物联网与区块链融合技术研究综述

吴明娟 陈书义 邢涛 刘海涛

摘 要：针对近年来出现的物联网与区块链研究热潮，提出了物联网和区块链融合技术，实现两者技术优势互补，建立安全可信和跨行业的物联网应用，具有巨大的市场前景。首先简要给出了物联网和区块链产生背景、技术特点、发展现状及面临问题，在此基础上，分析两者融合带来的技术优势和发展潜力。其次阐述物联网和区块链融合的学术研究、技术发展、国内外标准和产业化发展前景，分析了两者融合在回归物理世界、安全可信、生态体系和商业模式方面的创新，及技术和商业模式上面临的挑战。

关键词：物联网；区块链；物理世界；安全可信；生态体系

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）08-00-04

0 引 言

1999年，麻省理工大学首次提出物联网的概念，主张将RFID射频识别技术和互联网结合起来，通过互联网实现产品信息在全球范围内的识别和管理，形成物联网。这是物联网首次被提出，它强调物联网用来标识、连接物品的特征。经过近二十年的发展，物联网的内涵不断演化发展，物联网涵盖了传感器网络、射频识别、机器对机器等感知技术，以及低功耗无线网络、低功耗无线广域网技术等通信技术，物联网与云计算、大数据、人工智能技术等具有紧密联系。国家标准GB/T 33745—2017《物联网术语》中将物联网定义为通过感知设备，按照约定协议，连接物、人和信息系统[1]，实现对物理世界和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统，其中，物即物理实体。定义表明，物联网在信息世界中建立了与物理世界目标对象的镜像。国家标准GB/T 33474—2017中给出了物联网的概念模型和系统参考架构、实体及接口等[2]，这些标准的提出在业内形成了统一的物联网概念和系统框架，为物联网的行业应用发展奠定基础。在《物联网感知社会论》中提到，物联网是面向实体世界，以感知互动为目的，以社会化属性为核心，关注实体世界的事件，超越智能化、超越互联网，建立在智能化和互联网基础上的物理与信息深度融合的全新体系。物联网是人类社会螺旋发展的再次回归，是信息产业发展的第三次浪潮，是第四次工业革命的核心支撑[3]。

1 物联网背景介绍

物联网作为新兴技术，逐渐融入我们的生活中。近年来，车联网、医疗健康、家居、可穿戴等消费市場更加活跃，物联网与其他前沿技术不断融合。物联网的产业布局和生态构建正在全球加速展开，大批IT国际巨头进军物联网。早前，亚马逊、微软、英特尔等布局物联网、云平台和车联网等，2017年

戴尔宣布3年投资10亿美元用于发展物联网，SAP宣布

20亿欧元投资物联网。我国的制造企业、终端、电信运营商、平台厂商加大力度整合芯片、操作系统、基础设施建设和平台服务，积极构建产业生态体系。其中包括百度、阿里在建的物联网云平台，华为中兴通讯积极推进NB-IoT，以及华为LiteOS操作系统等。我国在工业、农业、能源、物流、健康养老、交通、安防等行业创新示范应用水平不断提升，形成一批成熟运营服务平台和商业模式。IDC预估2021年物联网终端安装数量将高达361亿个，全球物联网支出到1.1万亿美元。

物联网面向的是物理世界，其具有海量终端、网络异构、数据量大、管理复杂等特点，通常依靠单一的技术无法解决，因此物联网需要跨技术和领域的解决方案。物联网与互联网最本质的区别在于，互联网的数据大多来源于人为输入，而物联网通过感知设备获取来自物理世界的感知数据，这些感知数据建立了物理世界与信息世界的对应关系，比如腕表采集的人体体征信息、家居系统中烟感、光感设备采集的烟浓度、光强度等信息，这些感知获取的信息来自客观的物理世界，与人类生产生活紧密相关。因此，物联网比以往任何时候，更加需要保证数据安全和隐私。物联网的数据安全和隐私问题包括如何保证数据来自真实可靠感知设备、数据在不同的应用系统中流转时不被篡改、数据在不被非法访问和窃取等，这些问题较大阻碍了物联网规模化应用发展。与此同时，物联网碎片化应用较多，物联网的系统建设和行业应用现阶段相对孤立，系统之间融合应用还未完全展开，导致物联网的潜在价值尚未被充分挖掘出来。

1.1 区块链背景介绍

区块链是2008年由中本聪提出，它是以比特币为代表的数字加密货币的核心支撑技术，区块链的核心技术包括分布式账本、共识机制、智能合约和密码学等。它的核心优势是去中心化，通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点间无需互相信任的分布式系统中实现点对点的交易、协调与协作[4]。目前，随着区块链技术的研究和应用呈现爆发式增长。由于区块链具有的去中心化信用、不可篡改和可编程等特点，使得区块链具有广阔的应用前景。区块链技术将会经历以加密货币体系为特征的区块链1.0模式，以可编程金融系统为主要特征的区块链2.0模式，以可编程社会为主要特征的区块链3.0模式，目前区块链应用还处于区块链2.0模式前期[5]，区块链技术已成功应用于数字加密货币，且未来在经济、金融、社会系统中具有广泛的应用前景。

目前，许多国家和政府也开始探索区块链应用。日本是全球首个对虚拟货币立法的国家，目前以日元计价的比特币交易约占总交易量的一半，区块链应用的行业领域也较多。英国较早布局区块链，2016年由英国政府发布《超越区块链》报告。2017年美国知名企业如微软、沃尔玛、IBM等开始积极布局区块链技术研究，探索在食品安全、供应链物流和区块链平台等应用，2017年澳大利亚政府将区块链纳入国家数字化战略。近两年，我国的区块链企业数量急剧增多，2018年，工业和信息化部信息中心发布了《2018中国区块链产业白皮书》[6]，该白皮书深入分析了我国区块链技术产业发展现状和特点，深入阐述了区块链在金融领域和实体经济的应用落地情况，并对产业发展趋势进行了展望。截止到2018年3月底，我国以区块链为主营业务的区块链公司数量达456家，覆盖硬件制造、基础设施、安全服务、产业技术、应用服务等，其中金融行业应用服务的公司数量达到86家，主要为实体产业应用服务公司数量达到109家。可见我国区块链企业在服务实体经济超过金融行业，其比例占总企业数的23.9%。白皮书也指出，区块链存在的合规性风险和技术风险。技术层面的风险包括攻击、私钥和终端安全、共识机制安全等。

1.2 物联网和区块链融合的巨大应用前景

经上述研究发现，物联网和区块链各自的优势可实现互补，两者融合具有技术可行性，同时也将催生巨大的应用前景和发展潜力。

物联网连接物理世界，其应用场景丰富，物联网为区块链引入了来自实体世界的真实数据，这些数据上链将扩展海量数据的应用空间并挖掘出数据背后的巨大价值，真正发挥出区块链对实体世界的推动作用。因此，物联网的引入将充分体现区块链服务实体经济的重要价值。

同时，区块链自身具备防篡改的优势，从根本上解决物联网大数据管理、信任、安全和隐私问题，在此基础上，依靠区块链的智能合约、授权机制、激励机制等，大大拓展物联网的多种行业内部和跨行业应用，从而为实现安全可信、多行业融合的物联网应用提供强大的技术支撑。因此，融合物联网和区块链技术，不仅能解决物联网行业应用中面临的数据安全和隐私、跨行业等难点问题，而且未来将对各个行业应用产生根本性变革，具有巨大的市场前景和发展潜力。

2 物联网和区块链融合的研究近展

近几年来，国内外政府机构、学术界和产业界在物联网和区块链融合的学术研究、标准和行业应用已逐渐萌芽，并迅猛发展。

学术研究方面，2017年中国电子技术标准化研究院聯合无锡市经信委发布了《中国区块链与物联网创新应用蓝皮书》[7]，深度剖析区块链与物联网的融合模式，以及融合在环保、医疗、智能制造、供应链管理、农业等领域的应用场景。众多学者开始探讨两者融合技术和应用。丁庆洋分析了利用物联网和区块链技术解决B2C电商平台信息追溯和防伪问题[8]，并给出了设计模型和应用场景，马昂等分析了物联网和区块链融合的应用场景[9-10]，张健强等分析了区块链共识机制和账本在两种通信架构物联网中应用架构设想[11]。叶小榕设计出利用物联网、区块链及智能合约的供应链原型系统[12]。罗松介绍区块链给物联网带来的机遇和挑战[13]。赵明慧设计出基于区块链的社会物联网框架，解决社会物联网的安全和交易问题[14]。梅颖等利用区块链技术解决物联网访问控制、隐私保护和应用安全问题[15-16]。

物联网标准化方面，我国发布了《物联网标准化白皮书》

（2016版）[17]，研究国内外物联网标准化进展，包括国际标准组织IEEE，ISO，ETS，ITU-T，3GPP，3GPP2等。ISO主要针对物联网、传感网的体系结构及安全等进行研究；ITU-T与ETSI专注于泛在网总体技术研究，但二者的侧重角度不同，ITU-T从泛在网的角度出发，而ETSI则是以M2M的角度对总体架构开展研究；3GPP和3GPP2是针对于通信网络技术方面进行研究，IEEE针对设备底层通信协议开展研究。我国针对物联网标准化组织包括国家物联网基础标准工作组、电子标签标准工作组、传感器网络标准工作、生物特征识别分技术委员会、多媒体语音视频编码以及公安、交通、医疗、农业、林业和环保各行业应用标准工作组，这些工作组它们各自侧重点不同。

区块链标准化方面，许多国内外标准组织包括ISO，ITU-T，IETF，IEEE等均已开展区块链及其与物联网融合的标准化工作。其中，ITU-T启动了分布式账本的总体需求、安全以及物联网应用研究。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标准项目，定义去中心化的可信物联网服务平台框架。ISO TC 307区块链和分布式账本技术委员会开展区块链制定，目前已经有8项标准项目正在开展。IETF讨论区块链的互联互通标准，IEEE建立了区块链应用在物联网下的框架标准。国内CCSA TC10启动物联网区块链子项目组，负责区块链技术在物联网及其涵盖的智慧城市、车联网等行业应用，在TC1下启动区块链行业标准制定。数据中心联盟于2016年12月1日成立可信区块链工作组，包括中国联通、中国电信、腾讯、华为、中兴通讯等30多家单位组成。

另外，国内外知名的企业和研究机构针对物联网和区块链融合研究逐渐兴起。腾讯、京东和华为针对区块链技术分别发布了《腾讯区块链方案白皮书》[18]《京东区块链技术实践白皮书（2018）》[19]《华为区块链白皮书》[20]，这些白皮书中均将物联网作为区块链的应用场景，根据企业总体优势阐述其在区块链的布局，腾讯的目标是打造企业级区块链基础平台，京东阐述以服务平台为目标，利用区块链实践进行跨主体协作的业务，华为推出云区块链服务BCS，打造典型的“应用+区块链平台+硬件”三位一体软硬结合的解决方案。物联网和区块链底层融合技术引起国内外企业的关注。2014年在德国诞生的数字虚拟货币IOTA（埃欧塔）是面向物联网应用的区块链技术，通过一种创新的分布式Tangle账本、DAG结构满足物联网之间的互操作性和资源共享需求。国内针对物联网和区块链融合技术也开始蓬勃发展，2017年提出的“六域链”（Six Domain Chain）针对物联网应用生态的复杂需求等，在P2P通信、加密算法、共识算法、市场化共识激励、去中心化DApp等底层技术方面进行了充分的优化设计，建立了适用于物联网应用生态的公有链，推进区块链服务实体经济的探索实践。2018年5月，中国、加拿大来自物联网、区块链、金融等不同领域的专家联合发起创立“中加物联网与区块链产业发展研究院”推进相关的研究和应用。

国内外众多企业开展了物联网和区块链融合的行业应用，比如在渔业、食品溯源、金融、能源等领域，表明区块链作为物联网应用的基础技术已经广受认可。如在渔业领域，庆渔堂公司采用物联网和区块链技术帮助农民进行水质监控，降低种养过程中的风险，提高生产效率，实现农业科技授信贷款、农业科技保险、供应链溯源、农产品溯源及品牌营销等。在食品安全溯源领域，食品安全区块链实验室Akte致力于打造基于物联网和区块链技术的食品防伪溯源生态，通过打通物联网智能终端的信息采集与区块链的数据链路，保障食品可溯源和信息真实可信。金融方面，感知集团通过物联网与区块链融合技术，致力于实现客观可信的基于企业不动产货品的信用评级、贷款、融资、保险服务等。能源领域，澳大利亚Origin Energy，英国BP，日本东京电力公司，荷兰壳牌和德国Innogy公司宣布建设能源区块链项目，并提供分布式能源点对点交易、碳证交易、融资服务。

3 物联网和区块链融合的创新与挑战

3.1 物联网和区块链融合带来的创新

物联网和区块链融合将推动技术跨越融合和实现安全可信，促进行业生态体系建立及商业模式创新。

（1）物联网为区块链提供更多落地的应用场景以及物理世界的支撑，两者融合可创新性回归到解决物理世界的现实问题。物联网连接的是物与物、物与人，这些连接的对象是客观存在的。根据行业和应用场景的不同，物联网采用功能、形态、需求各异的物联网设备终端采集来自医疗健康、家居、交通、物流、工业等行业的数据，从而提供来自这些行业以及细分领域的真实数据，这些数据上链给区块链的应用不断注入新鲜的血液，可不断扩大区块链技术的应用场景，同时融合区块链技术帮助解决物理世界的现实问题，从而服务实体经济。当前，区块链不仅应用在金融系统中，越来越多的应用领域来自非金融领域，特别是物联网应用场景，例如车联网、能源、医疗领域等。

（2）区块链解决物联网中的信息安全和隐私问题，创新性建立了物联网去中心化、可信任、隐私保护的机制和能力。物联网的数据来自物理世界，它是物理世界的客观镜像，这些数据的安全性直接关系到物理世界的安全性，一旦出现数据被恶意窜改、数据被违规访问等问题时，其产生的災难性后果比虚拟世界更严峻，因此物联网应用安全方面问题亟需解决。区块链本身具有的分布式、去中心化、数据加密、时间序列、共识机制等属性，可保证数据不被篡改，以及利用区块链技术建立的安全访问机制，从技术上解决物联网的数据安全和隐私问题，从而保障客观数据的真实可靠、可用性和隐私保护能力，有利于物联网真正大范围的推广应用。

（3）与行业应用相结合，以区块链的智能合约为技术支

撑，创新性建立物联网跨行业应用生态体系。物联网的应用不仅仅是单个行业的数据监测、数据传输和分析控制，更需要建立一个庞大的生态服务体系。物联网本身也是一个跨技术、多个主体共同协作的系统级应用，需要设备入网者、服务提供者、运营管理者、目标客户、目标对象所有人等多个主体之间合作和共享，同时，物联网提供服务不再是单一的内容服务，而是多元化、种类繁多、不断演进的生态服务体系，利用智能合约机制能建立这些数据之间以及映射出的主体之间的关系，并基于主体之间的合约脚本，给不同主体提供崭新的网络化、具有社会化属性、以及不断演进的服务和体验。如基于区块链的农业物联网服务不再是单一的农作物生长监控、食品溯源，更多的服务是农业信用、农业保险、农产品交易、农资租赁等。在基于区块链的医疗健康物联网服务不仅包括健康监测、药品溯源、医废管理等，还能提供精准的人寿保险、社会保障、居家养老、远程医疗服务、医疗器械租赁等。

（4）结合区块链的共识机制和激励机制，它将给物联网行业应用带来创新性的商业模式。物联网的数据共享和服务之所以还不够普及，一方面受制于技术集成创新成熟度，另一方面也缺乏良好商业模式推动，特别是在一些重要的消费行业，包括供应链金融、农业、食品安全、能源、电动汽车共享租赁等。物联网作为推动共享经济、实现零边际成本社会的重要动力，还需要借助一定的激励机制和商业模式。由于物联网实现跨领域的生态体系，物联网系统的设备提供商、软件服务商、运营管理方、多种类用户之间的关系错综复杂，需要在他们之间建立良好的数据提供、服务获取、交易确认和付费机制等。区块链为物联网多方主体参与贡献和交易提供了去中心化平台并利用其共识机制和激励制度，提倡做出贡献的主体可获取相应额度报酬，这种机制将鼓励和带动更多的主体参与到物联网的应用中，实现实体流、信息流与资金流的三流合一，高效解决跨行业、深层次的社会问题。

3.2 物联网和区块链融合面临的挑战

物联网和区块链融合将面临技术和商业模式两个方面的挑战：

（1）技术方面的挑战

经过近年来国内外在传感技术、信息技术、通信技术等快速发展，物联网已经在体系架构、操作系统、传感器、网络建设、软件平台等技术方面逐渐成熟，国内外基础技术的标准体系已逐步建立，标志着物联网技术发展走向成熟。而区块链出现时间较短，普遍认为是处于区块链2.0模式前期，国内外标准化还处于起步阶段，区块链应用行业和技术型企业还相对较少，区块链应用也不时会出现一些安全漏洞。尽管如此，以比特币为代表的区块链掀起了一股热潮，很多企业和专家学者看好物联网和区块链融合技术可行性。在《蓝皮书》[7]中给出了基于物联网和区块链融合的架构，在各自原有技术架构上进行演进，建立了两者融合的参考系统架构。不过，在区块链技术路线中，以往比特币的技术不适合应用于物联网上。因此，物联网和区块链融合还存在许多技术问题有待研究。如何使区块链通过高效率、低资源占用率、高安全的方式实现物联网中多方交易、海量终端、访问控制、隐私保护的应用需求，以及如何将物联网终端、软件协议、系统平台与区块链的技术融合，如何将共识机制、智能合约等区块链技术与物联网应用融合等问题还需要进一步探索。

（2）商业模式方面的挑战

物联网的商业应用已初步萌芽，目前也有大量的国内外知名企业开始布局物联网并进行市场化运行，在物联网的可穿戴设备、智能家居、共享单车、医疗服务、共享电动汽车租赁、停车管理等领域都均有规模化企业应用。由于区块链为数据提供更加安全的交互平台，物联网为区块链提供了来自物理世界的数据和应用空间，他们综合起来将产生以信任为基础的业务模式，实现多种主体之间跨平台交易，而不必担心数据安全问题，从而打通业务之间的壁垒，使得应用场景更加丰富，实现多方共赢。因此，基于物联网和区块链融合的综合业务和商业模式也被看好，许多科技服务型企业开始试水两者融合的商业运营。但是，基于当前大部分的物联网商业应用还未实现持续稳定盈利，两者融合的商业模式融合也面临挑战。如何将区块链的技术优势充分发挥出来，有效推进区块链技术在物联网的商业价值体现，解决物联网商业运营过程中的问题，如何将物联网应用中多主体、跨行业、网络化服务与区块链的共识机制、激励机制、智能合约等实现落地和推广，如何在跨行业应用中创造出安全、有序、可持续、共赢的商业运行环境等需要产业链上企业、政府和研究机构等多方共同研究和探索。

4 结 语

物联网和区块链融合具有广泛的应用前景，在国内外学术界和产业界掀起一股热潮。它们之间实现技术优势互补，物联网提供了丰富的数据和场景，但存在较大的安全和隐私风险，区块链技术保障安全和隐私，提供多主体之间共享和交易的平台，但是缺乏大量、实时有效的数据支撑，物联网和区块链融合将弥补各自不足，有利推动两者在行业深度发展和高效应用，但同时机会与挑战并存。当前融合技术设计实现和商业模式等还处于探索阶段、尚未完备。如何解决区块链的低效率、资源占用高、安全风险，建立适应物联网行业应用的融合技术还需要进一步研究，另外，物联网行业应用对新兴的区块链技术接受还尚需时日，两者融合发展还处于产业前期。但是，随着物联网、区块链技术的迅速发展，区块链开源社区建立和技术普及，以及国内外企业在商业模式的不断创新探索，相信在不久的未来，物联网和区块链融合必将形成共同促进的态势，对行业进步、社会发展带来巨大的

革新。

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