网，去中心化直接降低了巨大的设备成本和后期的运维费用；可溯源物联网设备终端数据，在数字化时代，数据是昂贵的，保证物联网产生的数据的真实性至关重要，终端节点接入区块链后，产生的数据便无法篡改，并可有效追溯。同时区块链本身作为正在发展应用的新技术，区块链赋能的融合技术也带来了新的问题和挑战，比如区块容量、吞吐量等，这意味着对区块链融合物联网也有了更高的技术要求。现阶段的工作重点主要集中在隐私安全、高效节能、通量性能等方面，因此未来探索方向之一是区块链如何更好地赋能资源有限设备，发挥区块链融合物联网的诸多优势。

参考文献

［1］俞学励，杨辉辉.区块链前传——比特币［J］.金卡工程，2016（11）：21-23.

［2］张潮，刘茜，冯锋.基于区块链的物联网技术应用研究［J］.无线互联科技，2018（15）：19-21.

［3］黄泽源，孔勇平，张会炎.基于区块链的物联网安全技术研究［J］.移动通信，2018（12）：8-13.

［4］张月平，刘东航.基于区块链技术的物联网平台及其应用［J］.物联网技术，2022（5）：101-103.

（编辑 王雪芬）

Research on the trusted networking application of the Internet of Things based on blockchain technology

Li Li

（Guangdong Polytechnic of Science and Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： The Internet of Things network has developed very rapidly in recent years. At present， the Internet of Things network and Internet of Things business platform based on centralized services will face challenges. As a trust tool， the blockchain is used as a trust tool， and the data in the block is distributed and stored， and the information is open and transparent. Decentralized connections for peer-to-peer free circulation. Combining the Internet of Things technology， using the encryption algorithm of cryptography technology， exploring the construction of various technical diversifications for industry applications， and realizing the security authentication and trusted networking of Internet of Things devices. The article expounds the core technology of the blockchain and the problems existing in the massive connection of the Internet of Things， and discusses the construction of a decentralized IoT trusted networking blockchain architecture model.

Key words： blockchain; Internet of Things; trust mechanism