区块链在物联网中的应用

卿苏德

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

物联网深刻变革了全球信息基础设施的演进路径，成为工业等行业重建竞争优势的主要力量，推动了传统产品、设备、流程和服务向数字化、网络化和智能化发展，加速重构了产业发展新体系。根据IoT Analytics的数据，全球物联网产业规模由2008年的500亿美元增长至2018年的近1510亿美元。

1 物联网发展现状和存在的痛点

目前，物联网的发展呈现出“边缘智能化、连接泛在化、服务平台化和数据延伸化”的迭代创新趋势：各类终端的操作系统和硬件不断解耦，边缘计算的兴起加强了终端设备之间的协同合作，加速了满足敏捷连接、数据优化的实时业务的发展；低功耗广域网（LPWA）提供的泛在连接能力，拓宽了新一代信息基础设施的覆盖范围，助力数字经济的腾飞；物联网平台不断在各个垂直行业渗透，随着与区块链、人工智能等前沿新兴技术的交叉创新，基于平台的智能化服务水平持续提升，拓展了智慧城市的应用广度和深度；数据的不断延伸，实现了信息流、资金流和商流的三流合一，全生命周期、跨行业跨环节的数据“穿透式管理”，不断提升生产效率，推动了商业模式优化和新商业模式的产生，应用新模式、新业态不断出现。

然而，随着物联网部署增多和依赖程度的提升，逐渐暴露出5个行业痛点：

第一，设备安全问题。如Mirai创造的僵尸物联网（Botnets of Things）被麻省理工科技评论评为2017年的十大突破性技术是极为突出的例子。根据公开发表的数据，Mirai僵尸网络已累计感染超过200万台摄像机以及其他IoT设备，由其发起的DDoS攻击，让美国域名解析服务提供商Dyn瘫痪，Twitter、PayPal等多个人气网站当时无法访问。之后，又有奴役物联网设备让其进行比特币挖矿的僵尸网络以及规模更大、更为活跃的http81僵尸网络等。

第二，个人隐私保护问题。中心化的管理架构无法自证清白，个人隐私数据被泄露的事件时有发生。成都266个摄像头被网络直播的事件就是典型案例。

第三，架构僵化问题。目前的物联网数据流都汇总到单一的中心控制系统。随着低功耗广域网络技术的持续演进，可以预见，未来的物联网设备将呈几何级增长，中心化服务将变得难以负担。如根据IBM预测，2020年万物互联设备将超过250亿个。

第四，通信兼容问题。全球物联网平台缺少统一的语言，很容易造成多个物联网设备彼此之间通信受阻，并产生多个竞争性的标准和平台。

第五，多主体协同问题。当前，物联网系统以运营商、企业内部的自组织网络为多，涉及到跨多个运营商、多个对等主体之间的协作时，建立信用的成本很高。

2 区块链在物联网中应用的优势

区块链（Blockchain）是一种由多方共同维护、使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术，也称为分布式账本技术（Distributed Ledger Technology）。典型的区块链以块-链结构存储数据。作为一种在不可信的竞争环境中低成本建立信任的新型计算范式和协作模式，区块链凭借其独有的信任建立机制，正在改变诸多行业的应用场景和运行规则，是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一。[1]

针对物联网现存的行业痛点，区块链凭借主体对等、公开透明、安全通信、难以篡改和多方共识等特性，对物联网的演进具有非常积极的意义：

第一，多中心、弱中心化的特质将降低中心化架构的高额运维成本。多中心的分散式系统，能够采用水平扩展来提升整个系统的扩展性和灵活性，有效规避垂直扩展带来的高额运维成本，也有助于解决中心化系统的单点故障问题。

第二，信息加密、安全通信的特质将有助于提升数据隐私保护能力。区块链能够提升数据确权和明晰边界，数据在区块链中都是加密存储，对数据的任何操作都要经过身份认证、授权解密和审计留痕，有助于将数据的所有权和使用权分离，提升数据共享时的隐私保护能力。

第三，身份权限管理和多方共识有助于接入设备的身份管理。基于区块链构建设备身份管理体系，建立从个人实体身份到接入设备身份之间的映射关系，从而实现设备端与使用者之间双向的可追溯验证，识别非法节点，及时阻止恶意节点的接入和作恶。

第四，区块链和物联网融合有助于构建可证可溯的电子证据存证。构建多节点、分布式、访问控制能力分级分类的区块链网络，通过各参与方维护同一套分布式账本，以数据高度冗余来确保可信，以块链式结构来实现数据的可证可溯，进而实现电子证据的有效存证和数据全生命周期的可穿透式监管。

第五，分布式架构和主体对等的特点有助于打破物联网现存的多个信息孤岛桎梏。依托智能合约的事前约定规则、虚拟机和编解码的“透明执行”、“阅后即焚式”的数据读取方式，促进信息的横向流动，提升多方协同合作的能力。

3 区块链+物联网的产业现状

3.1 物联网龙头企业纷纷开始布局区块链

根据Forrester Wave：物联网软件平台（2016年第4季度）报告显示，IBM、PTC、GE和微软已成为物联网平台市场的主导企业。SAP、AWS、Cisco、LogMeIn、Exosite、Ayla Networks 和 Zebra Technologies名列前11名。对于排名靠前的物联网平台龙头企业，除了美国参数技术公司（PTC）没有实质披露区块链相关项目以外，IBM、微软、亚马逊和SAP都在各自的云平台上提供区块链服务（BaaS，Block chain as a Service），超前布局未来海量物联网设备的共生格局。如图1所示是物联网企业区块链布局状况图示，其中IBM、微软、亚马逊和SAP主要是在各自的云平台上提供区块链服务，通用电气和思科更多的是关注设备的标识和存证问题。

3.2 传统企业和初创企业双向发力

以能源物联网为例，传统公司和区块链初创公司正双向发力，不断促进区块链在行业内的广泛普及和加速融合。如图2所示为传统企业和初创企业能源物联网双向产业布局示意图。

图1 物联网企业区块链布局图示

图2 传统企业和初创企业的能源物联网双向产业布局

从传统公司来看，主要是通过与初创公司合作、成立子公司、甚至买下初创公司等方式，投资不同的试点项目，打造分布式能源系统和点对点的能源交易平台。例如，瑞典国营电力公司Vatten Fall（瀑布电力）投资了荷兰阿姆斯特丹的初创公司Power Peers，构建让消费者自由选择电力渠道的能源共享平台；德国的莱茵公司（RWE）和初创公司Slock.it合作，推出了Block Charge电动车充电项目；莱茵公司RWE成立子公司Innogy SE，推出了连接电动汽车车主、公共和私有充电站的区块链交易平台Share Charge。

从初创公司看，初创公司主要从分布式能源系统、新型交易模式、认证和交易市场等不同角度切入区块链领域，初步涉及相关的物联网硬件制造，例如Slock.it公司推出的Smart Plug充电器适配装置，不断丰富了区块链+的产业生态。

3.3 垂直行业的生态格局已初具雏形

根据咨询公司Indigo的报告，以电力行业的区块链+物联网应用为例，如图3所示，已形成了从终端支付（加密数字货币）、能源交易市场、技术支撑+行业组织、智能家居点对点交易、智慧城市打造等方面的良好生态格局。

3.4 区块链+物联网国际标准的先行探索

2017年3月，中国联通联合众多公司和研究机构在ITU-T SG20成立了全球首个物联网区块链（BOT，Blockchain of Things）标准项目，定义了去中心化的可信物联网服务平台框架。中国信息通信研究院在ITU-T的SG16工作组完成了区块链标准的立项工作。如图4所示是去中心化的可信物联网服务平台框架。

图3 电力行业物联网+区块链产业生态

图4 去中心化的可信物联网服务平台框架

4 区块链+物联网的应用场景

由于区块链技术并未成熟定型，区块链和物联网结合应用的很多案例都处在概念验证 （Proof Of Concept，PoC）阶段。本文对现有主要项目的设计原型进行总结和归纳。

4.1 传感器数据的存证和溯源

传统的供应链运输需要经过多个主体，例如发货人、承运人、货代、船代、堆场、船公司、陆运（集卡）公司以及舱单抵押融资银行等业务角色。这些主体之间的信息化系统很多是彼此独立，互不相通的：一方面，存在数据作伪造假的问题，数据的审核成本非常高；另一方面，因为数据的不互通，出现紧急状况，应急处置没法及时响应。

如图5所示是基于区块链+物联网的供应链运输系统。在图5的应用场景中，在供应链上的各个主体部署区块链节点，通过实时（例如船舶靠岸时）和离线（例如船舶运行在远海）等方式，将传感器收集的数据写入区块链，成为无法篡改的电子证据，可以提升各方主体造假抵赖的成本，进一步厘清各方的责任边界。同时，还能通过块链式的结构，追本溯源，及时了解物流的最新进展，根据实时搜集的数据，采取必要的反应措施（例如冷链运输中，超过0℃的货舱会被通知立即检查故障来源），增强多方协作的可能。

4.2 新型“共享”经济

共享经济可以认为是平台经济的一种衍生：一方面，平台具有依赖性和兴趣导向性；另一方面，平台也会收取相应的手续费，弥补平台服务提供方的原始成本。初创公司Slock.it和Open Bazaar等主要是希望构建一个普适的共享平台，依托去中介化的区块链技术，让供需双方点对点地进行交易，加速各类闲置商品的直接共享，并节省第三方的平台费用。如图6所示是智能合约运营系统示意图。

在图6所示的系统应用案例中，资产拥有者基于智能合约，通过设置租金、押金和相关规则，完成各类锁与资产的绑定。最终用户通过APP，支付给资产所有者相应的租金和押金，获得打开锁的控制权限（密钥），进而获取资产的使用权。在使用结束后，归还物品并拿回押金。区块链带来的优势是精准计费。根据智能合约上的计费标准，可以实时精准地付费，而不是像目前共享单车按半小时、1小时的方式进行粗犷式收费。

4.3 基于智能电表的能源交易

传统输电线路的损耗率约5%，住户建立的微电网中盈余能源既无法存储，也不能共享给有能源需求的其他住户。纽约初创公司LO3 Energy和ConsenSys合作，由LO3 Energy负责能源相关的控制，ConsenSys提供区块链底层技术，在纽约布鲁克林区实现了一个点对点交易、自动化执行、无第三方中介的能源交易平台，实现了10个住户之间的能源交易和共享。

图5 基于区块链+物联网的供应链运输系统

如图7所示是基于智能电表的能源交易系统。其主要实现方式是，在每家住户门口安装智能电表，智能电表安装区块链软件，构成一个区块链网络。用户通过手机APP在自家智能电表区块链节点上发布相应智能合约，基于合约规则，通过西门子等设备服务商提供的电网设备，控制相应的链路连接，实现能源交易和供给。

4.4 基于区块链的电动车即时充电系统

该应用场景中，主要面临的是多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等行业痛点。德国莱茵公司和Slock.it合作，推出了基于区块链的电动汽车点对点充电项目，如图8所示。通过在各充电桩安装树莓派等简易型Linux系统装置，基于区块链将多家充电桩的所属公司和拥有充电桩的个人进行串联，使用适配各家接口的Smart Plug对电动车进行充电。以Innogy软件为例，使用流程为：首先，在智能手机上安装Share Charge APP，在APP上注册，并对数字钱包进行充值；需要充电时，从APP中找到附近可用的充电站，按照智能合约中的价格付款给充电桩主人；APP将与充电桩中的区块链节点进行通信，后者执行电动车充电的指令。

4.5 无人机安全通信和群体智能

针对未来无人机和机器人的快速发展，机器与机器之间的通信必须要从两个方面去考量：

图6 智能合约运营系统示意图

图7 基于智能电表的能源交易系统

一方面，每个无人机都内置了硬件密钥。私钥衍生的身份ID增强了身份鉴权，基于数字签名的通信确保安全交互，阻止伪造信息的扩散和非法设备的接入。

另一方面，基于区块链的共识机制，未来区块链与人工智能的结合点——群体智能，充满了想象空间，如图9所示。MIT实验室已经在这个交叉领域展开了深入研究。

区块链+物联网在无人机安全通信和群体智能应用场景也是基于对以上两个方面的考量。

5 区块链+物联网的应用挑战和改进思路

5.1 应用挑战

将区块链应用于物联网领域，存在以下4个挑战：

第一，资源消耗的挑战。物联网设备普遍存在计算能力低、联网能力弱、电池续航短等问题。比特币的工作量证明机制（Proof Of Work，PoW）对资源消耗太大，显然不适用于部署在物联网节点中，但可能部署在物联网网关等服务器里。其次，以太坊等区块链2.0技术也是PoW+PoS，并正逐步切换到权益证明机制（Proof of Stake，PoS）。分布式架构需要共识机制来确保数据的最终一致性，但相对中心化架构来说，对资源的消耗是不容忽视的。

第二，数据膨胀的挑战。区块链是一种只能附加不能删除的数据存储技术。随着区块链的不断增长，物联网设备存在存储空间受限的问题。例如，比特币运行至今，需要存储超过120GB的区块链数据。

图8 基于区块链的电动车点对点充电系统示意图

图9 群体智能示意图

第三，性能瓶颈的挑战。传统比特币的交易是6笔/秒，再加上共识确认，需要6个区块、约1个小时才写入区块链，这种时延引起的反馈时延、报警时延，在时延敏感的物联网网络，尤其是工业物联网领域是不可行的。

第四，分区容忍的挑战。工业物联网强调节点“一直在线”，但是，普通的物联网节点失效、频繁加入和退出网络是司空见惯的事情，容易产生消耗大量网络带宽的网络震荡，甚至出现“网络割裂”的现象。

5.2 改进思路

区块链+物联网的改进思路，可以从两个方面去衡量。

（1）基于区块链的角度

对于资源消耗，可以不使用基于挖矿的、对资源消耗大的共识机制，转而使用投票的共识机制，例如实用拜占庭容错机制（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT），减少资源消耗，还能有效提升交易速度，降低交易时延。当然，这会对节点的扩展性有一定损耗，因此需要根据具体的业务应用进行权衡。

对于数据膨胀，可以使用简单支付交易方式（Simplified Payment Verification，SPV），通过默克尔树对交易记录进行压缩。在系统架构上，支持重型节点和轻型节点。重型节点存储区块链的全量数据，轻型节点只存储默克尔树根节点的256哈希值，只做校验工作。

对于性能瓶颈，已经有很多面向物联网的区块链软件平台做了改进。例如，IoTA就提出不使用链式结构，采用有向非循环图 （Directed Acyclic Graph，DAG）的数据结构，一方面提升了交易性能，另一方面也具有抗量子攻击的特性。Lisk采用主链-侧链等跨链技术，进行划区划片管理，也在性能提升方面取得了不少突破。

对于分区容忍，针对可能存在的网络割裂，可以选择支持链上链下交易，尤其是离线交易，并在系统设计时支持多个CPS集群。

（2）基于物联网的角度

对于资源消耗，随着eMTC、NB-IoT、LoRa等低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWA）技术的发展，传输质量、传输距离、功耗、蓄电量等问题将得以逐步解决。

对于数据膨胀，根据摩尔定律和超摩尔定律，存储成本下降，物联网存储能力持续上升。

对于性能瓶颈，随着MEMS传感器、SiP封装工艺等新技术、新工艺、新架构的不断成熟和成本的降低，小体积、低功率的传感节点有望广泛应用。

6 结语

物联网和区块链技术的融合创新被业界认为是天作之合，一方面，借助物联网设备的物理防篡改，有助于实现区块链数据从链下到链上的“过程可信”；另一方面，区块链将各自分离、协议不同的物联网网络链接在一起，并通过事先约定规则、“沙箱式”数据处理等方式，形成了跨系统跨边界的数据共享协作新模式。目前，区块链与物联网的结合，业界在物流存证溯源、新型共享经济、能源去中介交易、电动车适配充电、无人机群体智能等方面做了相应探索，也遇到了性能、存储、能源消耗等一系列的问题。物联网与区块链的结合之道长且弥艰，但未来可以从区块链和物联网两个维度去进行优化改进。区块链和物联网的融合创新，已经在各个垂直行业广泛渗透，必将加速推动区块链与实体经济的深度融合，助力经济的数字化转型和数字经济的蓬勃发展。