魏祥 張媛媛

摘要：智慧家庭正逐漸成為引領(lǐng)智慧生活的新時(shí)尚，介紹了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)面向消息中間件（MOM）的智慧家庭體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，該體系結(jié)構(gòu)具有2個(gè)網(wǎng)關(guān)，用于內(nèi)部家電的管理。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)MOM、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）協(xié)議和區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本概述，討論區(qū)塊鏈技術(shù)中以太坊智能合約的概念。提出了區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成方面的一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，介紹了智慧家庭應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的案例。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；智慧家庭；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）09-60-4

智慧家庭本質(zhì)上是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)。如今，智慧家庭中配備了許多智能電器，如洗衣機(jī)、冰箱、電視、烤箱、恒溫器等。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備之間的透明通信，需要使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。在需求的響應(yīng)、先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施、分布式的發(fā)電和存儲(chǔ)中使用雙向通信。

一方面，許多網(wǎng)關(guān)的存在使傳感器和執(zhí)行器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)變得復(fù)雜。附加協(xié)議轉(zhuǎn)換的存在降低了其功能，為了減少其數(shù)量，需要選擇與計(jì)算能力有限的終端設(shè)備兼容的協(xié)議。MQTT和COAP（受限應(yīng)用協(xié)議）的存在滿足了計(jì)算資源有限的設(shè)備要求，并且非常方便用于構(gòu)建內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)。另一方面，與外部世界的系統(tǒng)接口必須與不同的網(wǎng)絡(luò)提供商及其通信協(xié)議兼容。物聯(lián)網(wǎng)中許多異構(gòu)設(shè)備的存在導(dǎo)致了內(nèi)部和外部的兼容性和安全性出現(xiàn)問(wèn)題。區(qū)塊鏈技術(shù)具有統(tǒng)一的協(xié)議集和內(nèi)置安全性，不僅可以用作任何家庭網(wǎng)絡(luò)的外部鏈接，還可以用作存儲(chǔ)每項(xiàng)事務(wù)中包含的數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。

1.1物聯(lián)網(wǎng)

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線移動(dòng)通信、嵌入式系統(tǒng)和云計(jì)算的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能城市、智能農(nóng)業(yè)和智慧家庭等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)基本組成部分：嵌入式設(shè)備（由低成本或低功耗設(shè)備和高性能網(wǎng)關(guān)組成）、可擴(kuò)展連接（每個(gè)嵌入式設(shè)備都能連接）、基于云的大規(guī)模設(shè)備管理（分布式設(shè)備的集中管理）。

物聯(lián)網(wǎng)的基本理念是在周圍無(wú)處不在的各種事物或物體，如射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽、傳感器、執(zhí)行器和移動(dòng)電話等，通過(guò)特殊的尋址方式，能夠交互，并與相鄰設(shè)備合作以實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)。

1.2 MQTT

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）由訂閱者、發(fā)布者和代理3個(gè)組件組成。發(fā)布者將消息輸入到特定主題，代理將這些消息發(fā)送到訂閱的客戶端。客戶端訂閱與其相關(guān)的特定主題，并接收發(fā)布到這些主題的每條消息。代理通過(guò)授權(quán)發(fā)布者和訂閱者來(lái)實(shí)現(xiàn)安全性。

1.3區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈的核心是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式賬本，加密安全、只可追加、不可更改，并且只能通過(guò)對(duì)等方之間的共識(shí)或協(xié)議進(jìn)行更新[2]。根據(jù)不同的觀點(diǎn)，區(qū)塊鏈有不同的定義：從業(yè)務(wù)角度來(lái)看，區(qū)塊鏈可以定義為一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)，對(duì)等方可以使用交易交換價(jià)值，而無(wú)需中間可信第三方；從技術(shù)角度來(lái)看，區(qū)塊鏈?zhǔn)沁\(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)之上的分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)用戶都表示一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)有一個(gè)地址，該地址表示一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)啟動(dòng)事務(wù)，將值傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。所有啟動(dòng)的事務(wù)都分組到區(qū)塊中，由網(wǎng)絡(luò)中稱為礦工節(jié)點(diǎn)的特殊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。礦工節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行一致性算法來(lái)驗(yàn)證新創(chuàng)建的區(qū)塊，所有的有效區(qū)塊都存儲(chǔ)在分布式分類賬本中。

分類賬本是一個(gè)區(qū)塊鏈，包含所有的有效交易鏈上的第一個(gè)塊（創(chuàng)世塊）。每個(gè)塊通過(guò)位于其頭部的Merkle樹根散列與前一個(gè)塊鏈接。作為一個(gè)分散的系統(tǒng)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)不需要可信第三方機(jī)構(gòu)。相反，為了保證數(shù)據(jù)交易的可靠性和一致性，區(qū)塊鏈采用了分散共識(shí)機(jī)制。每一種共識(shí)機(jī)制的實(shí)質(zhì)是讓礦工節(jié)點(diǎn)解決一個(gè)難題，證明數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，有4種主要的共識(shí)機(jī)制：工作證明（PoW）、股權(quán)證明（PoS）、實(shí)際拜占庭容錯(cuò)（PBFT）和委托股權(quán)證明（DPO）。

PoW一致性算法迫使礦工通過(guò)基于nonce值、先前塊的散列和事務(wù)散列達(dá)到目標(biāo)值來(lái)創(chuàng)建新塊，從而解決計(jì)算密集型易驗(yàn)證任務(wù)。如果任務(wù)由網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)解決，則該節(jié)點(diǎn)將解決方案廣播給其他礦工節(jié)點(diǎn)，并且所有其他節(jié)點(diǎn)必須相互確認(rèn)解決方案的正確性。如果區(qū)塊被驗(yàn)證，其他礦工將把這個(gè)新區(qū)塊附加到自己的分類賬本副本中。

PoS共識(shí)算法是PoW的一種節(jié)能替代方案。該算法根據(jù)擁有的代幣數(shù)量隨機(jī)選擇負(fù)責(zé)創(chuàng)建新區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)。事實(shí)上，擁有更多代幣的用戶對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的正常運(yùn)行更感興趣，這些所有者負(fù)責(zé)提供包含有效區(qū)塊的分類賬本。

PBFT是由Liskov和Castro提出的一種復(fù)制算法，用于解決分布式系統(tǒng)中的拜占庭式故障。在該算法中，副本節(jié)點(diǎn)通過(guò)一系列稱為“視圖”的配置來(lái)移動(dòng)。在每一個(gè)視圖中，包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其他作為備份節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主服務(wù)器收到客戶機(jī)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)啟動(dòng)一個(gè)三階段協(xié)議，以原子方式將請(qǐng)求多播到副本。這3個(gè)階段是預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備和提交。即使提出請(qǐng)求排序的主視圖出現(xiàn)故障，預(yù)準(zhǔn)備和準(zhǔn)備階段也會(huì)對(duì)同一視圖中發(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行排序。準(zhǔn)備和提交階段用于確保提交的請(qǐng)求在視圖之間完全有序。

1.4以太坊和智能合約

以太坊是一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的開源軟件，重點(diǎn)是提供一個(gè)構(gòu)建分布式區(qū)塊鏈應(yīng)用程序的平臺(tái)。開發(fā)人員可以在以太坊網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)、部署和執(zhí)行智能合約應(yīng)用程序。智能合約應(yīng)用程序由以太坊虛擬機(jī)執(zhí)行。以太坊提供2種類型的賬戶：用戶賬戶和智能合約賬戶。用戶帳戶不執(zhí)行任何代碼，此類型的帳戶只能通過(guò)使用其私鑰創(chuàng)建和簽署事務(wù)來(lái)向其他帳戶發(fā)送消息。智能合約帳戶始終執(zhí)行事務(wù)調(diào)用的已部署的相應(yīng)智能合約中定義的任何方法的代碼。以太坊智能合約是用Solidity語(yǔ)言編寫的，合約的代碼被編譯成字節(jié)碼，然后部署到以太坊虛擬機(jī)。

2.1物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)及其中間件面臨的挑戰(zhàn)涉及動(dòng)態(tài)異構(gòu)資源發(fā)現(xiàn)和組合、可擴(kuò)展性、可靠性、互操作性、安全性和隱私[3-4]。

資源發(fā)現(xiàn)：物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的性質(zhì)使集中式資源注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)方法無(wú)效。如果物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中存在大量服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，則可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

資源管理：共享資源的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中可能會(huì)發(fā)生資源沖突。解決沖突需要解決多個(gè)并發(fā)服務(wù)或應(yīng)用程序之間的資源分配沖突。

可擴(kuò)展性：大多數(shù)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)中間件都以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）為中心，其網(wǎng)絡(luò)級(jí)可擴(kuò)展性也受到WSN的限制。在物聯(lián)網(wǎng)的超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，它們很有可能表現(xiàn)不佳。

可靠性：為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中間件的可靠性，中間件的每個(gè)組件或服務(wù)都需要易于更換。

互操作性：盡管大多數(shù)現(xiàn)有中間件都支持網(wǎng)絡(luò)互操作性，但也有一些中間件缺乏對(duì)語(yǔ)義和語(yǔ)法互操作性的支持。本體論缺乏標(biāo)準(zhǔn)，這給物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

安全和隱私：盡管物聯(lián)網(wǎng)中使用的所有技術(shù)中的所有安全、隱私和信任問(wèn)題在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中都有明確的體現(xiàn)，但它們并不十分完整。

2.2區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)解決了部分已經(jīng)提到的物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)。在這種情況下，需要了解區(qū)塊鏈挑戰(zhàn)。

存儲(chǔ)容量和可伸縮性：存儲(chǔ)容量和可伸縮性已在區(qū)塊鏈中得到深入研究。在這項(xiàng)技術(shù)中，以比特幣為例，鏈總是高速增長(zhǎng)，并且在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)副本。雖然只有完整的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)完整的鏈，但存儲(chǔ)需求非常重要。隨著規(guī)模的增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)需要越來(lái)越多的資源，從而降低了系統(tǒng)的容量規(guī)模。

安全性：此挑戰(zhàn)要求了解一些最常見的攻擊，例如51%攻擊或多數(shù)攻擊，即如果區(qū)塊鏈參與者能夠控制超過(guò)51%的采礦權(quán)，則可能發(fā)生這種攻擊。

匿名性和數(shù)據(jù)隱私：在公共區(qū)塊鏈中，分類賬是公開的。然而，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有交易對(duì)所有人都是公開可見的。從隱私角度來(lái)看，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。

需要考慮與物聯(lián)網(wǎng)交互有關(guān)的另一個(gè)方面，即底層物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信[5-6]。在集成區(qū)塊鏈時(shí)，需要確定將在何處發(fā)生交互：在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部、通過(guò)區(qū)塊鏈或涉及物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的混合設(shè)計(jì)，區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)集成如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)-物聯(lián)網(wǎng)：這種方法在延遲和安全性方面可能是最快的，因?yàn)樗梢悦摍C(jī)工作。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須能夠相互通信，通常涉及路由機(jī)制。只有一部分物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，而物聯(lián)網(wǎng)交互在不使用區(qū)塊鏈的情況下發(fā)生，如圖1（a）所示。這種方法在具有可靠物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中非常有用，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)交互的延遲降低。

物聯(lián)網(wǎng)-區(qū)塊鏈：在這種方法中，所有交互都通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)交互記錄的不可變。這種方法確保所有選擇的交互都是可追蹤的，因?yàn)樗鼈兊脑敿?xì)信息可以在區(qū)塊鏈中查詢，而且增加了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自主性。打算交易或租賃的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序可以利用這種方法提供服務(wù)。然而，記錄區(qū)塊鏈中的所有交互將導(dǎo)致帶寬和數(shù)據(jù)的增加，這是區(qū)塊鏈中眾所周知的挑戰(zhàn)之一，如圖1（b）所示。另一方面，與這些交易相關(guān)的所有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)也應(yīng)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。

混合方式：混合設(shè)計(jì)中只有部分交互和數(shù)據(jù)發(fā)生在區(qū)塊鏈中，其余部分在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間直接共享。這種方法的挑戰(zhàn)之一是選擇哪些交互通過(guò)區(qū)塊鏈，并提供在運(yùn)行時(shí)決定這一點(diǎn)的方法。這種方法的完美協(xié)調(diào)將是集成這2種技術(shù)的最佳方式，因?yàn)樗昧藚^(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)和實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)交互的優(yōu)勢(shì)。如圖1（c）所示，在這種方法中，霧計(jì)算甚至云計(jì)算都可以發(fā)揮作用，以補(bǔ)充區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的局限性。

實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭網(wǎng)絡(luò)，使用并集成物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，利用“物聯(lián)網(wǎng)-物聯(lián)網(wǎng)”方法集成這2種技術(shù)，提出了一種智慧家庭體系結(jié)構(gòu)，智能合約執(zhí)行如圖2所示，其中每個(gè)智慧家庭通過(guò)控制網(wǎng)關(guān)管理自己的專用傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以共享來(lái)自該內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的智能合約提供對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的訪問(wèn)。用戶或網(wǎng)絡(luò)提供商可以連接到相應(yīng)的智慧家庭，并與提供的智能合約交換數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)參與者都需要?jiǎng)?chuàng)建用于發(fā)送數(shù)據(jù)的交易。每個(gè)事務(wù)都使用非對(duì)稱安全算法進(jìn)行數(shù)字簽名和加密。這一優(yōu)勢(shì)提供了用戶、網(wǎng)絡(luò)提供商與家庭網(wǎng)絡(luò)之間的安全連接。另一方面，交易記錄保存在分類賬簿中，并且共享數(shù)據(jù)也保存在同一位置可用于進(jìn)一步分析。

智能合約提供了統(tǒng)一的接口，提高了智慧家庭與網(wǎng)絡(luò)提供商和用戶的互操作性。使用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)提供商不需要在每個(gè)家庭安裝自己的智能電表，也不需要提供自己的安全基礎(chǔ)設(shè)施。智慧家庭可以將傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器狀態(tài)共享到自己的智能合約中。網(wǎng)絡(luò)提供商可以連接到同一智能合約以提取數(shù)據(jù)。智能合約還可以用作第三方軟件，供消費(fèi)者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)安全連接到家庭中。

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)起智能合約交易的參與者為智能合約的執(zhí)行支付天然氣費(fèi)用。為了減少控制網(wǎng)關(guān)調(diào)用智能合同的天然氣付款數(shù)量，可以使用2種方法：在第1種方法中，如果傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生任何變化，控制網(wǎng)關(guān)可以將所有數(shù)據(jù)的交易發(fā)送到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的智能合約；在第2種方法中，消費(fèi)者或網(wǎng)絡(luò)提供商可以發(fā)起請(qǐng)求傳感器數(shù)據(jù)的事務(wù)?？刂凭W(wǎng)關(guān)從傳感器和執(zhí)行器提取所有數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建一個(gè)事務(wù)以將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

專用家庭網(wǎng)絡(luò)基于2種網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)：家庭內(nèi)部每個(gè)設(shè)備的網(wǎng)關(guān)（設(shè)備網(wǎng)關(guān)）和單個(gè)控制網(wǎng)關(guān)，通過(guò)與以太坊區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上部署的智能合約交換數(shù)據(jù)，提供與外部世界的連接。每個(gè)設(shè)備網(wǎng)關(guān)可以包含傳感器和執(zhí)行器，使用MQTT協(xié)議與控制網(wǎng)關(guān)通信?？刂凭W(wǎng)關(guān)充當(dāng)MQTT代理，并為其傳感器和執(zhí)行器的每個(gè)設(shè)備網(wǎng)關(guān)提供特定主題。在試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)中，設(shè)備網(wǎng)關(guān)由無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊ESP8266通過(guò)I2C接口連接TCN75A溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)還提供WiFi網(wǎng)絡(luò)接口，用于連接控制網(wǎng)關(guān)，并發(fā)送特定主題的溫度數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)關(guān)，使用了Olinuxino A20。它具有雙核A20處理器，1 GB的RAM和以太網(wǎng)接口，用于連接到Internet?？刂凭W(wǎng)關(guān)已安裝go ethereum（geth）客戶端以連接區(qū)塊鏈，并安裝MQTT實(shí)現(xiàn)以充當(dāng)MQTT代理。Olinixuno A20平臺(tái)從特定主題（例如溫度主題）提取數(shù)據(jù)，并通過(guò)JSON-RPC將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到以太坊Ropsten測(cè)試區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的智能合約。

基于區(qū)塊鏈的智慧家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，涵蓋了各種計(jì)算能力有限的設(shè)備，降低了通信成本。區(qū)塊鏈與MQTT結(jié)合降低了控制網(wǎng)關(guān)，維護(hù)大量協(xié)議與內(nèi)外部的網(wǎng)絡(luò)通信，以及使用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步分析提供條件。使用智能合約提供了統(tǒng)一的接口，也可以用作分布式計(jì)算。區(qū)塊鏈集成與智能合約功能相結(jié)合，有助于房屋與外部通信的安全性和互操作性。

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