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区块链与物联网融合理论架构

2020-12-31 19:00:00
封面图来源 |  Ssyer


物联网作为新一代信息技术的重要领域,其价值和意义得到社会的普遍认可。物联网设备通过网络相互连接,产生大量的数据,整合强大的数据分析能力,有望彻底改变人类的生产生活方式。然而,在提供发展机遇的同时,现阶段物联网产业在可扩展性、兼容性和安全性等方面仍存在很多问题,严重限制了物联网与各个行业领域融合发展的空间,阻碍了其潜在价值的实现。区块链作为一种新兴的技术与物联网融合,可以有效解决物联网发展中面临的数据管理、信任、安全和隐私等问题。


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区块链与物联网融合创新的迫切需求


物联网作为新一代信息技术的重要领域,其价值和意义得到社会的普遍认可。工业设备、汽车、家用电器等物品通过网络相互连接,产生大量的数据,结合强大的数据分析能力,有望改变生产、生活的方式,同时产生巨大的社会和商业价值。然而,在提供发展机遇的同时,现阶段物联网产业仍然存在很多问题。首先是物联网中产业链冗长,涉及的技术领域庞杂,市场通道的价值传导效应慢;其次,物联网系统中的设备装置、各类用户、服务平台等各方之间的信任体系和价值体系尚不明确,导致物联网融入其他行业的难度大;此外,由生产厂商或者服务提供商构建的中心化物联网平台,大多拥有未经用户授权即收集和分析用户数据与控制用户设备的权限,对设备安全和用户隐私造成很大的危险。这三方面的问题限制了物联网与各个行业领域融合发展的空间,阻碍了其潜在价值的实现。
区块链集成了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术,具有去中心化、去信任、防篡改、可追溯和匿名性五个方面的技术特征。区块链与物联网的融合可以有效解决物联网发展中面临的数据管理、信任、安全和隐私等问题,帮助可扩展的设备构建高效、可信、安全的分布式物联网网络,并且部署海量的数据密集型应用,同时为用户隐私提供有效的保障。区块链技术的加入还可以提高运营效率和工业资产利用率,从而提升物联网系统的价值。同时,借助物联网提供的广阔应用空间,有望发展出更多成熟的区块链应用,有助于拓展区块链产业规模,促进产业生态完善。


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针对物联网应用的区块链技术理论


区块链是一种以密码学算法为基础的点对点分布式账本技术,其本质是一种共享分布式数据库。区块链首次从技术上解决了基于信任的中心化模型带来的安全问题,它基于密码学算法保证数据与价值的安全转移,基于哈希链及时间戳机制保证数据的可追溯和不可篡改特性,基于共识算法保证节点间区块数据的一致性。
区块链技术并不是一种崭新的技术,而是对已有技术的集合创新,包括P2P网络技术、哈希算法、Merkle树、工作量证明机制、非对称加密技术等。区块链是由包含交易信息的区块从后向前有序链接起来的数据结构。每个区块头都包含它的父区块哈希值,这样把每个区块链接到各自父区块的哈希值序列就创建了一条一直可以追溯到第一个区块(创世区块)的链条。随着链上新区块的产生,该区块链的本地副本会不断地更新维护这个链,并通过共识算法和其他同步机制来保证每个区块链副本的最终一致性。区块链网络是一个分布式的点对点网络,其中每个完整节点都存储了所有交易数据,而不需要第三方或中心化的节点来控制交易或数据。这种分布式的数据管理架构赋予了区块链应用去中心化、开放性、自治性、不可篡改性和匿名性等技术特性。其中,“去中心化”特性是区块链分布式计算的自然结果,是以分布式计算的方式集体共享、维护数据的体系。体系中每个节点的参与者都可根据自己的需求在权限范围内直接获取信息,而不需要中间平台。“自治性”指的是所有区块链节点通过遵循统一的共识算法来构建关系,而非基于信任的相互连接。“不可篡改”特性旨在保证数据的稳定性和可靠性,降低数据被篡改的风险。“开放性”则是指除了交易各方的私有信息被保护以外,任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据或者开发相关去中心化的应用。“匿名性”指区块链利用非对称加密、哈希算法等密码学技术帮助实现用户的隐私安全保护。这些技术特性帮助区块链面对物联网中数据管理、信任、安全、隐私方面的问题时,能针对不同的问题提供可靠、有理论支撑的解决方案。


3

区块链与物联网融合的体系架构


区块链天然的泛中心分布式可信特性为设计区块链与物联网融合的框架与体系架构提供了新的思路。在智能物联网计算中,运行智能算法的多个物联网设备分散在边缘网络中,为了协作完成人工智能计算任务或联合进行智能群体决策,这些设备之间需要频繁通信。然而,无论是设备本身还是设备间的通信都面临着多种网络安全攻击的威胁,如设备有可能发生故障或存有恶意,在这种情况下传输的信息可能泄露或被篡改。区块链作为一种由密码学支撑的、可验证的、不可篡改的分类账,可通过事务记录和对事务记录有效性的分布式共识来保障分散不可信环境中的安全交互,能够在智能物联网计算的场景下发挥作用。同时,区块链的共识机制与激励机制配合智能合约天然适合构建一个经济市场,可以有效激励物联网计算中信息的共享与交互。
根据有关机构预测,2020 年全球的物联网设备数量将达到数百亿台[1]。随着物联网中设备数量的急剧上升,服务需求不断增加,数据中心基础设施建设与维护投入成本大幅攀升,相关物联网业务平台存在的安全隐患和性能瓶颈等问题与日俱增。设计新型的物联网服务模式已成为各个企业和机构创新的战略焦点,而融合区块链技术来搭建“去中心化”的物联网体系架构已成为其中重要的模式之一。


图1 区块链物联网融合架构图


融合区块链技术搭建的物联网架构,是一种“去中心化”的业务架构(如图1所示)。区块链物联网平台可分为设备感知层、网络公链层、服务与支撑层和面向用户的应用层。其中设备感知层与实物对接,支持物联网实体(例如,物联网设备、物联网服务器、物联网网关、服务网关和终端用户设备等)在“去中心化”的模式下相互协作,并可通过传感器进行信息的采集。采集的信息和数据在网络公链进行上链存储,全程可追溯,并实现信息的不可篡改,通过点对点的分布式连接进行信息的传递。融合架构的大部分新增能力要求都集中在服务与应用支撑层,包括访问控制、共识机制、加密支撑、合约管理、存储与计算等。同时,应用层面向客户,需要物联网应用、物联网设备和物联网网关能够通过服务和应用支撑层提供的能力来相互通信和协作,从而进行信息的进一步处理并提供智能化服务。

·本文节选自《区块链应用蓝皮书:中国区块链应用发展研究报告(2020)》,作者:高镇、仇超、任晓旭、曹一凡、王晓飞


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