区块链技术在物联网中的应用探讨

区块链技术在物联网中的应用探讨

1臧莹,2张建明,3刘霖

1中国联合网络通信有限公司山东省分公司 山东省济南市  250014

2上海帜讯信息技术股份有限公司济南分公司  山东济南 250014

3联通（山东）产业互联网有限公司 山东省济南市  250014

摘要：近几年，随着经济的发展，我国的科学技术也在不断地进步，虽然物联网在我国得到了越来越广泛地应用，但也存在着管理困难、管理费用高，保护个人信息安全难等问题。区块链技术为解决上述问题提供了可能。因此，技术人员深入研究区块链技术，并把区块链技术和物联网结合起来，具有十分重要的现实意义。本文重点阐述了区块链技术在物联网中的应用，并对存在的问题提出了解决措施。

关键词：区块链技术；物联网；应用

物联网是一种高度融合、综合应用的新一代信息技术，能够推动产业的变革，促进经济和社会的可持续发展。随着物联网技术的不断普及与发展，人类将会进入一个“万物互联”的新时代。区块链技术的发展推动了物联网技术的发展。数以百亿的物联网终端设备如何管理、如何实现物物交易、如何保障信息安全，是物联网发展过程中亟需解决的问题。而区块链技术作为一种互联网数据库技术，具有去中心化和不可篡改等优点，为物联网设备的交易、安全、管理等环节提供了新的解决方案。

1.区块链技术

1.1区块链技术概述

区块链技术是通过对机制共识、加密算法、P2P传输等计算机技术进行有效地结合的一种应用于互联网的数据库技术。在物联网中，应用区块链技术可以让所有的用户都能够参与到数据库的记录中。区块链包含交易和区块两个部分，交易就是指在互联网数据库内的一次操作，区块可以在一定的时间里对所有的交易进行记录。而且区块由块身和块头两部分组成，块头用于存储区块的描述，块身中存储了经过验证的交易信息。一般而言，区块链就是一个以时间顺序链接多个区块的网络数据库[1]。

1.2区块链技术特性

区块链技术是一种新型的数据库技术，其具有去中心化、去信任、不可篡改、匿名等特性。去中心化的特性就是系统内的所有节点都享有相同的权限，并不会因为某一个服务器的权限高于另一个，而对其它的服务器进行控制。在密码学原理和共识算法的基础上，每个节点在整个区块链网络中都有相同的责任和义务，即使其中一个节点遭到了攻击，也不会对整个系统的运行造成影响。去信任的特性指的是节点之间没有相互信任，根据统一的规则、开放的数据和内容，不能欺骗其它的节点，人为的干预在系统中不起作用，以保证每个节点自身的约束。不可篡改的特性是指一旦两个节点进行了数据交换之后，就会被永久地记录下来，除非有一半以上的节点被控制，否则，所有的行为都会被系统记录下来，不能更改。同时，系统对所有的路径、内容都进行了详细记录，也能方便地进行追溯。匿名性是由于用户之间不需要相互信任，无法相互欺骗，因此也就不会泄露自己的身份，所以他们的信息都是以匿名的方式进行的，而且系统还会对双方的数据进行加密和保护，所以他们的信息保密程度都很高。

2.区块链技术在物联网中关于设备安全性的应用

周启惠等人针对物联网设备的安全性问题，提出了以区块链为基础的DDoS攻击技术。在此基础上，技术人员采用多个边缘计算节点构成区块链网络，将传统目的端分析DDoS攻击的方式转化为源端DDoS异常攻击行为的分析与预警，根据密码学的安全通信模式，以区块链节点之间的通信实现对预警数据的共享与分析，同时利用智能合约，建立一套从DDoS攻击受害者到异常结果提交者之间的奖励机制。该方法能够有效地减少在传统目的端防御DDoS攻击时所产生的大量费用和网络阻塞。

3.物联网应用区块链技术面临的主要问题

3.1性能效率问题

当前，已有十多种共识机制被广泛地应用，其中应用最为广泛的是PoW（ProofofWork，工作量证明）。PoW算法在进行计算 Hashcash函数时，必须使用一定的计算资源。计算出来的是哪个节点，区块就属于该节点，接着被算出来的数值则可向网络其它节点提交计算的工作量证明。虽然Hashcash函数很难被破解，但验证却是非常简单的。因此，在计算出了一个数值以后，其他节点就可以很容易地证明其有效性。由于证明运算需要大量的计算量，使得伪造工作不合算，同时也确保了双方都能遵守协议。PoW能够使所有参与的结点都参与到交易的验证中，允许多个结点进行账本的维护和分享，确保了对区块链具有较高的抗篡改性。

但是 PoW依赖于计算机进行数学计算来获取记账权限，而且每次协商一致都需要整个网络参与计算，因此PoW的性能效率不高。另外，每一个节点都会保存一份完整的区块链数据，当节点数目增多时，其所占用的数据存储量将会大幅增长。以比特币为例，因为现在一秒钟内仅能完成7次交易，而一年中，每个节点的区块数据将会有大约300GB的增长。所以，如果在物联网中应用了更多的终端，那么使用共识机制的费用就越高。

3.2安全方面的问题

由于区块链技术具有加密算法和不可篡改的机制，所以被认为是一个安全和稳定的体系。但是，这样的安全是建立在一个具有众多节点的区块链上，使得51%的算力攻击所付出的成本远远超过了所获得的利益。所谓51%的攻击，就是一个人（或者一个节点）的计算能力，已经超出了整个网络总计算能力的51%，这就意味着，这个攻击将会对区块链的安全性造成严重的威胁，甚至会导致整个区块链网络都陷入到挖矿、取消转账、双花、随机分叉的危险之中

[3]。

51%算力攻击，在人数众多的情况下，很难发动，但在特定的应用场景中，却是轻而易举的事情。一般来说，局域或小型城域物联网的终端数量都有上千个，而且都是比较单一，如果有漏洞和后门，攻击难度比攻击一个中心服务器要小很多。在此情形下，区块链的安全性远远低于传统的中心化组网方案。对于大型的物联网来说，尽管其终端的数目十分庞大，能够达到一定的安全需求，但也存在着先前所述的性能效率问题。

4.区块链技术在物联网中存在问题的解决措施

4.1解决资源不足

在这一问题上，技术人员将移动边缘计算与云计算技术结合起来，能够有效地解决物联网设备资源不足的问题。例如：云服务器或者某些移动边缘计算服务器可以作为一个整体的节点，其可以存储所有的区块链数据，并且参与到大部分区块链操作中，如启动交易、验证传输（即挖掘）等大部分区块链作业。而物联网设备作为一个轻量级的节点，只能储存部分区块链数据，甚至是区块链的哈希值，而且还会进行一些小的运算（比如启动交易）。在物联网中，移动边缘计算和云计算的编排已经成为资源分配的一个重要组成部分。

4.2应用场景的物体抽象

在实际的物联网应用中，通常存在着不同的制造商所提供的数据模型。因此，在物联网的应用层面上，必须要解决数据的抽象问题。因为物联网端的数据倾向于后端，所以必须保证多种数据结构和设备的兼容性。技术人员可以将所有的硬件抽象，然后设计成一个硬件的抽象层，以便在把数据传送到区域链时，就不需要存储一个高、低电频的信号量。整个构架能够在没有人为干扰的情况下，可以实现对边缘数据的采集，并和其他的链相互交换数据。目前，在应用层面统一标准是当前物联网迫切需要解决的一个重要问题。技术人员在开发统一的编程模型时，可以抛弃传统的模块化+云计算的模式[4]。

4.3数据在区块链上的同步

在产品生产、存储、流通等过程中，产品溯源场景往往被重复录入ERP、MES、WMS等多个中心化系统的数据，无法保证整个环节的完整性。而这些物联网的数据与区域链紧密结合在一起，根据时间顺序来排列的。盖上时间戳的数据，不仅可以解决死锁等问题，而且还能确保数据在流通中的完整性。在此基础上，利用边缘运算节点来实现对局部网络中的业务逻辑进行控制。在整个区块链网络中，可以通过追溯网络中各个节点的行为来实现对某个时间的网络状态进行实时恢复。

4.4应用方面

4.4.1车联网领域

区块链技术也被广泛地应用于车联网领域。在车联网中，为了提高行车安全和服务品质，必须对车辆进行数据采集和分享。一方面，由于采用了区块链技术，使得可以有效地解决集中式管理架构下的车辆在处理单点故障、控制数据等问题时，不愿意将数据传送到底层；另一方面，也能很好地解决在分布式管理架构中存在的一些问题，如：无权限的数据存取、安全等。技术人员将区块链技术应用到汽车数据的分布式数据库中，实现对车辆数据的高效管理，并利用智能合约保障了路侧基础设施（roadsideunits,RSUs）数据存储的安全性和效率，与此同时，技术人员利用信用的信息共享机制，选取更为可信的资料来源，提高了数据的可信度。为确保数据的存储和共享，车辆可以选择高质量、高可信的数据源。实验结果显示：与传统的方法相比，该方法既能有效地检测到异常车辆，又能保证数据共享的安全性。

4.4.2电力系统

在今后的电力系统中，除了主网，间歇式电力系统和微网系统也将是主要的电力供给。在智能电网和区块链技术的基础上，技术人员构建了一套更加高效的电力调度体系，通过人工智能和微交易技术，使电力资源得到最大限度的优化。在此基础上，技术人员提出一种以区块链为核心的安全、透明、分布式的电力交易模型，旨在突破传统的能源垄断，推动能源和信贷的合理交换，从而达到对电力市场的稳定控制。目前已经执行了几项计划，比如：Energo使用代币对能源持有和消费进行评价，并通过智能合约来调节交易和网络的转换；基于区块链技术和局域微电网，建立了清洁能源计量、登记、管理、交易、结算的一体化能源管理系统。目前，这种系统已经在东南亚和澳洲得到了广泛地使用。

4.4.3农产品物流

在农产品物流等物联网领域，传感器数据是一个重要的环节，它要求海量的传感器数据进行实时地传输，因此，技术人员可以利用区块链技术和传感器技术，对传感器进行数据的存储和追溯，从而增强了物联网的信任和安全性。举例来说：该系统能为巴西的大豆出口增加15%的利润。加拿大的TransportGenie公司采用传感器监控运输车辆内部的微气候，并使用区块链技术存储和传送数据，使供应商、运输单位和食物供应商可以在运输期间及时掌握新鲜家畜的状况。同时，该系统还能保证检测到的传感器数据的不可篡改与供应链数据的可追溯性，从而为农产品的安全提供了有力地保障5]。

4.4.4数据信息采集

区块链技术可以通过节点实现互联网设备之间的连接，从而有效地提高数据信息采集的效率。当完成一次采集工作后，传感器设备网络会将其中使用的数据信息，整合成一个区块结构，并且固定存储起来，保证了信息收集的安全性和可靠性。举例说明，在某企业的日常运行中，通过传感器对企业的信息进行采集，并利用区块链技术对企业的信息进行存储。因为各个节点在数据存储上所存储的信息不同，所以可以确保在各个角度进行信息采集时，不会发生被删除或者遗失的问题

[2]。

4.5改变运营方式

除此之外，区块链还可以为物联网领域提供新的运营方式。初创公司TransactiveGrid运营一种基于区块链的新型能源市场，由计算节点将沿街屋顶的太阳能板所产生的能源输入到一个区块链系统中，房主之间能够根据自己的能源剩余情况进行自主交易，从而形成一个社区范围自治的本地微电网，这样就可以不需要通过中央能源公司（比如DukeEnergy）进行能源交易。麻省理工学院的初创公司SolarCoin通过发行电子货币来激励能源厂商，该方式既可以用于能源供应、工业物联网等新能源的转化，也可以用于物联网设备间的生产数据业务。

结束语：综上所述，自区块链技术的出现，为当前我国物联网的发展奠定了坚实的基础。但是，目前我国的区块链技术还处在起步阶段，存在着许多问题和不足。因此，技术人员在未来的研究中必须要有效地与物联网的特性相结合，对区块结构、智能合约、物联网共识算法、数据结构以及智能合约有效性进行深入地研究，并制定有效的区块链技术的应用规范，使区块链技术在物联网中得到最大程度的应用。

参考文献：

[1]郭艺杰,李维峰.浅谈区块链技术在物联网中的应用[J].网络安全技术与应用,2022,(05):28-30.

[2]柏青.区块链技术在物联网中的应用及其面临挑战[J].电子测试,2022,36(08):127-128+71.

[3]范吉立,张岩峰,聂铁铮,于戈.区块链技术在物联网中的应用与前瞻[J].计算机与数字工程,2021,49(12):2407-2413.

[4]郭才,李续然,陈炎华,戴弘宁.区块链技术在物联网中的应用概述[J].物联网学报,2021,5(01):72-89.

[5]何正源,段田田,张颖,张瀚文,孙毅.物联网中区块链技术的应用与挑战[J].应用科学学报,2020,38(01):22-33.