陈 亮，李 峰，夏征义，丁 皓

（军事科学院系统工程研究院后勤科学与技术研究所，北京 100071）

0 引 言

当今时代，信息技术飞速发展，云计算、大数据、下一代移动互联网、物联网等信息技术不断发展并得到普及应用。2008年，中本聪发表的一篇论文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[1]将比特币带入了人们的视野。该文提出建立一种新型电子现金系统，该系统基于密码学原理而非传统的信息体系运行，任何达成一致的双方均可实现无须第三方中介参与的交易行为。比特币能够在没有任何中心化机构运营和管理的情况下持续稳定运行，人们逐渐意识到比特币底层技术的重要意义，并将其抽取出来定义为区块链技术。

区块链实现了在分布式环境下多方参与的双边交易去中介化，并且具备全网记录、可追溯、防篡改等特点。与云计算、大数据、物联网等新一代信息技术类似，区块链是一种在现有技术基础上，加以独创性的组合和创新，集成了多方研究成果的综合性技术。

区块链带来的效率提升和成本降低为经济社会发展和治理提供了新的思路，其行业应用优势在于优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率，这种优势在金融、物联网、公共服务、社会公益和供应链管理等领域逐步体现出来[2]。区块链技术的迅猛发展引起了各国政府机构、金融机构、大型互联网企业及科研机构的广泛关注。学术研究方面则逐步拓展了区块链应用领域，并结合共识机制、密码学算法、分布式数据存储及管理机制等进行了深入分析。

文献[3]从关键技术、内容、原理、瓶颈和应用前景等方面对区块链进行了比较全面的介绍。但其侧重于基础性介绍，对物联网环境下区块链的应用分析不够深入。

文献[4]提出了一种基于区块链的应用系统开发方法研究，设计了基于账户区块链和交易区块链的双链设计模型，能够支持多个区块链应用系统开发，且具有开发周期短、可扩展性高、运行速度快等特点。但该双链模型主要应用于金融行业，并不适用于物联网海量、实时的应用场景。

文献[5]从可信数据管理角度，介绍了与区块链相关的技术和研究进展，包括分布式共识、智能合约、数据溯源等，并分析应用对可信数据管理所提的需求和研究挑战，为物联网所在的大规模分布式环境下可信数据管理提供了基础理论支撑。

文献[6]提出了一种可采用零知识证明算法的分布式智能合约系统Hawk。相对现有区块链系统，Hawk的分布式账本并不会将所有交易信息向公众开放，同时通过采用密码学算法，使得公众在不知道交易信息的情况下对交易进行验证，进一步增强了比特币系统的隐私性。

文献[7，8]则通过分析区块链技术特点来解决物联网应用中的安全问题，同时对物联网技术与区块链相结合后的安全性问题做了探讨。但由于其仅局限在安全领域，并未全面分析区块链+物联网技术特征及应用模式，缺乏对区块链+物联网所面临的挑战及解决思路方面的研究。

本文通过分析区块链技术架构及应用特征，给出区块链基本组成结构及分类，分析区块链为物联网发展带来的技术优势，提出区块链+物联网的典型应用场景，应对区块链+物联网面临的挑战，为进一步推动区块链在物联网领域的应用研究，拓展区块链+物联网的应用范围提供参考。

1 区块链技术架构

一个典型的区块链由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成，结构如图1所示。

（1）数据层封装了底层数据区块、区块之间的链式结构以及数据加密和时间戳等技术；

（2）网络层包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等；

（3）共识层主要封装了网络节点的各种共识算法，包括工作量证明算法（Proof of Work，PoW）、股权证明算法（Proof of Stake，PoS）、股份授权证明算法（Delegated Proof of Stake，DPoS）等 ；

（4）电子货币激励机制在推动资源共享、激发群体智能、促进协作通信等方面具有重要作用，是提升信息网络服务质量与效率的关键[9]。区块链的分布式激励层主要包括经济激励的发行机制和分配机制等；

（5）合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础；

（6）应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例，包括可编程金融、可编程货币、可编程社会等。

图1 区块链技术架构模型

在上述技术架构模型中，区块链核心要素包含以下三个方面：

（1）基于时间戳的链式区块结构：每一个区块均有时间戳，包含前一个区块的哈希值，且验证每一个交易；

（2）基于P2P网络的分布式存储机制：通过P2P网络的传播和验证机制，每个参与节点都存储同样的信息，拥有同样的权利；

（3）基于分布式节点的共识机制：共识算法确保了每个节点存储信息的一致性及可验证性。

根据不同的应用领域特点，区块链分为三类，即公有链、私有链和联盟链。

公有链是完全去中心化的区块链。分布式系统的任何节点均可参与链上数据的读写、验证和共识过程，并根据贡献获得相应的经济激励。公有链最先出现，也是目前应用最为广泛的区块链，比特币区块链是一种典型的公有链。

私有链是完全中心化的区块链。链上数据的写入权限由中心机构控制，读取权限可视需求有选择性地对外开放，主要适用于特定机构的内部数据管理或审计等。私有链与其他分布式存储方式并没有太大的区别。

联盟链是多中心化的区块链。每个区块的生成是由预选节点共同决定的，其他节点只能接入区块链负责交易，但并不参与共识过程。R3组成的银行区块链联盟就是一种典型的联盟链。

2 区块链数据结构

区块链把数据分成不同的区块，每个区块通过特定的信息链接到上一区块的后方，以此形成一套完整的数据。每个区块由一个被称为“魔法数”的常数、区块大小、区块头、区块所包含的交易数量，以及部分或所有近期新交易组成。一个区块的结构见表1所列。

表1 区块结构示意图

在每个区块中，对整个区块起决定作用的是区块头。表2所列为区块头的数据结构。

表2 区块结构

创世块（Genesis Block）是指区块链的第一个区块。表2中的hashPreBlock是区块之所以能够连成区块链的关键字段，由于每个区块包含前一个区块的Hash值，使得从创世块到当前块形成了一条块链，每个区块一定是按时间顺序跟随在前一个区块之后，区块链结构如图2所示[10]。

3 物联网发展的一些问题

近几年物联网行业取得了显著成果，大量传感器和机器设备与互联网相结合，实现了智能化的管理与操作。2013年Gubbi等人[11]描绘了反映整个世界未来物联网应用的场景。所有智能设备和物体都嵌入了传感器，通过实时感知周围环境和网络互联，人们能够足不出户地完成工作、业务、交易等。然而随着物联网行业的发展，设备安全、隐私保护、架构僵化、通信兼容性和多主体协同等瓶颈仍有待突破。

（1）设备安全方面：Mirai创造的僵尸物联网（Botnets of Things）被麻省理工科技评论评为2017年度十大突破性技术。由其控制的海量物联网设备发起的分布式拒绝服务攻击（DDoS）使得美国网络域名解析服务商Dyn瞬间瘫痪[12]；

（2）隐私保护方面：传统物联网主要采取中心化的管理架构，在用户隐私及安全信道传输方面存在许多不足[13]。例如，美国Sense Network公司会从每天处理收集的40多亿条位置数据中提取并分析用户的爱好、习惯等隐私信息[14]；

（3）架构僵化方面：目前物联网应用几乎全部采用中心化体系结构，物联网运营商通过云端服务器集群为物联网应用提供数据存储和交换服务。随着低功耗广域网技术的发展，未来物联网终端设备将呈几何级数增长，欧洲委员会提出：到2020年将有500亿～1 000亿的智能设备接入互联网[15]，而中心化的物联网运营模式很难满足这一快速增长的需求。

（4）通信兼容方面：物联网通信领域存在多个竞争性标准和平台。以低功耗广域网为例，存在LoRa， NB-IoT，Sigfox， Weightless等解决方案[16]。采用不同通信手段的物联网设备群组在通信兼容性方面还存在一些问题。

（5）多主体协同方面：目前，物联网大多是运营商、企业内部的自组织网络。跨多个运营商、多个主体之间开展协作时，建立信用的成本较高。

图 2 区块链结构示意图

4 区块链+物联网发展优势

当前区块链技术在物联网领域中的应用已经展开，区块链和物联网融合发展是下一步的重要研究方向。区块链凭借其主体对等、公开透明、多方共识、信息难以篡改和可编程等特性，对物联网技术体系、基础设施、运营模式等多方面可能会产生较为深远的影响，需解决传统物联网发展过程中遇到的一些问题：

（1）降低传统物联网运营成本。区块链+物联网可采用P2P传输方式解决网络带宽受限问题，并通过分布式方式利用数以亿计的物联网闲置节点的计算资源、存储资源及数据资源，从而大幅降低传统物联网中心化架构的高额运维成本、促进信息的流动与共享。

（2）解决不同信任域下节点的安全性问题。区块链+物联网可采用基于时间戳的存储结构和分布式存储机制，构建一条可证可溯的电子存证，保护数据的完整性和不可篡改性。

（3）实现物联网设备间的智能协作。采用区块链的智能合约可将传统物联网智能设备变成可以自我维护调节的独立个体，这些个体可在无须人工参与的情况下，根据事先规定或植入的规则合约，与其他个体交换信息或核实身份等。

5 典型应用场景

当前区块链技术并未完全定型，很多区块链+物联网应用场景还属于概念验证阶段。但如果采用不同的共识机制和数字签名验证算法，其应用场景大为不同。

5.1 供应链数据存证与溯源

产品溯源是物联网技术的重要应用领域之一，目前广泛应用在农牧产品原产地追溯，工业生产的原材料和零配件追溯以及消费品防伪等方面[17]。传统产品溯源方式主要通过赋予其唯一的标识（如RFID射频标签、二维码等），并在标识中关联该产品的相关信息（如原产地、生产企业等），采购该产品的企业或消费者可通过标识识别装置（如RFID读写器、手机等）对标识中的信息进行读取，从而实现产品信息的追溯、真伪查询等功能。

采用区块链技术可构造形成多方参与的溯源链，该链具有数据公开透明、不可伪造、不可篡改、不可撤销的特点。结合线上和线下同步等方式，将传感器收集的数据写入区块链，形成防篡改电子证据。生产企业、物流、经销商、零售商、质量监管等均能基于该溯源链对各环节的数据进行共享与验证，从而提升各方主体造假抵赖成本，进一步厘清责任边界。同时，根据实时收集的数据，能够及时了解产品的生产、运输、销售等各环节，以及必要的反应措施（如冷链运输过程中，超过一定温度的货舱能够立刻定位故障来源），增强多方协作可能。供应链存证与溯源示意图如图3所示。

5.2 分布式能源交易和供给

能源行业普遍存在常规能源产能过剩、新能源利润率和回报率低以及相关基础设备及硬件配置不完备等问题[18]。目前在信息采集和接入方面，采用物联网技术能够实现智能监测设备的互联互通及设备状态、外部环境的实时监测。而在信息处理与应用方面，可采用区块链技术实现智能化决策调控与自主交易。

图 3 供应链存证与溯源示意图

以住户建立的微电网为例，美国LO3 Energy和ConsenSys公司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，如图4所示。主要通过在住户智能电表中安装区块链软件，构成一个区块链网络来实现其功能。用户通过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，通过电网设备控制相应的链路连接，实现分布式自主能源交易和能源供给。

图 4 分布式自主能源交易平台

本节以区块链+物联网在供应链及能源领域的典型应用场景为代表，分析其为传统应用模式带来的新的发展前景。此外，区块链+物联网在更多领域的应用还处于探索起步阶段。后续工作将结合区块链、物联网技术发展不断充实完善。

6 挑战与展望

虽然区块链技术在物联网中具有广阔的应用前景，但区块链和物联网作为近年来兴起并快速发展的新技术，两者之间的结合同样面临各种制约其发展的问题和障碍。

（1）资源消耗。物联网设备普遍存在计算能力低下、联网能力弱、电池续航时间短等问题。而比特币采取的PoW耗费了大量的算力资源和电力资源，并不适用物联网环境。设计行之有效的交互机制来汇聚和利用分布式共识节点的群体智能是区块链+物联网急需解决的重要问题。

（2）性能瓶颈。区块链要求系统中每个节点保存一份数据备份，这对于物联网日益增长的海量数据存储而言是极不现实的。虽然采用轻量级验证节点可解决部分问题，但适用于更大规模的工业级解决方案仍有待研究和设计[19]。传统比特币区块链每秒仅能处理7笔交易，加上共识确认时间，大约需要1小时才能写入区块，因此并不适用于对时延敏感的工业互联网、车联网等领域。

（3）分区容忍。由于物联网设备可能处于无人区、复杂电磁环境、高速移动场景等，因此存在节点经常失效、频繁加入或退出网络等现象。这将会消耗大量网络带宽，并带来网络震荡，甚至出现“网络割裂”的现象。

然而，随着物联网雾计算、边缘计算的发展[20]、区块链中混杂共识机制、轻量级共识协议和基于有向无环图（Directed Acycline Graph， DAG）的数据存储架构[21]等技术的创新研究，区块链+物联网所面临的挑战有望得到逐步解决，从而形成面向泛在物联网的去中心化模式。

7 结 语

随着以比特币为代表的数字加密货币如雨后春笋般出现，区块链技术逐渐成为学术界和产业界的热点研究课题。区块链主体对等、公开透明、多方共识、信息难以篡改和可编程等特点，使其在物联网领域有着较好的应用前景。本文在系统梳理区块链基本原理、技术架构、数据结构的基础上，研究了区块链+物联网的典型应用场景，探索了区块链+物联网面临的挑战，以期为物联网领域区块链相关研究与应用提供参考。

[1] NAKAMOTO S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL].https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf. 2017-12-24.

[2]腾讯.腾讯区块链方案白皮书[EB/OL]. http：//www.cebnet.com.cn/20170425/102386208.html.2017-12-24.

[3]何蒲，于戈，张岩峰，等.区块链技术与应用前瞻综述[J].计算机科学，2017，44（4）：1-7.

[4]蔡维德，郁莲，王荣，等.基于区块链的应用系统开发方法研究[J].软件学报，2017，28（6）：1474-1487.

[5]钱卫宁，邵奇峰，朱燕超，等.区块链与可信数据管理：问题与方法[J].软件学报，2018， 29（1）： 150-159.

[6] KOSBA A， MILLER A， SHI E， et al. Hawk ： The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts[C]//Security and Privacy（SP）， 2016 IEEE Symposium on. IEEE，2016： 839-858.

[7] KSHETRI N. Can Block chain Strengthen the Internet of Things?[J].IT Professional，2017，19（4）： 68-72.

[8]赵阔，邢永恒.区块链技术驱动下的物联网安全研究综述[J].信息网络安全，2017（5）：1-6.

[9]何云华，耿子烨，李红，等.电子货币激励机制综述[J].软件学报，2017，28（1）：97-106.

[10]袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（4）：481-494.

[11] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， et al. Internet of Things（IoT）： A vision， architectural elements， and future directions[J].Future generation computer systems， 2013， 29（7）： 1645-1660.

[12] KREBS B. Ddos on dyn impacts twitter， spotify， reddit[J].Security IT， 2016， 20（16）： 68-72.

[13]董晓蕾.物联网隐私保护研究进展[J].计算机研究与发展，2015，52（10）：2341-2352.

[14]聂金慧，苏红旗.物联网位置数据安全策略研究[J].信息网络安全，2014（6）：6-10.

[15] SUNDMAEKER H， GUILLEMIN P， FRIESS P， et al. Vision and challenges for realising the Internet of Things[J]. Cluster of European Research Projects on the Internet of Things， European Commission， 2010（3）： 34-36.

[16] ZHANG Q， YANG S L， WU Y M， et al. Several communication modes of the internet of things and the technical characteristics[J].Computer science and application，2017，7（10）： 984-989.

[17]中国工控网.区块链技术在物联网中应用探讨[EB/OL]. http：//www.gongkong.com/article/201707/75046.html.2017-07-12.

[18]中国电子技术标准化研究院.中国区块链与物联网融合创新应用蓝皮书[EB/OL].http：//www.cesi.ac.cn/201709/2920.html.2017-09-24.

[19] EYAL I， GENCER A E， SIRER E G， et al. Bitcoin-NG ： A scalable blockchain protocol[C]//NSDI.2016： 45-59.

[20] GUPTA H， VAHIDDASTJERDI A， GHOSH S K， et al. iFogSim ：A toolkit for modeling and simulation of resource management techniques in the Internet of Things， Edge and Fog computing environments[J]. Software： practice and experience，2017，47（9）：1275-1296.

[21] IOTA. IOTA和 物 联 网[EB/OL].https：//www.jianshu.com/p/4cdbc200940d.2017-12-20.