陳 亮，李 峰，夏征義，丁 皓

（軍事科學院系統(tǒng)工程研究院后勤科學與技術研究所，北京 100071）

0 引 言

當今時代，信息技術飛速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、下一代移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術不斷發(fā)展并得到普及應用。2008年，中本聰發(fā)表的一篇論文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[1]將比特幣帶入了人們的視野。該文提出建立一種新型電子現(xiàn)金系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于密碼學原理而非傳統(tǒng)的信息體系運行，任何達成一致的雙方均可實現(xiàn)無須第三方中介參與的交易行為。比特幣能夠在沒有任何中心化機構運營和管理的情況下持續(xù)穩(wěn)定運行，人們逐漸意識到比特幣底層技術的重要意義，并將其抽取出來定義為區(qū)塊鏈技術。

區(qū)塊鏈實現(xiàn)了在分布式環(huán)境下多方參與的雙邊交易去中介化，并且具備全網(wǎng)記錄、可追溯、防篡改等特點。與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術類似，區(qū)塊鏈是一種在現(xiàn)有技術基礎上，加以獨創(chuàng)性的組合和創(chuàng)新，集成了多方研究成果的綜合性技術。

區(qū)塊鏈帶來的效率提升和成本降低為經濟社會發(fā)展和治理提供了新的思路，其行業(yè)應用優(yōu)勢在于優(yōu)化業(yè)務流程、降低運營成本、提升協(xié)同效率，這種優(yōu)勢在金融、物聯(lián)網(wǎng)、公共服務、社會公益和供應鏈管理等領域逐步體現(xiàn)出來[2]。區(qū)塊鏈技術的迅猛發(fā)展引起了各國政府機構、金融機構、大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)及科研機構的廣泛關注。學術研究方面則逐步拓展了區(qū)塊鏈應用領域，并結合共識機制、密碼學算法、分布式數(shù)據(jù)存儲及管理機制等進行了深入分析。

文獻[3]從關鍵技術、內容、原理、瓶頸和應用前景等方面對區(qū)塊鏈進行了比較全面的介紹。但其側重于基礎性介紹，對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下區(qū)塊鏈的應用分析不夠深入。

文獻[4]提出了一種基于區(qū)塊鏈的應用系統(tǒng)開發(fā)方法研究，設計了基于賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的雙鏈設計模型，能夠支持多個區(qū)塊鏈應用系統(tǒng)開發(fā)，且具有開發(fā)周期短、可擴展性高、運行速度快等特點。但該雙鏈模型主要應用于金融行業(yè)，并不適用于物聯(lián)網(wǎng)海量、實時的應用場景。

文獻[5]從可信數(shù)據(jù)管理角度，介紹了與區(qū)塊鏈相關的技術和研究進展，包括分布式共識、智能合約、數(shù)據(jù)溯源等，并分析應用對可信數(shù)據(jù)管理所提的需求和研究挑戰(zhàn)，為物聯(lián)網(wǎng)所在的大規(guī)模分布式環(huán)境下可信數(shù)據(jù)管理提供了基礎理論支撐。

文獻[6]提出了一種可采用零知識證明算法的分布式智能合約系統(tǒng)Hawk。相對現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)，Hawk的分布式賬本并不會將所有交易信息向公眾開放，同時通過采用密碼學算法，使得公眾在不知道交易信息的情況下對交易進行驗證，進一步增強了比特幣系統(tǒng)的隱私性。

文獻[7，8]則通過分析區(qū)塊鏈技術特點來解決物聯(lián)網(wǎng)應用中的安全問題，同時對物聯(lián)網(wǎng)技術與區(qū)塊鏈相結合后的安全性問題做了探討。但由于其僅局限在安全領域，并未全面分析區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)技術特征及應用模式，缺乏對區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)及解決思路方面的研究。

本文通過分析區(qū)塊鏈技術架構及應用特征，給出區(qū)塊鏈基本組成結構及分類，分析區(qū)塊鏈為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的技術優(yōu)勢，提出區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的典型應用場景，應對區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，為進一步推動區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用研究，拓展區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的應用范圍提供參考。

1 區(qū)塊鏈技術架構

一個典型的區(qū)塊鏈由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成，結構如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊、區(qū)塊之間的鏈式結構以及數(shù)據(jù)加密和時間戳等技術；

（2）網(wǎng)絡層包括分布式組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制等；

（3）共識層主要封裝了網(wǎng)絡節(jié)點的各種共識算法，包括工作量證明算法（Proof of Work，PoW）、股權證明算法（Proof of Stake，PoS）、股份授權證明算法（Delegated Proof of Stake，DPoS）等 ；

（4）電子貨幣激勵機制在推動資源共享、激發(fā)群體智能、促進協(xié)作通信等方面具有重要作用，是提升信息網(wǎng)絡服務質量與效率的關鍵[9]。區(qū)塊鏈的分布式激勵層主要包括經濟激勵的發(fā)行機制和分配機制等；

（5）合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎；

（6）應用層則封裝了區(qū)塊鏈的各種應用場景和案例，包括可編程金融、可編程貨幣、可編程社會等。

圖1 區(qū)塊鏈技術架構模型

在上述技術架構模型中，區(qū)塊鏈核心要素包含以下三個方面：

（1）基于時間戳的鏈式區(qū)塊結構：每一個區(qū)塊均有時間戳，包含前一個區(qū)塊的哈希值，且驗證每一個交易；

（2）基于P2P網(wǎng)絡的分布式存儲機制：通過P2P網(wǎng)絡的傳播和驗證機制，每個參與節(jié)點都存儲同樣的信息，擁有同樣的權利；

（3）基于分布式節(jié)點的共識機制：共識算法確保了每個節(jié)點存儲信息的一致性及可驗證性。

根據(jù)不同的應用領域特點，區(qū)塊鏈分為三類，即公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。

公有鏈是完全去中心化的區(qū)塊鏈。分布式系統(tǒng)的任何節(jié)點均可參與鏈上數(shù)據(jù)的讀寫、驗證和共識過程，并根據(jù)貢獻獲得相應的經濟激勵。公有鏈最先出現(xiàn)，也是目前應用最為廣泛的區(qū)塊鏈，比特幣區(qū)塊鏈是一種典型的公有鏈。

私有鏈是完全中心化的區(qū)塊鏈。鏈上數(shù)據(jù)的寫入權限由中心機構控制，讀取權限可視需求有選擇性地對外開放，主要適用于特定機構的內部數(shù)據(jù)管理或審計等。私有鏈與其他分布式存儲方式并沒有太大的區(qū)別。

聯(lián)盟鏈是多中心化的區(qū)塊鏈。每個區(qū)塊的生成是由預選節(jié)點共同決定的，其他節(jié)點只能接入?yún)^(qū)塊鏈負責交易，但并不參與共識過程。R3組成的銀行區(qū)塊鏈聯(lián)盟就是一種典型的聯(lián)盟鏈。

2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結構

區(qū)塊鏈把數(shù)據(jù)分成不同的區(qū)塊，每個區(qū)塊通過特定的信息鏈接到上一區(qū)塊的后方，以此形成一套完整的數(shù)據(jù)。每個區(qū)塊由一個被稱為“魔法數(shù)”的常數(shù)、區(qū)塊大小、區(qū)塊頭、區(qū)塊所包含的交易數(shù)量，以及部分或所有近期新交易組成。一個區(qū)塊的結構見表1所列。

表1 區(qū)塊結構示意圖

在每個區(qū)塊中，對整個區(qū)塊起決定作用的是區(qū)塊頭。表2所列為區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)結構。

表2 區(qū)塊結構

創(chuàng)世塊（Genesis Block）是指區(qū)塊鏈的第一個區(qū)塊。表2中的hashPreBlock是區(qū)塊之所以能夠連成區(qū)塊鏈的關鍵字段，由于每個區(qū)塊包含前一個區(qū)塊的Hash值，使得從創(chuàng)世塊到當前塊形成了一條塊鏈，每個區(qū)塊一定是按時間順序跟隨在前一個區(qū)塊之后，區(qū)塊鏈結構如圖2所示[10]。

3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一些問題

近幾年物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)取得了顯著成果，大量傳感器和機器設備與互聯(lián)網(wǎng)相結合，實現(xiàn)了智能化的管理與操作。2013年Gubbi等人[11]描繪了反映整個世界未來物聯(lián)網(wǎng)應用的場景。所有智能設備和物體都嵌入了傳感器，通過實時感知周圍環(huán)境和網(wǎng)絡互聯(lián)，人們能夠足不出戶地完成工作、業(yè)務、交易等。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，設備安全、隱私保護、架構僵化、通信兼容性和多主體協(xié)同等瓶頸仍有待突破。

（1）設備安全方面：Mirai創(chuàng)造的僵尸物聯(lián)網(wǎng)（Botnets of Things）被麻省理工科技評論評為2017年度十大突破性技術。由其控制的海量物聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)起的分布式拒絕服務攻擊（DDoS）使得美國網(wǎng)絡域名解析服務商Dyn瞬間癱瘓[12]；

（2）隱私保護方面：傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要采取中心化的管理架構，在用戶隱私及安全信道傳輸方面存在許多不足[13]。例如，美國Sense Network公司會從每天處理收集的40多億條位置數(shù)據(jù)中提取并分析用戶的愛好、習慣等隱私信息[14]；

（3）架構僵化方面：目前物聯(lián)網(wǎng)應用幾乎全部采用中心化體系結構，物聯(lián)網(wǎng)運營商通過云端服務器集群為物聯(lián)網(wǎng)應用提供數(shù)據(jù)存儲和交換服務。隨著低功耗廣域網(wǎng)技術的發(fā)展，未來物聯(lián)網(wǎng)終端設備將呈幾何級數(shù)增長，歐洲委員會提出：到2020年將有500億～1 000億的智能設備接入互聯(lián)網(wǎng)[15]，而中心化的物聯(lián)網(wǎng)運營模式很難滿足這一快速增長的需求。

（4）通信兼容方面：物聯(lián)網(wǎng)通信領域存在多個競爭性標準和平臺。以低功耗廣域網(wǎng)為例，存在LoRa， NB-IoT，Sigfox， Weightless等解決方案[16]。采用不同通信手段的物聯(lián)網(wǎng)設備群組在通信兼容性方面還存在一些問題。

（5）多主體協(xié)同方面：目前，物聯(lián)網(wǎng)大多是運營商、企業(yè)內部的自組織網(wǎng)絡?？缍鄠€運營商、多個主體之間開展協(xié)作時，建立信用的成本較高。

圖 2 區(qū)塊鏈結構示意圖

4 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展優(yōu)勢

當前區(qū)塊鏈技術在物聯(lián)網(wǎng)領域中的應用已經展開，區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展是下一步的重要研究方向。區(qū)塊鏈憑借其主體對等、公開透明、多方共識、信息難以篡改和可編程等特性，對物聯(lián)網(wǎng)技術體系、基礎設施、運營模式等多方面可能會產生較為深遠的影響，需解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中遇到的一些問題：

（1）降低傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)運營成本。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)可采用P2P傳輸方式解決網(wǎng)絡帶寬受限問題，并通過分布式方式利用數(shù)以億計的物聯(lián)網(wǎng)閑置節(jié)點的計算資源、存儲資源及數(shù)據(jù)資源，從而大幅降低傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中心化架構的高額運維成本、促進信息的流動與共享。

（2）解決不同信任域下節(jié)點的安全性問題。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)可采用基于時間戳的存儲結構和分布式存儲機制，構建一條可證可溯的電子存證，保護數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。

（3）實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備間的智能協(xié)作。采用區(qū)塊鏈的智能合約可將傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)智能設備變成可以自我維護調節(jié)的獨立個體，這些個體可在無須人工參與的情況下，根據(jù)事先規(guī)定或植入的規(guī)則合約，與其他個體交換信息或核實身份等。

5 典型應用場景

當前區(qū)塊鏈技術并未完全定型，很多區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)應用場景還屬于概念驗證階段。但如果采用不同的共識機制和數(shù)字簽名驗證算法，其應用場景大為不同。

5.1 供應鏈數(shù)據(jù)存證與溯源

產品溯源是物聯(lián)網(wǎng)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(yè)生產的原材料和零配件追溯以及消費品防偽等方面[17]。傳統(tǒng)產品溯源方式主要通過賦予其唯一的標識（如RFID射頻標簽、二維碼等），并在標識中關聯(lián)該產品的相關信息（如原產地、生產企業(yè)等），采購該產品的企業(yè)或消費者可通過標識識別裝置（如RFID讀寫器、手機等）對標識中的信息進行讀取，從而實現(xiàn)產品信息的追溯、真?zhèn)尾樵兊裙δ堋?/p>

采用區(qū)塊鏈技術可構造形成多方參與的溯源鏈，該鏈具有數(shù)據(jù)公開透明、不可偽造、不可篡改、不可撤銷的特點。結合線上和線下同步等方式，將傳感器收集的數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，形成防篡改電子證據(jù)。生產企業(yè)、物流、經銷商、零售商、質量監(jiān)管等均能基于該溯源鏈對各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行共享與驗證，從而提升各方主體造假抵賴成本，進一步厘清責任邊界。同時，根據(jù)實時收集的數(shù)據(jù)，能夠及時了解產品的生產、運輸、銷售等各環(huán)節(jié)，以及必要的反應措施（如冷鏈運輸過程中，超過一定溫度的貨艙能夠立刻定位故障來源），增強多方協(xié)作可能。供應鏈存證與溯源示意圖如圖3所示。

5.2 分布式能源交易和供給

能源行業(yè)普遍存在常規(guī)能源產能過剩、新能源利潤率和回報率低以及相關基礎設備及硬件配置不完備等問題[18]。目前在信息采集和接入方面，采用物聯(lián)網(wǎng)技術能夠實現(xiàn)智能監(jiān)測設備的互聯(lián)互通及設備狀態(tài)、外部環(huán)境的實時監(jiān)測。而在信息處理與應用方面，可采用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)智能化決策調控與自主交易。

圖 3 供應鏈存證與溯源示意圖

以住戶建立的微電網(wǎng)為例，美國LO3 Energy和ConsenSys公司實現(xiàn)了一個點對點交易、自動化執(zhí)行、無第三方中介的能源交易平臺，如圖4所示。主要通過在住戶智能電表中安裝區(qū)塊鏈軟件，構成一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡來實現(xiàn)其功能。用戶通過APP在自家智能電表區(qū)塊鏈節(jié)點上發(fā)布相應智能合約，基于合約規(guī)則，通過電網(wǎng)設備控制相應的鏈路連接，實現(xiàn)分布式自主能源交易和能源供給。

圖 4 分布式自主能源交易平臺

本節(jié)以區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在供應鏈及能源領域的典型應用場景為代表，分析其為傳統(tǒng)應用模式帶來的新的發(fā)展前景。此外，區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在更多領域的應用還處于探索起步階段。后續(xù)工作將結合區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展不斷充實完善。

6 挑戰(zhàn)與展望

雖然區(qū)塊鏈技術在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應用前景，但區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)作為近年來興起并快速發(fā)展的新技術，兩者之間的結合同樣面臨各種制約其發(fā)展的問題和障礙。

（1）資源消耗。物聯(lián)網(wǎng)設備普遍存在計算能力低下、聯(lián)網(wǎng)能力弱、電池續(xù)航時間短等問題。而比特幣采取的PoW耗費了大量的算力資源和電力資源，并不適用物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。設計行之有效的交互機制來匯聚和利用分布式共識節(jié)點的群體智能是區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)急需解決的重要問題。

（2）性能瓶頸。區(qū)塊鏈要求系統(tǒng)中每個節(jié)點保存一份數(shù)據(jù)備份，這對于物聯(lián)網(wǎng)日益增長的海量數(shù)據(jù)存儲而言是極不現(xiàn)實的。雖然采用輕量級驗證節(jié)點可解決部分問題，但適用于更大規(guī)模的工業(yè)級解決方案仍有待研究和設計[19]。傳統(tǒng)比特幣區(qū)塊鏈每秒僅能處理7筆交易，加上共識確認時間，大約需要1小時才能寫入?yún)^(qū)塊，因此并不適用于對時延敏感的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領域。

（3）分區(qū)容忍。由于物聯(lián)網(wǎng)設備可能處于無人區(qū)、復雜電磁環(huán)境、高速移動場景等，因此存在節(jié)點經常失效、頻繁加入或退出網(wǎng)絡等現(xiàn)象。這將會消耗大量網(wǎng)絡帶寬，并帶來網(wǎng)絡震蕩，甚至出現(xiàn)“網(wǎng)絡割裂”的現(xiàn)象。

然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)霧計算、邊緣計算的發(fā)展[20]、區(qū)塊鏈中混雜共識機制、輕量級共識協(xié)議和基于有向無環(huán)圖（Directed Acycline Graph， DAG）的數(shù)據(jù)存儲架構[21]等技術的創(chuàng)新研究，區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)有望得到逐步解決，從而形成面向泛在物聯(lián)網(wǎng)的去中心化模式。

7 結 語

隨著以比特幣為代表的數(shù)字加密貨幣如雨后春筍般出現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術逐漸成為學術界和產業(yè)界的熱點研究課題。區(qū)塊鏈主體對等、公開透明、多方共識、信息難以篡改和可編程等特點，使其在物聯(lián)網(wǎng)領域有著較好的應用前景。本文在系統(tǒng)梳理區(qū)塊鏈基本原理、技術架構、數(shù)據(jù)結構的基礎上，研究了區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的典型應用場景，探索了區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，以期為物聯(lián)網(wǎng)領域區(qū)塊鏈相關研究與應用提供參考。

[1] NAKAMOTO S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL].https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf. 2017-12-24.

[2]騰訊.騰訊區(qū)塊鏈方案白皮書[EB/OL]. http：//www.cebnet.com.cn/20170425/102386208.html.2017-12-24.

[3]何蒲，于戈，張巖峰，等.區(qū)塊鏈技術與應用前瞻綜述[J].計算機科學，2017，44（4）：1-7.

[4]蔡維德，郁蓮，王榮，等.基于區(qū)塊鏈的應用系統(tǒng)開發(fā)方法研究[J].軟件學報，2017，28（6）：1474-1487.

[5]錢衛(wèi)寧，邵奇峰，朱燕超，等.區(qū)塊鏈與可信數(shù)據(jù)管理：問題與方法[J].軟件學報，2018， 29（1）： 150-159.

[6] KOSBA A， MILLER A， SHI E， et al. Hawk ： The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts[C]//Security and Privacy（SP）， 2016 IEEE Symposium on. IEEE，2016： 839-858.

[7] KSHETRI N. Can Block chain Strengthen the Internet of Things?[J].IT Professional，2017，19（4）： 68-72.

[8]趙闊，邢永恒.區(qū)塊鏈技術驅動下的物聯(lián)網(wǎng)安全研究綜述[J].信息網(wǎng)絡安全，2017（5）：1-6.

[9]何云華，耿子燁，李紅，等.電子貨幣激勵機制綜述[J].軟件學報，2017，28（1）：97-106.

[10]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[11] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， et al. Internet of Things（IoT）： A vision， architectural elements， and future directions[J].Future generation computer systems， 2013， 29（7）： 1645-1660.

[12] KREBS B. Ddos on dyn impacts twitter， spotify， reddit[J].Security IT， 2016， 20（16）： 68-72.

[13]董曉蕾.物聯(lián)網(wǎng)隱私保護研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2015，52（10）：2341-2352.

[14]聶金慧，蘇紅旗.物聯(lián)網(wǎng)位置數(shù)據(jù)安全策略研究[J].信息網(wǎng)絡安全，2014（6）：6-10.

[15] SUNDMAEKER H， GUILLEMIN P， FRIESS P， et al. Vision and challenges for realising the Internet of Things[J]. Cluster of European Research Projects on the Internet of Things， European Commission， 2010（3）： 34-36.

[16] ZHANG Q， YANG S L， WU Y M， et al. Several communication modes of the internet of things and the technical characteristics[J].Computer science and application，2017，7（10）： 984-989.

[17]中國工控網(wǎng).區(qū)塊鏈技術在物聯(lián)網(wǎng)中應用探討[EB/OL]. http：//www.gongkong.com/article/201707/75046.html.2017-07-12.

[18]中國電子技術標準化研究院.中國區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新應用藍皮書[EB/OL].http：//www.cesi.ac.cn/201709/2920.html.2017-09-24.

[19] EYAL I， GENCER A E， SIRER E G， et al. Bitcoin-NG ： A scalable blockchain protocol[C]//NSDI.2016： 45-59.

[20] GUPTA H， VAHIDDASTJERDI A， GHOSH S K， et al. iFogSim ：A toolkit for modeling and simulation of resource management techniques in the Internet of Things， Edge and Fog computing environments[J]. Software： practice and experience，2017，47（9）：1275-1296.

[21] IOTA. IOTA和 物 聯(lián) 網(wǎng)[EB/OL].https：//www.jianshu.com/p/4cdbc200940d.2017-12-20.