马首群 范洪博 刘应

摘 要：随着信息化技术与物联网技术在航运物流上的发展与广泛应用，传统物联网构架在航运业的应用逐渐暴露出安全措施不完善的情况。区块链作为一项具有分布式去中心化、安全防篡改的技术，为物联网在航运业的发展提供了新的思路。本文阐述了物联网在航运业的应用现状，提出一种区块链与物联网结合的架构，并针对物联网的动态数据与静态数据提出区块链的存储优化方案。

关键词：区块链;物联网;航运

中图分类号：TP393         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）05-0063-02

目前航运信息化已经取得长足的进步与发展，航运信息化建设已在航运要素感知、信息传输、数据处理和行业应用等方面取得了一定的建设成果[1]。同时船舶与集装箱都开始基于物联网的智能化改进，通过在船舶与货物集装箱上安装各种物联网设备，实现货物与船舶的统一智能化管理与安全监控。但是随着物联网设备的增多，大量的物联网数据依赖于中心化服务器并且缺乏内在的安全措施。区块链技术作为一种分布式账本技术，依靠智能合约等逻辑控制功能演变为完整的存储系统[1]，其自带的不可篡改、透明性、可审计性与数据加密等功能能够帮助航运物联网构架的大部分缺陷。

1物联网在航运业的应用现状

物联网（IoT， Internet of things）是指通过电子设备与其他电子设备通过网络进行联通并交换数据的网络，进行数据通信时不需要人的干预与操作。物联网的结构层次分为应用层、网络层和感知层3级[2]。其中感知层主要用于数据采集，包括各种射频技术、定位传感器、智能传感器等组成，通过各种电子设备感知外界的信息并转化为电子数据。网络层的作用为通过无线网络或者有线网络建立起感知层与应用层的网络通信连接。而应用层时对通过网络层获取到的传感器数据进行分析与应用。

目前，我国航运在物联网建设上处于国际领先水平，在感知层上，许多航运物流的集装箱上已经加装RFID、GPS、温湿度传感器等用来采集集装箱的轨迹数据、运输状态数据[3]。通过网络层实现数据的实时传输。在应用层上，通过物联网技术做到了货物与船只的实时监控、无纸化电子作业等应用。

但是现有物联网技术应用在航运业仍面临许多挑战。大量的物联网设备作为一种分布式架构，每个物联网节点都有可能是一个故障点，黑客往往能利用多个故障点对整个物联网网络发起分布式拒绝服务攻击，物联网节点下面如果有一个或者多个传感器被黑客发起攻击可能会迅速崩溃进而导致整个网络的崩溃。

现有的航运物联网系统大多由一个运营商维护，集中化的数据存储，数据的安全性与身份权限管理难以得到保证。一旦出现法律纠纷，很难保证已经上传到中心服务器的物联网数据是否真实没有被篡改，无法防止中心服务器运营商造假。

如可防注入攻击对于航运物联网建设非常重要，物联网数据如何与参与航运经营的实体之间建立可信关系，保证多方信任物联网数据已经成为制约物联网技术在航运业发展的一大难题。

2基于区块链的物联网架构

2.1区块链技术

区块链是一种基于共识协议的数据账本系统。由多个区块组成链式结构的账本[4]。区块链通过技术手段解决了中心化模型带来安全问题，它基于密码学算法保证数据与价值的安全转移，基于哈希链及时间戳机制保证数据的可追溯和不可篡改的特性，基于共识算法保证节点间区块数据的一致性[5]。

2.2架构模型

本文通过分析传统物联网架构的优缺点结合区块链的特性，提出一种基于区块链的航运物联网架构，如图1所示。该架构分为五层自下而上为感知层、网络层、区块链层、存储层、应用层。其中感知层与原有结构相同，通过各类射频装置、传感器设备、定位系统等组成感知层获采集数据。网络层用于感知层与区块链层的网络通信。区块链层通过智能合约自动完成与感知层的数据交互并将数据存储在存储层上。在应用层上，通过基于区块链的航运物联网架构，能够做到数据的可信验证、可信智能轨迹监控，不同服务商之间的可信数据交换等应用功能。

2.3基于区块链的物联网安全存储模式

航运物联网的数据种类分为静态数据和动态数据。

静态数据主要为物联网设备的标签、地址等数据，如航运集装箱上的RFID唯一标识，船舶唯一识别码等固定信息。静态数据会全部保存在区块链节点上。所有加入区块链节点的组织或者机构都将存储一份静态數据的副本，想要篡改数据必须要修改所有保存数据的记录，这极大增加了数据作恶的难度。

动态数据主要为航运物联网上的各类包含时间序列的实时数据，如航运过程当中船舶的轨迹路线，集装箱上的温湿度传感器数据，集装箱、港口、船舶之间的交接信息等。相对静态数据而言，航运物联网上的动态数据的数据量巨大，且随时间的推移数据量不断增多，这些数据如果每个区块链节点都保存会极大的增大区块链的存储开销。因此，动态数据需要存储在外部服务器上作为链下数据。

链下数据存储：物联网节点向区块链发起动态数据存储合约之后。智能合约将数据标题、数据内容、时间戳以及签名信息合并，通过SHA-256安全散列算法生成数据摘要，提交至区块链节点当中，当区块链共识保存通过之后将数据保存至链下云数据库当中。

链下数据查询与验证：上层相关应用查询数据时先向数据库查询数据，计算数据的SHA-256散列值，然后调用动态数据验证智能合约比对存储在区块链当中对应数据的散列值，若验证成功则说明数据没有被造假。

相对于直接存储，SHA-256散列算法每条数据仅仅保存32字节的数据，这极大减轻了物联网数据在区块链系统上的存储压力。

3 结语

区块链自身具有的去中心化、不可篡改、独立性的特点，是解决当前航运物联网应用缺乏安全与可靠性的理想解决方案。本文针对区块链在航运物联网系统上的应用提出了架构模型，进一步提高整体系统的安全性与数据的可信程度。同时针对静态数据和动态数据提出了存储方案，保证区块链在航运物联网上的实用性。

参考文献：

[1]曾诗钦，霍如，黄韬， 等.区块链技术研究综述：原理、进展与应用[J].通信学报，2020，41（1）：134-151.

[2]蔡荣文. 基于物联网技术的船舶航运货物仓储智能化管理系统设计[J]. 舰船科学技术， 2017（18）：166-168.

[3]张宇. 柏堃. 船联网RFID数据处理研究[D]. 大连海事大学， 2013

[4]查选，王旭，倪巍， 等.区块链技术的一致性和容量的研究与发展及在物联网中的应用[J].物联网学报，2017，1（1）：21-33.

[5]何正源，段田田，张颖， 等.物联网中区块链技术的应用与挑战[J].应用科学学报，2020，38（1）：22-33.