熊強東

（四川曠谷信息工程有限公司 四川省成都市 610000）

區(qū)塊鏈技術和邊緣計算的結合，使得物聯(lián)網(wǎng)技術的應用更加廣泛，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的深度開發(fā)具有很強的促進作用。區(qū)塊鏈作為共享數(shù)據(jù)庫具有不可偽造、公開透明和追溯能力強的特征，邊緣計算作為數(shù)據(jù)計算、存儲和應用的開放平臺，能夠為用戶提供近端服務，滿足智能化場景應用請求，使得物聯(lián)網(wǎng)的各項能力獲得顯著提升。

1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在的不足

借助于云計算等技術與物聯(lián)網(wǎng)的融合，當前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展如火如荼，全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會(GSMA)提出， 2019-2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將翻一番以上，全球物聯(lián)網(wǎng)收入將增加兩倍以上達到1.1 萬億美元。雖然發(fā)展勢頭良好，但傳統(tǒng)基于云計算技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，仍然存在大量不可忽視的問題，給物聯(lián)網(wǎng)應用范圍的進一步擴大帶來了障礙。

1.1 網(wǎng)絡延遲大的問題

當前在物聯(lián)網(wǎng)中大量應用了云計算技術，雖然此舉充分利用了云端計算資源，但由于一方面物聯(lián)網(wǎng)終端需要將數(shù)據(jù)上傳，另一方面需要云端進行計算之后再回傳計算結果，在相互網(wǎng)絡傳輸?shù)倪^程中將耗費了大量的時間，網(wǎng)絡存在一定的延遲，如遇網(wǎng)絡信號不好時延遲現(xiàn)象更為明顯，在需要實時數(shù)據(jù)處理和分析以進行快速響應的場景下，如虛擬現(xiàn)實、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、應急搶險等，存在明顯不足。

1.2 網(wǎng)絡帶寬成本高的問題

現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大，一些連接的傳感器（例如相機或在引擎中工作的聚合傳感器）會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，特別是一些視頻等多媒體信息。將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送至云端進行處理，將占用很大的網(wǎng)絡寬帶，耗費額外的成本，得不償失。

1.3 隱私難以得到全面保護的問題

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲的主體多為各單位，個人用戶很多時間難以按照個人意愿，對私人數(shù)據(jù)取向及用途加以限制和授權。另外，大量用戶信息需通過互聯(lián)網(wǎng)上傳云端處理，數(shù)據(jù)常集中存儲于中心數(shù)據(jù)庫中，大大增加了黑客中途盜取篡改數(shù)據(jù)以及破壞中心化存儲數(shù)據(jù)風險。如何有效的為用戶的隱私提供保護，現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)領域亟待解決的問題。

1.4 終端無法自治的問題

基于云技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通常其控制信息來自于云端，一旦網(wǎng)絡中斷將導致物聯(lián)網(wǎng)終端設備無法正常運轉，使終端設備間的協(xié)同出現(xiàn)混亂和偏差。來自云端的控制信息延遲過大，同時將產(chǎn)生嚴重的后果，如車聯(lián)網(wǎng)過于依賴云端，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件無法快速處理數(shù)據(jù)、實時做出判斷，將導致自動駕駛產(chǎn)生災難性后果。

1.5 終端難以相互信任

當前物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系主要依賴的是中心化的代理通信模式，不然就是服務器/用戶端模式，所有的設備都是通過云服務器驗證設備身份的合法性和數(shù)據(jù)的正確性。一旦云服務器崩塌或被入侵，將導致設備間的信任失敗，甚至為不法分子所利用，偽造設備身份或信息加以大肆破壞。

2 在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中融入邊緣計算及區(qū)塊鏈技術的必要性

由于存在上述問題，結合當前新興的邊緣計算及區(qū)載鏈技術的優(yōu)勢和特點，非常有必要將兩者融入進物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設中。

2.1 邊緣計算

邊緣計算強調(diào)以數(shù)據(jù)源頭相近網(wǎng)絡邊緣側為依托，通過充分融合存儲、計算等功能的開放式平臺，對邊緣智能服務進行就近提供，保證行業(yè)數(shù)字化所提出關鍵需求可得到最大限度滿足。一般來說，行業(yè)數(shù)字化所出需求，主要集中在：連接敏捷、優(yōu)化數(shù)據(jù)、安全保護、應用智能、實時業(yè)務等方面[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)中融入邊緣計算，在終端和云端之間增加以邊緣計算為核心邊緣端，形成“云、邊、端”協(xié)同效應，能取得明顯效果：

（1）可保證物聯(lián)網(wǎng)設備做出更及時且有效的反應，在對云計算架構所存在不足進行彌補的基礎上，通過萬物互動的方式，確保所構建系統(tǒng)具有理想的完整性；

（2）真正做到串聯(lián)不同物聯(lián)設備，為不同類型及規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供接入、互動的途徑；

（3）數(shù)據(jù)大量存儲于終端，有效防止信息在傳輸中的泄漏和對帶寬的大量占用，安全性和經(jīng)濟性更好

2.2 區(qū)域鏈技術

區(qū)塊鏈從本質上講是一個共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征?；谶@些特征，區(qū)塊鏈技術可在物聯(lián)網(wǎng)中建立堅實的信任基礎，創(chuàng)造了可靠的合作機制，并能提高物聯(lián)網(wǎng)的終端自治能力。它可以把物聯(lián)網(wǎng)的核心節(jié)點的能力下放到各個邊緣節(jié)點 ，核心節(jié)點僅控制核心內(nèi)容或做備份使用， 各邊緣節(jié)點為各自區(qū)域內(nèi)設備服務，并可通過更加靈活的協(xié)作模式以及相關共識機制，完成原核心節(jié)點承擔的認證、賬務控制等功能，保證網(wǎng)絡的安全、可信和穩(wěn)定運行。

3 邊緣計算及區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的融合方法分析

在物聯(lián)網(wǎng)上，對邊緣計算、區(qū)塊鏈技術相結合，可進一步放大彼此的優(yōu)勢，共同增強物聯(lián)網(wǎng)架構的能力：

（1）資源利用度提高業(yè)務應用、區(qū)塊鏈可共用節(jié)點資源，降低云端資源開銷。通過快速向節(jié)點部署業(yè)務應用、區(qū)塊鏈節(jié)點的方式，在提高部署效率的基礎上，為相關軟件功能的實現(xiàn)助力。

（2）通信能力增強。邊緣計算節(jié)點和用戶側距離較近，若以向云端傳輸數(shù)據(jù)為參照，不僅傳播路徑變得更加可控，通信時延也將有所降低?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有方法對其進行優(yōu)化，如基于邊緣節(jié)點緩存使用頻率較高的區(qū)塊鏈業(yè)務數(shù)據(jù)和賬本數(shù)據(jù)，可使通信效率得到顯著提高，傳輸時延自然能夠獲得優(yōu)化。

（3）開放性增強。邊緣計算對物聯(lián)網(wǎng)固有網(wǎng)絡能力進行增強，支撐區(qū)塊鏈應用的實現(xiàn)，幫助強化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自身開放能力，保證所形成區(qū)塊鏈服務符合信任+信息的要求。

（4）安全協(xié)同能力增強。邊緣計算多源頭的處理方式和區(qū)塊鏈的特點正好契合，區(qū)塊鏈去中心化結構正是能夠保證每個節(jié)點的自由度，可有效分配、管理龐大的分布式邊緣計算資源。其次，區(qū)塊鏈也可保障邊緣計算數(shù)據(jù)的完整性和防偽存證，在“端-邊-云”各方間實現(xiàn)去中心的認證。此外，區(qū)塊鏈特有的不可篡改數(shù)據(jù)賬本特性，使得邊緣節(jié)點在分布式數(shù)據(jù)存儲方面的安全威脅得以解決，利用區(qū)塊鏈的共識算法，可使得邊緣計算在出現(xiàn)特定的節(jié)點宕機或被惡意操控的情形下仍能保持正常工作。

4 基于邊緣計算及區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構

基于區(qū)塊鏈、邊緣計算所設計物聯(lián)網(wǎng)，其系統(tǒng)架構自下向上分為資源層、計算層、通信層、共識層、應用層，各層內(nèi)容和作用如下：

4.1 資源層

該層主要為物聯(lián)網(wǎng)設備，功能主要是向系統(tǒng)提供各項數(shù)據(jù)的準確來源。

4.2 計算層

該層主要基于邊緣計算技術實現(xiàn)邊緣計算，包括邊緣數(shù)據(jù)清洗、存儲、報警、響應等功能。數(shù)據(jù)清洗：計算設備利用自身固有算力對數(shù)據(jù)進行簡單清洗，如一致性檢查，確保缺失值、無效值能得到有效處理；數(shù)據(jù)儲存；計算節(jié)點以設備儲存容量為依據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲，結合網(wǎng)絡允許條件完成數(shù)據(jù)上傳；報警信息推送：計算設備采用郵件、短信等形式推送報警信息；設備響應：計算節(jié)點依據(jù)設備特性做出響應，確保設備性能符合要求、響應及時有效。

4.3 通信層

該層主要負責物聯(lián)網(wǎng)設備的通信。物聯(lián)設備通信通過4G、5G、NB-IoT、以太網(wǎng)、串口總線、并口總線等通用的物理進行通訊，可支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link 等協(xié)議。

4.4 共識層

該層主要基于區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)存儲、共識達成、智能合約等功能。數(shù)據(jù)驗證：主要用于驗證物聯(lián)設備上傳數(shù)據(jù)的安全性、有效性、并對上傳數(shù)據(jù)做價值評估以及價值確認；數(shù)據(jù)存儲：采用PFS 和BigChainDB 等方式對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行存儲；共識達成：利用一定協(xié)議機制使所有節(jié)點對接下來要生產(chǎn)出的區(qū)塊鏈的區(qū)塊達成一致；智能合約：通過編寫智能合約代碼將用戶的規(guī)則和區(qū)塊鏈的共識算法結合在一起，以保證用戶可以合法安全地使用區(qū)塊鏈上面的數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈傳遞價值，它包括合約管理和合約接口兩大子功能，合約管理負責智能合約的部署、安裝、調(diào)試、運行等操作，合約接口則提供給外部系統(tǒng)進行調(diào)用。

4.5 應用層

應用層應用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應用場景和案例，實現(xiàn)供應商注冊、設備注冊、數(shù)據(jù)查詢、訪問服務、設備互動等功能，并且結合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開放DAPP 開發(fā)接口，可以通過開發(fā)DAPP 實現(xiàn)自定義功能。

5 基于邊緣人工智能計算及區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用場景

基于邊緣計算技術和區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，主要適用于以下幾類典型場景：

5.1 高一致性數(shù)據(jù)共享應用

基于邊緣計算技術和區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足對數(shù)據(jù)高一致性要求的應用場景。以該系統(tǒng)在車聯(lián)網(wǎng)中的應用為例，無論是業(yè)務跨節(jié)點交互，還是數(shù)據(jù)跨節(jié)點同步，都能保證節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性，也能滿足少數(shù)業(yè)務及節(jié)點對數(shù)據(jù)追溯的要求，且能保證數(shù)據(jù)做到實時同步，并能通過邊緣計算及時響應各種變化。為滿足車聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)交互時效的嚴格要求，可通過縮短生成區(qū)塊的時長，由發(fā)起方聯(lián)合接收方，通過連接認證的方式建立安全發(fā)送通道，完成摘要信息上鏈的提交，即可為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的可用性及完整性提供保證。

5.2 高公信度存證應用

基于邊緣計算技術和區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高公信度要求的、可作為證據(jù)存檔的物聯(lián)網(wǎng)應用場景。以該系統(tǒng)應用于視頻監(jiān)控為例，可有效的保證視頻的公信度?，F(xiàn)階段負責儲存監(jiān)控視頻的主體多為各單位，若有需要調(diào)閱視頻的特殊情況發(fā)生，部分單位考慮到調(diào)閱視頻可能使自身利益受損，往往會選擇篡改甚至刪除部分視頻，導致剩余數(shù)據(jù)無法使事實真相得以還原。而該系統(tǒng)以區(qū)塊鏈技術為依托，利用邊緣計算技術確保區(qū)塊鏈節(jié)點在產(chǎn)生視頻文件后的第一時間就能得到相關元數(shù)據(jù)以及摘要信息，通過上鏈存儲視頻信息、名稱及時間戳。調(diào)取視頻時，由邊緣計算對上述信息進行二次生成，若生成信息和儲存信息相同，則代表視頻沒有經(jīng)過篡改或刪除，即可被用來還原事實真相。

5.3 高安全性認證應用

基于邊緣計算技術和區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高安全性要求的、用于認證的應用場景。以該系統(tǒng)應用于數(shù)據(jù)真實性認證為例，剛出廠的物聯(lián)網(wǎng)設備，其簽名數(shù)字證書、公私鑰，均由生產(chǎn)商進行寫入，隨后生產(chǎn)商便可向認證系統(tǒng)發(fā)出設備發(fā)布的申請，待認證系統(tǒng)確認證書無誤后，可將相關信息儲存在區(qū)塊鏈上。若邊緣計算應用、物聯(lián)網(wǎng)終端有建立連接的需求，先由物聯(lián)網(wǎng)終端將證書標識發(fā)送給邊緣計算應用，再由邊緣計算應用根據(jù)證書查詢結構，將其狀態(tài)回傳給認證系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)終端重復上述操作，便可進入握手流程，建立起安全傳輸通道。

5.4 高效率的自治應用

基于邊緣計算技術和區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)能很好的滿足高高效率要求的、自治性強的應用場景。以該系統(tǒng)應用于智慧城市為例，遍布城市各處的廣義傳感器和智能設備，組成了龐大的物聯(lián)網(wǎng)，通過不間斷的檢測，來偵聽城市的核心子系統(tǒng)的運行情況。采用系統(tǒng)中的邊緣計算技術，分布于城市各處的傳感器和智能設備，不必再將數(shù)據(jù)上傳至“城市大腦”云計算中心來處理，而是就近通過邊緣計算節(jié)點進行分析、預處理、聯(lián)合控制及告警，及時對數(shù)據(jù)做出反饋，即使在云計算中心出現(xiàn)異常故障下，各個子系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定程度的自治，將有效緩解城市大腦計算、網(wǎng)絡、存儲等壓力。

6 基于邊緣計算及區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

基于邊緣計算及區(qū)塊鏈技術的物聯(lián)網(wǎng)，在今后的發(fā)展道路上，將面臨以下幾個主要挑戰(zhàn)：

首先是要提升技術成熟度。即便區(qū)塊鏈有十年左右的發(fā)展時間，但其成熟度與傳統(tǒng)技術的差距仍極為明顯，另外國內(nèi)從事區(qū)塊鏈、邊緣應用開發(fā)工作的工程師數(shù)量有限，應用開發(fā)速度自然無法得到提升，需要進一步加快技術的推廣和普及。

其次是要降低資源開銷。智能合約以及共識機制的加入，無形中加大了區(qū)塊鏈的資源開銷，在網(wǎng)絡時延給邊緣計算造成的影響尚不十分明確的當下，資源給下沉位置較低節(jié)點所帶來的制約有目共睹，需要尋求更高效的解決方案。

再次是要強化邊緣節(jié)點的計算能力。從理論上說，邊緣計算可經(jīng)由數(shù)個節(jié)點完成，但受平臺異構問題影響，不同網(wǎng)絡往往對應不同邊緣形式、不同節(jié)點運行時間，這在無形中增加了開發(fā)程序的難度，需要挖掘更多高兼容性的協(xié)同計算方法。

最后是要安全與效率兼顧。受邊緣計算服務器實際計算力的限制，在具有私有性的物聯(lián)網(wǎng)體系中，比較現(xiàn)實可行的方法是采用“白名單制”，即免去“挖礦”達成共識機制的過程，但是如果有設備冒充物聯(lián)網(wǎng)終端白名單設備與移動邊緣計算服務器進行交互，則很容易引發(fā)安全問題，需要進一步尋求更可靠的安全機制。

7 結束語

事實證明，基于區(qū)塊鏈、邊緣計算搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過萬物互聯(lián)和設備互通，在改變現(xiàn)有工作生活模式的基礎上，能確立起全新的、高效的、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)應用生態(tài)圈，一方面可使人類生活體驗更加美好，另一方面有利于人類命運共同體的構筑，該課題未來仍將是研究重點，應引起重視。