刘会霞　刘路希

摘 要：本文简述物联网的基本概念，介绍物联网目前存在的一些问题，并阐述区块链对物联网的促进作用，将区块链技术与物联网和5G技术融合，实现数据安全、跨域协同与共享，同时介绍基于区块链的5G、物联网数据融合应用方案，希望能为未来区块链物联网的研究提供参考。

关键词：区块链;5G;物联网（IoT）;分布式存储

中图分类号：TN929.5;TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0030-03

Research and Analysis of 5G IoT Based on Blockchain

LIU Huixia LIU Luxi

（1.Henan Police College，Zhengzhou Henan 450046;2.Information Center of China North Industries Group Corporation，

Beijing 100089）

Abstract： This paper briefly describes the basic concept of the Internet of things， introduces some problems existing in the Internet of things at present， and makes some descriptions on the promotion of the blockchain to the Internet of things， data security， data sharing and cross-domain collaboration are realized by fusing block chain technology with Internet of Things and 5G technology， it is hoped to have some reference value for the future research of blockchain IoT.

Keywords： blockchain;5G;Internet of Things（IoT）;distributed storage

随着物联网技术在智慧城市、智慧农业及车联网等领域的飞速发展，物联网设备的使用规模呈爆炸式增长。《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。物联网技术的广泛应用不仅为人们的生活带来了极大便利，而且为世界的发展带来了机会，提升了社会生产效率和经济效益。物联网建立了物理世界与信息世界的联系，实现了物理世界中物体的智能化识别、定位、跟踪及监督等功能，获取了物理世界的信息。在这种背景下，物联网的隐私安全和数据保护变得越来越重要。因此，为了更好地实现网络环境与保护信息安全，物联网技术尚待深入研究[1]。

1 物联网现状分析

物联网是一个涵盖所有与互联网相连事物的总称。物联网的系统架构主要可分为感知层、网络层和应用层3层。在长期发展演进过程中，物联网使得人们的生活趋向智能化。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）和5G等技术的发展使万物互联成为现实。目前，物联网应用正在向制造、政务、金融、交通及医疗等领域发展，同时也带来了一系列问题。

1.1 成本较高

物联网拥有数以亿计的物联网设备，用来实时记录和存储海量信息。在中心化组网的方式下，这些设备都连接到中心化云和大型服务器上，因此对云和中心服务器的性能要求越来越高，导致成本越来越高，每一次互动传输都将产生昂贵的流量成本。另外，物联网设备需要周期性更新迭代其软件和功能，且中心化的平台维修、升级也带来了较高的成本开销。

1.2 数据存储安全性差

很多物联网设备存储有隐私信息，且以中心化的方式部署，一旦中心數据库受到恶意攻击，会对整个物联网造成很大的破坏。可见，物联网数据存储安全性差。

1.3 缺乏隐私安全与保护

目前，物联网具有分布式节点多、海量数据传输和云存储及数据中心化等特点。其中，节点多导致出现故障的风险多，且不能判断具体故障节点，增加了隐私保护的难度;海量数据传输和云存储容易导致数据的丢失，造成隐私泄露;数据中心化存储造成数据集中，一旦发生数据泄密，隐私信息将大量、灾难性暴露。物联网隐私信息的生命周期时间跨度较长和多层次的特点，使得隐私保护更加困难。隐私信息在采集、传输、存储及使用等一系列过程中，在存储层、网络层和应用层等结构中，都存在泄露和窃取风险。

1.4 物联网设备缺乏信任机制

物联网涉及很多领域，不同运营商、企业之间存在互信问题;物联网中的设备之间缺乏信任机制，过度依赖中心化数据库;物联网设备采集的数据传输要经过多个主体，如传感器、芯片、边缘计算、云SaaS服务、位置计算服务及智能调度等。因为不同参与方的通信标准、认证方式不同，所以他们之间存在数据难以互信的问题[2]。

2 基于区块链的5G、物联网融合应用

2.1 区块链技术

区块链于2008年由中本聪提出。区块链是分布式账本技术、共识机制、智能合约和密码学的综合应用，是以比特币为代表的数字机密货币的支撑技术。区块链运用了密码学、Hash函数、分布式共识和智能合约等手段，在无须借助第三方的平台下，在互不了解的多方之间建立点对点交易，主要特征优势是去中心化。目前，区块链作为一种去中心化、不可篡改、可追溯以及多方共同维护的分布式数据库，在很多方面获得了较为广泛的应用[3]。

2.2 5G技术

第五代移动通信网络（简称“5G网络”或“5G”）是为构建网络型社会并实现万物互联的宏伟目标而提出的下一代移动网络。相比于4G来说，5G在宽带、时延等各个方面都有了质的提高。5G运用通信网络达到万物互联的效果，可为物联网的发展提供技术支撑。根据IMT-2020推进组的规划，未来5G应达到“三高两低”5个基本要求，即高速率、高容量、高可靠性、低延时与低能耗。5G将以创新为基本理念，增强用户体验，成为敏捷化、服務化与软件化的现代化网络，并能够服务于各行各业。可见，5G已经成为新一轮信息技术的热点课题[4]。

2.3 基于区块链的5G、物联网融合应用方案

区块链与5G、物联网技术的融合解决了很多弊端，并为物联网应用带来了新的生机。区块链能够在没有第三方的情况下将交易双方相互信任地联系在一起，建立一个多边团体，为5G无线网络的跨各方整合和共享各种资源提供强有力的支撑平台。区块链无线接入网（Blockchain-Radio Access Network Beyond，B-RAN）是以区块链为技术支撑平台的去中心化的、可信任的无线接入范式，如图1所示。通过有效聚集和共享大量信息资源，区块链在多种功能上都有所加强，其中物联网应用是很重要的一方面，还有车联网应连接、移动边缘计算、网络切片和能源交易等。区块链无线接入网络发挥了一个多边平台的作用，通过网络效应吸引更多的参与者，通过通信、计算、缓存和控制单元的集成和协调，向整个网络提供智能服务。

区块链与物联网的融合解决了许多物联网存在的成本问题、安全问题和信任问题。在融合框架中，数据提供节点、数据需求节点、区块链服务器和云服务器相互联系，为数据共享提供了平台支撑。数据提供节点由各种提供数据的物联网设备构成，如自动驾驶车辆、移动设备以及传感器等，将共享数据的具体情况上报给区块链服务器，使得区块链可以根据具体情况为其匹配相应的数据需求节点，待匹配成功后，将发送授权令牌给数据需求节点，用于和云服务器的验证。数据需求节点由各种需要数据的物联网设备和机构构成，如自动驾驶车辆、数据机构等，可向区块链服务器发送共享请求。为了支付数据共享费用，它还需要兑换一定数量的共享币。区块链服务器由账户服务器、交易服务器和共识服务器3个实体构成。账户服务器类似于银行，负责共享币的发行，并记录节点的余额;交易服务器用来处理申请数据共享请求，并为数据需求节点匹配相应的数据提供节点，而数据提供节点根据需求可能是一个或者多个;共识服务器由多个共识节点组成，负责区块的打包、验证和记录，维护区块链账本的一致性。云服务器存储着数据的云端，存储数据提供节点的加密数据datak。数据提供节点对明文数据使用对称密钥Dk进行加密得到datak。当数据需求节点请求访问此数据时，云服务器首先验证授权令牌，待验证通过后再将对应的加密数据发送至数据需求节点。数据提供节点、数据需求节点、区块链服务器和云服务器相辅相成，形成数据共享框架和数据共享流程。

3 区块链与5G、物联网融合效果

3.1 直接互联传输数据，降低运维成本

物联网具备分布式特征。物联网中的海量物联网设备按照各自交互作用中的角色产生数以亿计的交易，与区块链分布式特征的P2P网络高度契合。通过区块链分布式计算处理物联网中的海量交易，能够显著降低与建立和维护庞大的中心化数据库相关的成本。同时，为了降低计算和储存成本，可以利用分布在不同位置的闲置设备的计算力、存储容量和宽带进行交易处理。

区块链与物联网技术融合，将物联网设备放入区块链节点中进行管理，分布式存储和处理设备信息、状态信息和采集数据，提高物联网设备鉴权、状态管理、采集数据存储处理、多设备协同的效率，也能够有效解决物联网多方主体间的可信数据交换，实现对分布式物联网的去中心化控制。另外，通过物联网技术能够解决物理资产与区块链数据映射的可信性问题，保证原生数据是真实的。

区块链技术的点对点组网模式、分布式存储等技术特点，弥补了物联网在实际应用中的缺陷，不仅降低了物联网运营成本，也使得物联网大规模部署、稳定运行成为可能。

3.2 保证数据安全

区块链的分布式网络结构特点，使得物联网的数据存储在受到破坏时能保证一个或多个节点即使遭到攻破其他节点也不会受到影响。

3.3 保证隐私安全

基于区块链技术的特点，利用隐私数据区块化、去中心化存储以及信息分级的智能合约保护等方式，可实现对物联网数据的隐私保护。

第一，将物联网信息进行数据区块化，每个数据区块只包含完整信息的一部分，且采用哈希函数进行非对称加密，这样即使受到攻击，一个区块也很难获取完整数据。

第二，区块链分布式存储、共识机制等特点可保证各节点之间在安全可靠一致性的前提下，点对点地采集、验证、存储数据，避免中心化数据存储的高风险问题，从而减少隐私泄露风险。

第三，智能合约将依据数据和事件输入执行合约代码，并根据约定将隐私信息按照不同等级采取不同的保护措施[5]。

3.4 建立物联网的互信机制

区块链去中心化特性有助于构建多方互信。它的分布式结构、数据不可篡改可全程追溯等特性也将大大降低各方的信任成本。可信数据的自由流通使得价值物联网成为可能。

传统的物联网设备认证方式是设备与服务器之间的一对一认证。区块链基于点对点的分布式网络，采用非对称加密、时间戳以及共识机制等技术，去除中心化认证机制，针对物联网设备，基于共识机制进行设备接入的认证与管理，保证设备接入的合法性，从而建立设备之间的不依赖可信第三方的安全互联。

3.5 5G为区块链和物联网提供通信保障

区块链是点对点的分布式网络系统。随着区块链节点体量和账本数据量的逐步扩大，节点间的通信需要高性能、高可靠的通信网络为支撑，否则可能造成区块链的性能瓶颈。高速率、低延时以及广连接等5G特征为区块链应用空间和系统性能的提升提供了有效支撑。5G与区块链融合，使得区块链数据在5G网络环境下可以达到高速同步，减少了差异数据的产生，大大提高了数据一致性，提高了共识算法的效率。同时，它还大大提升了区块链网络的可靠性，减少了因为网络延迟带来的差错和分叉，也提高了区块链的性能。

快速发展的物联网技术将会产生更多的终端传感设备，使得接入网络的物联网设备越来越多，且设备采集的数据大幅度增多且更加复杂。另外，物联网对网络时延的要求更高，要求数据快速进行传输和处理，且要求信息实时、准确传输。物联网这些发展需求都能由5G网络的高传输容量、传输速率和高可靠性满足，因此5G与物联网的融合应用必将在很大程度上促进物联网的发展。

4 结语

在区块链发展如日中天、5G逐渐步入大众视野以及物联网发展遇到瓶颈的情况下，将区块链、5G及物联网相融合应用于实际，成为一个非常具有研究意义的话题。区块链为物联网环境提供了一个分布式去中心化的平台，运用密码学、共识机制以及块链结构等多种技术解决了物联网存在的数据安全和隐私保护等问题。5G为物联网、区块链提供了通信保障，促进了物联网和区块链的融合。虽然很多现存的问题得到了解决，但是仍面临很多挑战，需要进一步探索研究其关键技术，使区块链与5G、物联网的融合应用得到更好的发展。

参考文献：

[1]陈海明，崔莉.面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测[J].计算机学报，2016（5）：853-871.

[2]沈苏彬，林闯.专题前言：物联网研究的机遇与挑战[J].软件学报，2014（8）：1621-1624.

[3]魏欣，王心妍，于卓，等.基于联盟链的物联网跨域认证[J].软件学报，2021（8）：2613-2628.

[4]冯登国，徐静，兰晓.5G移动通信网络安全研究[J].软件学报，2018（6）：1813-1825.

[5]郭上铜，王瑞锦，张凤荔.区块链技术原理与应用综述[J].计算机科学，2021（2）：271-281.

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