基于区块链的物联网技术应用研究

张潮 刘茜 冯锋

摘要：随着近年来区块链的概念提出，人们逐渐构想将区块链技术应用于金融、政府、物流、医疗等各个方面。而传统物联网存在的低可信网络环境下的物联网个体的信任问题以及隐私保护问题，也可以在基于区块链这一点对点的分布式数据库系统技术的发展下，可以得到很好的解决，从而使得物联网的发展迈向新的台阶。文章阐述了区块链技术的特点以及传统物联网发展存在的问题，并分析了物联网在区块链技术下的研究与应用。

关键词：物联网；区块链；金融

物联网是未来世界科技发展的主要驱动力，是继通信网之后的另一个万亿市场。现在物联网正在繁荣发展，特别是随着5G技术的逐渐应用，以后所有的事物都可以通过物联网相连。而区块链技术的兴起，则可以让物联网在大规模应用的基础上突破传统的物联网发展所存在的问题。

万物皆可联的物联网时代为我们描绘了无数美好的可能。随着科学技术的不断进步，物联网技术最近几年取得了令人瞩目的成果[1]。目前在世界范围内已经有数十亿个传感器和智能控制器投入使用，预计在未来几年这个数字还会成倍增长。但是，物联网技术也面临着运营成本高、隐私保护不明显、商业模式固定等问题，这些问题有可能成为物联网在未来发展和应用的巨大障碍，而区块链技术给这些问题的解决提供可能性。

2008年由中本聪第一次提出了区块链的概念[2]，最开始在比特币中发挥核心作用。近两年来，人们逐渐构想将区块链技术应用于金融、政府、物流、医疗等各个方面。同样，区块链技术对于物联网领域也起着革命性的作用，区块链可以降低物联网的运营成本、解决物联网的隐私保护问题、利用区块链建立新的商业模式。

1 物联网发展现状

物联网作为一个战略新兴产业，极大地促进了经济增长。政府给予了极大的关注，国家“十三五”规划纲要明确提出“发展物联网开环应用”，将致力于加强通用协议和标准的研究，推动物联网不同行业不同领域应用间的互联互通、资源共享和应用协同，通过开环应用示范工程推动集成创新，总结形成一批综合集成应用解决方案[3]，促进传统产业转型升级，提高信息消费和民生服务能力，提升城市和社会管理水平。各大科技公司都投入了大量资源参与到物联网技术开发中，无人驾驶，智能家居也在飞速发展。随着中国5G技术的逐渐应用，物联网海量连接、广域覆盖、短时延问题也会逐渐解决。

但是物联网仍然存在极大的瓶颈，数以千亿计的物联网设备的管理运营给物联网个体带来了极大的成本压力；在物联网领域目前涉及用户的隐私数据都储存在中心服务器，具有极大的泄露风险；当前物联网更多地是将设备连接在一起进行数据的采集工作，而很难进行自主协作，完成具有商业价值的应用。

2 物联网存在的问题

2.1 物联网的运营成本

目前的物联网通用架构，存在这样一种问题：物联网架构是由数据汇总到单一的中心控制系统控制，导致中心服务器在能耗和企业成本支出方面存在巨大压力。而且，随着当下终端的低成本的普及，未来物联网设备将呈几何级数增长，这个压力可能变得难以承受。

2.2 隐私保护问题

在斯诺登事件之后，由政府和大型企业控制的网络服务的隐私被广泛质疑。特别在物联网领域，目前的中心化服务构架将所有的监测数据和控制信号都由中央服务器存储和转发。这些中央服务器收集者所有的摄像头传输过来的视频信号，麦克风录制的通话记录，甚至用户的奔跑节奏、心跳和血压的信息都汇总到中央服务器。虽然物联网运营商一直宣稱他们能够有效保护用户的数据安全和隐私，但是一系列的安全漏洞和隐私泄露事件的发生使用户无法真正信任运营服务提供商能够实现他们的承诺。而最近Facebook公司大规模泄露用户隐私数据的问题再次将互联网中的隐私保护问题为所有人敲响了警钟。

2.3 物联网新的商业模式

未来物联网不仅仅是将设备连接在一起完成数据的采集，人们更加希望连入物联网的设备能够具有一定的智能，在给定的规则逻辑下进行自主协作，完成各种具备商业价值的应用。但是，具备商业价值的交互必须确保进行操作的设备具有代表拥有者进行交易的授权，并且这种授权能够被直接验证。同时，由智能设备发出的交易请求需要可靠地记录以确保交易的有效性。

但是在当前中心化构架下的物联网很难完成上述自主协作和有效交易，因为这种协作和交易的相关方往往是属于不同的利益主体，具有复杂和难以确定的信任关系。

3 区块链技术

3.1 区块链的定义

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与隐私性，同时通过加入时间戳及首尾相连的链式数据结构，创造出了一种公开的、透明的、可验证的、不可篡改的且可追溯的技术体系。

3.2 区块链架构

这里以比特币和以太坊的区块链架构为实例。区块链系统包含底层的交易数据、狭义的分布式账本、重要的共识机制、完整可靠的分布式网络、网络之上的分布式应用这几个要素。底层的数据被组织成区块这一数据结构，各个区块按照时间顺序链接成区块链，全分布式网络的各个节点分别保存一份名为区块链的分布式账本，网络中使用P2P协议进行通信，通过共识机制达成一致，基于这些基础产生相对高级的各种应用。在该架构中，不可篡改的区块链数据结构、分布式网络的共识机制、工作量证明机制和愈发灵活的智能合约是具代表性的创新点。区块链基础架构如图1所示。

3.3 区块链的主要特征

由区块链的定义的基础框架可知，区块链主要包括去中心化、可信任的主要特征。去中心化是指在整个区块链网络中没有中心化的硬件或管理机构，任意节点间的权利和义务都是均等的，网络中任一节点的损坏均不会影响整个网络的运行，而且网络中的节点可以随时离开和加入网络。可信任是网络中节点在数据交换时，虽然不可见，但仍然是可信任的，因为整个网络的运作及数据都是公开透明的，各节点无法欺骗其他节点。

4 区块链技术下物联网发展

4.1 降低物联网的运营成本

虽然随着云计算技术的普及和利用，现在物联网运营商可以通过云端的服务器集群提供物联网智能设备产生的数据的存储和交换服务。但是随着连接设备数量的几何级增长，中心化服务需要付出的计算、存储和带宽成本也会增加到无法负担的程度。

区块链技术为物联网提供了点对点直接互联的方式进行数据传输，整个物联网解决方案不需要引入大型数据中心进行数据同步和管理控制，包括数据采集、指令发送和软件更新等操作都可以通过区块链的网络进行传输。

区块链技术的点对点的分布式数据传输和存储的构架、分布式环境下数据的加密保护和验证机制以及方便可靠的费用结算和支付。通过使用区块链技术，不同所有者的物联网设备可以直接通过加密协议传输数据，去中心化特点将极大解决物联网的运营成本。

点对点的分布式架构就是P2P网络。区块链系统是建立在IP通信协议和分布式网络的基础上的，它不依靠传统的电路交换，而是建立于网络通信之上，完全通过互联网去交换信息。网络中所有的节点具有同等的地位，不存在任何特殊化的中心节点和层级结构，每个节点均会承担网络路由、验证数据区块等功能。分布式记账网络如图2所示。

4.2 解决物联网的隐私保护问题

区块链技术为物联网提供了去中心化的可能性[4]，只要数据不是被单一的云服务提供商控制，并且所有传输的数据都经过严格的加密处理，那么用户的数据和隐私将会更加的安全。在大数据分析技术被广泛使用的今天[5]，用户可以自己利用数据的价值而不是被运营商进行劫持和外协。

现在区块链中应用最为广泛的非对称加密算法就是椭圆曲线算法。非对称加密算法指的就是存在一对数学相关的密钥，使用其中一个密钥进行加密的数据信息，只有使用另一个密钥才能对该信息进行解密。这对密钥中，对外公开的密钥叫作公钥，不公开的密钥就叫作私钥。图3所示为比特币加密算法，也是区块链普遍所采用的算法。加上区块链数字区块上面的数字签名、时间戳等技术和维护系统的共识算法一起构成了区块链的安全保障。

4.3 利用区块链建立新的商业模式

未来物联网不仅仅是将设备连接在一起完成数据的采集，人们更加希望连入物联网的设备能够具有一定的智能[6]，在给定的规则逻辑下进行自主协作，完成各种具备商业价值的应用。但是，具备商业价值的交互必须确保进行操作的设备具有代表拥有者进行交易的授权，并且这种授权能够被直接验证。同时，由智能设备发出的交易请求需要可靠地记录以确保交易的有效性。在当前中心化构架下的物联网很难完成上述自主协作和有效交易，因为这种协作和交易的相关方往往是属于不同的利益主体，具有复杂和难以确定的信任关系。因此，目前的物联网设备的协作和交易只能够在同一信任域下进行，也就是说协作和交易的设备必须是同一个物联网运营服务商提供或者进行授权验证，这就大大降低了物联网应用的真正商业价值。区块链技术能够提供去信任中介的直接交易，IBM公司和三星公司聯合研制的概念验证系统“自主去中心的点对点遥测”（AutonomousDecentralized Peer-to-Peer Telemetry，ADEPT），使用了区块链技术构建智能设备的分布式网络，验证了去中心化物联网构架的可行性。ADEPT能够使得连入其中的设备之间能够安全并高效地直接相互通信，并实现复杂的商业逻辑。比如，通过智能合约控制家中的洗衣机在洗衣粉不够的时候直接向供应商下单进行采购，区块链技术使连入ADEPT的智能设备之间直接进行订单确认和完成支付操作。

5 结语

物联网作为现在科技必不可少的一部分与未来新技术区块链技术的结合，必将会促使物联网迈向新的台阶，“区块链+物联网=无限可能”的场景有着极大的可能去实现。虽然在5G的发展下，物联网的海量连接、广域覆盖、短时延问题会得到解决。但是物联网传统桎梏仍然没有很好的解决方法，区块链技术的横空出世将再次引发物联网新一次革命，在降低物联网的运营成本，解决物联网的隐私保护问题，建立新的商业模式等方面起着决定新的作用。当然区块链对于物联网的其他方面也有着极大的作用，例如大数据记录保存可以为物联网参与者提供合适的解决方案，本文未一一阐述。

[参考文献]

[1]LUIGI A， ANTONIO I， GIACOMO M.The Internet of Things：a survey [J].Computer Networks， 2010（15）：2787-2805.

[2]沈鑫.区块链技术综述[J].网络与信息安全学报，2016（11）：11-20.

[3]刘锦.我国物联网现状及发展策略[J].企业经济，2013（4）：114-117.

[4]朱岩.区块链关键技术中的安全性研究[J].信息安全研究，2016（12）：1090-1097.

[5]赵阔.区块链技术驱动下的物联网安全研究综述[J].信息网络安全，2017（5）：1-6.

[6]谢辉.区块链技术及其应用研究[J].信息网络安全，2016（9）：192-195.