物聯網作為新一代信息通信技術高度集成和綜合應用的典范，正在與經濟社會深度融合，深刻改變生產活動、社會管理、公共服務。隨著物聯網技術在各行業中的普及和不斷深化，人類社會正進入“萬物互聯”的新時代，可穿戴設備、智能家電、自動駕駛汽車、智能機器人等數以百億計的新設備將接入網絡，也使得物聯網成為當今全球技術創新最活躍、應用空間最廣闊的領域之一。
云計算、大數據、新一代移動通信技術與智能感知、行業應用相互交織，激蕩融合，不斷激發創新活力，成為物聯網發展的新動力。區塊鏈技術作為當前國內外的焦點技術之一，可能會對未來技術創新和產業變革產生重要影響。在物聯網中如何定位和應用區塊鏈技術值得進一步思考和探討。
區塊鏈的技術與應用情況
區塊鏈的概念首次在2008年底由化名中本聰(Satoshi Nakamoto)發表在比特幣論壇中的論文中提出。論文中區塊鏈技術是構建比特幣數據結構與交易信息加密傳輸的基礎技術，該技術實現了比特幣的挖礦與交易。
區塊鏈是分布式數字存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術的集成應用。從狹義上講，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義而言，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問安全、利用智能化合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。與傳統的數據庫技術相比，區塊鏈具備3個特點：一是數據的不可篡改性;二是系統集體維護;三是信息的公開透明。同時，相對傳統數據庫技術，現階段的區塊鏈技術數據吞吐量小，讀寫時延較大，更適合低頻率、小數據的可靠存儲和處理。
從現有的區塊鏈的技術應用看，區塊鏈基礎架構一般由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層組合。其中，數據層封裝了底層數據區塊以及相關數據加密和時間戳等技術;網絡層則包括分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等;共識層主要封裝網絡節點的各類共識算法;激勵層將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中，主要包括經濟激勵的發行機制和分配機制等;合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區塊鏈可編程特征的基礎;應用層則封裝了區塊鏈的各種應用。在這一模型中，基于時間戳的鏈式區塊結構、分布式節點的共識機制、靈活可編程的智能合約是區塊鏈技術最具創新性的技術環節。
全球區塊鏈應用探索非常活躍，總體而言還處于小規模的概念驗證階段。當前的區塊鏈技術應用主要集中在兩個方面：
一是在不同機構或個人之間缺乏互信并缺少中介的情況下，實現數據的直接交換。區塊鏈技術源于比特幣，是比特幣的底層數據存儲技術，因此金融是區塊鏈應用最熱門的領域。美國Ripple公司早在2012年就已經引入區塊鏈技術為多家銀行提供跨境轉賬、清算和支付服務，與SWIFT(環球同業銀行金融電訊協會)等傳統渠道相比，能夠節約1/3手續費，把跨行對賬等操作時間從數天壓縮到幾秒。區塊鏈在數字貨幣、支付結算、證券交易、互助保險等金融場景中的應用也受到高度重視。此外，在能源領域，美國公司Brooklyn MicroGrid等使用區塊鏈技術，智能電網的用戶無需通過電力公司就能進行電力資源的靈活交換。在醫療領域，瑞士公司HealthBank和美國公司Gem采用區塊鏈技術存儲醫療數據，幫助多家醫院和醫療機構直接交換電子病歷。
二是用于重要數據的保全與可靠存儲。利用區塊鏈不可篡改的特點，重要數據(如權屬、協議、票據等法律文書)的保全成為應用探索的熱點。目前，愛沙尼亞、格魯吉亞等國家政府正嘗試采用區塊鏈技術對重要資產進行登記，開展了土地注冊、商業登記、電子征稅等重要信息的登記工作。美國法律服務公司Pryor Cashman推出了數字產品(如音樂、視頻等)的交易平臺“Monograph”，采用區塊鏈技術解決數字藝術品的權屬和認證問題。國內網站“保全網”通過區塊鏈技術對互聯網金融平臺的身份信息、操作記錄以及保險業務中的保險憑證等電子數據的真實性進行認證，并與公證處和司法鑒定中心對接，可以提供公證書、司法鑒定報告等服務。
區塊鏈技術在物聯網中應用的思路探討
應該說，區塊鏈最核心的價值便是通過程序算法來建立一個公開透明的規則，以此為基礎來創立一個信任網絡，確保點對點之間的信任與交易的安全，這就摒棄了傳統的中心化的第三方機構，也省去了統一的賬簿更新和驗證環節。而隨著物聯網規模的不斷擴大，構建百億級設備的“巨系統”，物聯網面臨的安全隱私保護、數據真實性保障、系統可擴展性和信息共享等的一系列挑戰，應用區塊鏈技術的空間十分廣闊。總體而言，區塊鏈技術在物聯網中應用主要在以下3個方面。
物聯網的核心理念是通過傳感器等感知設備將物理世界的隱性數據轉化為顯性數據，進而從顯性數據中獲得客觀世界的運行規律和相關知識。作為物理世界在網絡信息空間的投射，物聯網對數據在產生、傳輸、處理過程中的真實性具有更高的要求，這也是區塊鏈技術在物聯網中可能應用的主要方向之一。在產品追溯、車聯網等領域均有廣闊的應用空間。
以產品追溯為例。產品追溯是物聯網技術的重要應用領域之一，目前廣泛應用在農牧產品原產地追溯，工業生產的原材料和零配件追溯，以及消費品防偽等方面。其主要實現方式是為追溯產品分配惟一的標識(可以是RFID射頻標簽、二維碼等多種形式)，在標識中關聯產品的相關信息(如原產地信息、制造企業信息等)，采購該產品的企業或消費者可通過標識識別裝置(如RFID讀寫器、手機二維碼掃描等)對標識中的信息進行讀取，實現對產品信息的追溯、真偽查詢等功能。在產品溯源過程中應用區塊鏈技術，可形成多方參與且信息透明、共享、保真的溯源鏈。在產品的生產、加工、銷售等多個環節建立區塊鏈賬本，建立真品溯源的全程鏈式路徑，直達最終使用方或消費者。以肉類產品為例建立的溯源鏈結構如圖1所示。
圖1 肉類產品溯源鏈結構
利用區塊鏈技術構建的溯源鏈，具有數據公開透明、不可偽造、不可篡改、不可撤銷的特點，能夠從技術上解決產品數據的真實性問題。在這一溯源鏈中，不論是生產企業、經銷商、零售商，還是監管部門均能夠基于溯源鏈對各個環節的數據進行共享，有效地解決了目前產品溯源中數據可能在某一環節遭到篡改而造成整體數據失真問題。另外在車聯網的V2X交互過程中，為了保證高即時性和高不確定性的路況信息在車輛之間的可靠性傳遞，避免由于數據信息真實導致失效，也可以利用區塊鏈技術構建“路況鏈”，保障信息的透明、可靠傳遞。
區塊鏈技術增強物聯網系統的安全性
隨著萬物互聯時代的到來，物聯網安全威脅日益凸顯。物聯網節點分布廣，數量多，應用環境復雜，計算和存儲能力有限，這使得物聯網的安全性相對脆弱。隨著物聯網應用在工業、能源、電力、交通等國家戰略性基礎行業，一旦發生安全問題，將造成難以估量的損失。從伊朗的震網病毒攻擊核設施的事件、2015年底烏克蘭電網受木馬影響而局部停電事件到2016年美國發生的物聯網終端被木馬控制發起攻擊導致互聯網癱瘓的事件，物聯網安全問題日益突出。與安全相關的，還有物聯網的數據隱私保護。隨著物聯網平臺化的發展，對于行業用戶而言，如何保證物聯網中的數據隱私也是亟需解決的問題之一。而不論是安全還是隱私保護，物聯網中應用的仍是在互聯網或通信網中常規的安全防護技術和手段。這種“嫁接”對物聯網本身在安全和數據隱私保護方面的特定要求考慮并不充分，也難以應對物聯網設備數量大幅度增長帶來的擴展性問題。物聯網的安全風險及安全需求如圖2所示。
圖2 物聯網的安全風險及安全需求
區塊鏈技術的應用能夠在一定程度上提升物聯網的系統安全性，當前主要在以下方面起到重要作用。
一、 物聯網節點合法性身份的鑒別。由于物聯網感知設備有限的計算、存儲能力，造成感知設備上難以應用復雜度較高、對節點性能要求較高的安全措施，被仿冒的風險較高。區塊鏈的驗證和共識機制有助于識別合法的物聯網節點，避免非法或惡意的物聯網節點或設備的接入。
二、 物聯網數據的隱私保護。集中式的物聯網方案由平臺對感知數據進行匯聚和處理。對于接入到物聯網平臺的行業用戶而言，面臨著物聯網平臺在未經許可的方式下存儲和轉發涉及用戶隱私的物聯網數據。區塊鏈帶來的分布式、無中心化結構，以及對所有傳輸數據進行加密處理的方式，將能夠有效的解決這方面的問題。
三、 物聯網網絡基礎設施安全性的提升。不論是構建在互聯網之上的物聯網應用，還是物聯網專網，其網絡基礎設施中的集中式服務提供設備均是安全攻擊的重點。例如利用DDOS攻擊互聯網DNS服務器，或是DDOS攻擊基站或核心路由器等，均將造成網絡的癱瘓。而利用區塊鏈技術將集中式服務改為分布式服務，能夠有效防范對關鍵核心網絡基礎設施的攻擊。
區塊鏈技術改變物聯網信息交換模式
物聯網發展將帶來百億級設備，而這些設備將分屬于不同的平臺，形成中心化的設備連接結構。不同的設備獲得用戶的狀態信息都是片面的，但由于分屬不同的業務提供商、不同的平臺，因此設備之間無法進行直接信息的交換或交易。在現有的物聯網信息交互模型下，設備之間的信息交互需要通過設備所屬平臺進行(當然信息交換的前提是設備所屬業務提供商之間已經達成了一致)，這種信息交換模式不僅效率低，而且需要業務提供商之間達成一致，并需要平臺之間互聯互通技術的支持。物聯網現有的信息交換模式如圖3所示。
圖3 物聯網現有信息交換模式
利用區塊鏈技術在物聯網設備商的部署，能夠快速、有效地建立設備之間的互信和交易網絡，推動物聯網信息交換模式從平臺之間的交換，向設備之間進行對等的信息交換或交易的方式轉變。去中心化的數據信息流動將能夠快速、準確地將相關信息進行關聯，碎片化的信息將形成系統化的信息，能夠更準確地反應客觀世界的運行狀態，促進業務和應用創新，為物聯網發展開辟新的空間。
區塊鏈技術在物聯網中應用面臨的挑戰
雖然區塊鏈技術在物聯網中具有廣闊的應用場景，但也應該看到區塊鏈技術仍處于發展初期，主要面向的應用場景還是以金融、記賬等為主，其技術的先進性在逐步向其他領域擴展。因此在區塊鏈向物聯網擴展過程中，也應該考慮其面臨的挑戰，這些挑戰包括但不限于以下3點。
一、 區塊鏈技術的部署和實施需要由多個節點共同參與，但現在物聯網節點設備的存儲和計算能力普遍受限，聯網能力也較弱。因此如何在物聯網節點中部署區塊鏈技術、是否應在物聯網中采取分級的區塊鏈架構，以及現有的區塊鏈技術需要做哪些方面的增強，都是需要考慮的問題;
二、 很多物聯網應用對實時性要求較高，如車聯網業務等。而現有的區塊鏈共識機制普遍存在延時較大的問題(特別是隨著節點規模擴大，延時可能進一步增加)。共識延時可能引起反饋延時、告警延時，無法滿足現有物聯網應用的需求，需要在技術上進行進一步改進;
三、 目前區塊鏈在互聯網中的應用，僅在一定范圍內、有限節點中開展。而一旦區塊鏈應用在物聯網中，節點數量將呈幾何級數增加，其頻繁的關系數據查詢請求將對現有的鏈式數據架構提出非常嚴峻的挑戰。
當今時代，全球新一輪科技革命和產業變革正在興起，網絡信息技術以前所未有的速度轉化為生產力，深刻改變著全球格局。物聯網發展前景廣闊，面臨著難得的歷史機遇，也面臨著不少挑戰。區塊鏈技術在物聯網中的應用，能夠在一定程度上解決物聯網面臨的問題;同時物聯網提出的新的需求，也將為區塊鏈技術發展注入新的活力。
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