基于区块链技术的物联网平台及其应用

张月平，刘东航

（山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030600）

0 引 言

随着物联网的发展，逐渐将各种信息传感设备与网络结合起来，形成巨大的网络，以实现人、机、物的互联互通；而传统的数据管理方式无法真正解决其存在的数据安全问题，进而限制了物联网的发展。目前，具有数据永久保存和防篡改功能的区块链技术有望解决这一问题。区块链技术按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合，是一种去中心化、去信任的分布式账本技术，目前已逐渐深入到各行各业，以保护数据的安全。本文探讨基于区块链技术的物联网平台及其应用，首先分别概述区块链技术和物联网，其次提出基于区块链技术的物联网平台架构体系，最后探讨区块链技术在物联网中的应用。

1 区块链技术概述

区块链是一种按照时间顺序，将数据区块以顺序相连的方式组合的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的去中心化、去信任的分布式账本，也是由网络节点集体维护的可靠安全的数据库技术。去中心化表示所有节点共同管理数据，不会存在一家独大、独自管理全部数据的现象，实现了数据的透明性、易维护性。区块链的本质是所有节点共同记账、互相验证、达成共识的过程，是分布式存储、共识机制、密码学及智能合约等技术的融合。该技术具有不可篡改、可追溯的技术特点，将在解决物联网通信中产生的数据安全问题时发挥重要作用。

2 物联网概述

物联网（Internet of Things, IoT），即“万物相连的互联网”，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间和任何地点的人、机、物的互联互通。物联网应用可分为三个领域：工业领域、智慧城市领域和医疗保健领域。目前在这几个领域的数据表现方面，物联网面临终端采集数据的安全可信痛点及终端设备的智能化痛点，这使得物联网终端必须具备可信的执行环境，必须解决数据源头的造假问题。

3 基于区块链技术的物联网平台架构体系

基于区块链技术的物联网平台是一种去中心化的业务平台，简称物联网区块链。该平台基于区块链技术，支持物联网设备共同参与和进行交易，包括应用层、服务和应用支撑层、网络层、设备层、管理层和安全层，如图1所示。

图1 基于区块链的物联网平台技术架构体系

3.1 应用层

应用层包含物联网应用。去中心化应用和节点可以部署在物联网区块链实体上（如物联网设备、物联网网关等），也可以部署在云端（如物联网服务器）。

3.2 服务与应用支撑层

物联网区块链以去中心化的方式工作，并由全部或部分节点参与共识过程和相互协作，这需要具备去中心化模式下的访问控制能力，包括用户账户信息查询、账本信息查询、交易处理请求交付、接口访问权限管理等。

为满足应用的不同需求，需要提供不同的群体共识机制实现操作的一致性。与群体共识相关的能力包括：支持多个节点参加共识和确认过程、支持独立节点在物联网区块链里验证相关信息更新、防止任何独立的节点在没有其他节点确认的情况下记录或修改信息。物联网区块链需要具有一定的容错能力，包括非恶意的失败，例如节点物理或恶意的失败和网络故障。

加密能力包括适用于去中心化环境下的数据加密和解密、摘要生成和签名机制。

数据控制相关能力包括数据在物联网区块链节点间的数据分发和交换、在共识前的逻辑验证和共识后的结果计算、特定交易处理的多签名权限控制、基于智能合约的逻辑执行能力等。

物联网区块链数据记录相关能力，包括数据的持久存储、多节点之间数据记录的完整性管理、被授权节点记录数据的一致性管理等。

节点能力包括节点信息查询、节点启动和关机控制、节点配置、节点状态监控、节点授权管理等。

合约是物联网区块链的可选能力，包括合约开发和运行环境管理、存储环境管理、合约触发和终止等。

存储能力支持对操作过程中产生的数据和交易信息的存储和查询能力，它支持节点以有效、安全、稳定的方式在物联网区块链存储和查询信息。物联网区块链计算能力为节点提供运行环境和计算能力，包括容器、虚拟机和云技术。

点对点通信和交易能力包括物联网区块链支持节点之间高效安全的沟通、基于P2P通信能力的多路传播、节点的动态添加或减少。物联网区块链可以通过应用接口访问传统物联网参考模型中的通用和专用支撑能力。

3.3 网络层

网络层包括网络能力和传输能力。物联网区块链节点间可以通过点对点的模式相互通信，独立于通信网络，可以在任何一种通信网络上运行。

3.4 设备层

设备层包括设备能力和网关能力。物联网网关和全功能的物联网设备可以承载去中心化应用和物联网区块链节点，并能参与到物联网区块链中。能力受限的物联网设备可以通过物联网网关或全功能的物联网设备连接到物联网区块链。

3.5 管理层

管理层包括通用管理功能和专用管理功能。除了支持这两组能力外，物联网区块链管理相关的能力包括：监管和审计能力、数据处理服务性能管理能力、开发和运营能力以及对物联网区块链中审计记录、审计过程和结果信息的收集、维护和信息防泄露等。其中监管和审计能力提供访问控制、监控、跟踪等技术手段，保证数据防篡改特性、可追溯性及可检测性；数据处理服务性能管理能力主要是以安全的方式收集和维护物联网区块链数据；开发能力提供对物联网区块链开发的支持，包括服务组件开发、测试管理和服务发布；运营能力提供对异常事件管理、服务交付和部署、跨链服务管理等的支持。

3.6 安全层

安全层包括通用安全能力和专用安全能力。物联网区块链能够充分利用传统物联网业务平台的安全能力，以保障其安全。另外，由于物联网区块链在去中心化和低信任的环境中工作时，需要具备更多的与安全相关的能力，用于支撑点对点通信、去中心化的数据存储、群体共识、智能合约、访问权限和其他重要功能。

4 区块链技术在物联网中的应用

目前，区块链技术已用于多种物联网场景，涉及如数据存储、身份管理、供应链管理等多种技术，涵盖多个领域，具体可分为三个领域：工业领域、智慧城市领域和医疗保健领域。工业领域包括物流与产品生命周期管理、农牧业及工业过程等；智慧城市领域包括智能家居建筑及公共安全与环境监测等；医疗保健领域包括疾病诊断与治疗等。

工业领域中，如在农产品运输等场景下，传感器数据是非常重要的，物联网的正常运行依赖于大量传感器数据的传输，区块链与传感器技术相结合可以实现传感器数据的存证和溯源，是提高物联网去中心化信任和安全的有效手段。例如，在加油站涉税平台中，使用传感器等物联网设备实时、无感、自动采集加油站油品物理流量数据及油品交易数据时，利用区块链技术将数据安全传输至管控平台，直接与其进行信息交换和通信，最终判断加油站进油、售油交易行为的真实性，防止偷税漏税的行为出现。

在智慧城市领域，无人驾驶车辆、用于监控的城市摄像头及智能家居传感器等海量设备不断收集和中继数据并执行命令，这些设备的身份可信度辨识、访问控制、数据隐私及设备之间的互联互通等问题成为智慧城市发展的阻碍。在车联网场景下，车辆需要收集并共享数据以提高驾驶安全性，提供更好的服务质量。利用区块链建立分布式数据库管理车辆数据，通过部署智能合约来保证路侧基础设施数据存储的安全和高效。智能家居利用区块链技术，使各个节点之间建立信任关系，保障智能家居的安全并保护用户隐私；通过智能合约让设备自动协调；利用数据，让家庭更加智能化。

医疗保健领域中，越来越多的可穿戴物联网医疗设备被人们使用，这些设备持续监控人们的健康参数。医疗机构利用收集到的医疗数据了解患者的日常健康状况，通过不断汇总医疗数据进行自动医疗诊断、建议治疗等。利用区块链技术可以帮助医疗保健组织弥合传统数据孤岛，实现安全共享敏感医疗数据。它不仅可以提高患者和医生之间的透明度，而且可以确保独立的医疗保健提供者和研究组织之间的有效协作。

5 结 语

本文首先分别概述区块链技术和物联网，其次提出基于区块链技术的物联网平台架构体系，最后探讨区块链技术在物联网中的应用。物联网实现了海量数据的低成本获取，区块链能够大规模、高效率、低成本地信任这些数据，物联网领域因引入区块链技术而具备了更强的安全、隐私、信任等特性。区块链对物联网来说，意义重大、作用显著，仍需要对区块链技术进行深入探索，使区块链技术在物联网领域得到更好的应用和发展。