基于区块链构建去中心化、自治、安全的物联网

       万物互联是未来的发展趋势，近年来物联网规模已经得到了快速提升。根据IDC的分析报告显示，到2020年，全球物联网的市场规模将增长至1.7万亿美元，而物联网设备的数量将达到281亿台。

　　物联网中的智能设备呈现指数级增长态势，无论是最微小的传感器，还是巨大的机械设备，都将连接到这个庞大的生态体系中，随之也带来了一系列问题。首先是成本问题，传统物联网需要部署中心化的云平台，需付出高昂的建设和维护成本；其次是扩展性问题，海量设备的接入带来了网络的扩容压力，而中心化的平台存在性能瓶颈；同时，大规模物联网终端接入将带来巨大的信息安全风险，例如物理攻击、终端假冒、耗尽攻击、节点控制等。此外，在后斯诺登时代，中心化的、需要第三方机构进行信用背书的服务模式显然已经不再得到用户的信任。而安全、隐私和信任是物联网发展的前提。

　　近年来区块链的快速成熟，为如上问题的解决提供了方案：区块链可在数量呈指数级增长的智能设备之间建立低成本的直接沟通渠道，点到点的通信带来了高效率；同时，通过在全网节点之间实现的共识机制，提高系统的安全性和可信性；通过区块链的匿名性特点，保护用户的隐私；此外，引入智能合约，基于区块链的物联网设备能够自发地与其他设备或外界世界进行数据交换，实现智能化的物联网。

区块链技术简介

　　区块链（Block chain）起源于比特币，是比特币的底层技术。虽然由于投机炒作及政府监管等因素，比特币至今尚未成为一种主流货币，但其背后的数据结构——区块链却得到了快速的发展。

　　区块链是所有比特币节点共享的交易数据库（或总账本），账本中记录了所有的历史交易信息。区块是交易系统中每一个时间段所有交易记录的集合。所有的区块以链表的方式连接起来，且每个区块都会保存其上一个区块的Hash值（这样区块之间的顺序一旦确定就无法更改）。当一个新的区块加入时，也加入了上一个区块的Hash值，让所有参与者都可以验证此区块中所有条目的出处。新的区块按照时间顺序线性地被补充到原有的区块末端，就构成了区块链。区块链全网唯一，每个节点都有相同的备份。区块链的数据结构如图1所示。

　　区块链不仅可以记录货币交易信息，还可用于标识金融、物理或电子资产：例如一颗钻石、一台机器或者集装箱内的货物等。

　　因此，区块链是一种新型去中心化协议，它通过分布式账本（分布式数据库）这个载体，安全地存储交易数据或其他资产信息；区块链基于“去中心化”的架构，任意节点间的权利和义务是均等的；系统中的数据块由所有节点共同维护，每个节点分享权利和义务；通过分布在全球的节点进行验证，确保信息不可伪造和篡改；从技术上保证交易的进行，无需第三方结构提供信任机制。交易既可以是比特币这样的数字货币，也可以是股权、知识产权这样的数字资产。区块链技术极大降低了经济运行的信任和审计成本。

　　区块链提出了一系列创新的思维方式与应用模式：如集体维护、共识机制、智能合约等；区块链解决了在信息不对称、不确定的环境下，如何建立满足经济活动赖以发生、发展的“信任”生态体系；因此，区块链被认为很有可能成为未来价值互联网的基础协议。

区块链在物联网中的应用

构建去中心化、自治的物联网

　　为实现可扩展性、高可靠性和高效率，物联网需要进行重构，以适应千亿规模设备的应用需求。区块链提供了P2P的交易模式，可在网络节点间创建一种相互共享的分布式数据库，来记录信息，而不是把这些信息存储于一个中心服务器。同时，交易信息被这个网络中的所有节点验证和确认，所以这就消除了中心验证的必要性。图2展示了一种去中心化的物联网架构。

　　区块链可以解决物联网的规模化问题，不需要传统的昂贵资源就可以让数百亿计的设备共享于一个相同网络。例如，IBM与三星公司联合打造了ADEPT（Autonomous Decentralized Peer-to-Peer Telemetry）系统，利用区块链技术来打造去中心化的物联网。在此系统中，每个设备利用区块链相互连接与交互，管理自己的行为，发挥自身的作用，这样就形成一个“去中心化的、自治的物联网”，从而实现数字世界的民主。

实现安全、可信的物联网

　　区块链是防干扰和不可被恶意者修改的，因为它不单独存在于本地独立设备，它也不可能被中间人攻击，因为交易不是可被拦截的单独一个线程，从而确保了物联网的安全性。

　　区块链让去信任化成为现实，因为交易被网络中的所有节点所确认，从而形成共识。业界预计，在不远的未来，这种无需信任的点对点通信协议，将进化成比TCP/IP协议更适合于物联网的传输协议。另外，安全的分布式文件分享协议具有取代基于云的文件存储和传输的潜力，实现安全的软件、固件升级和在设备间进行直接的文件分享。

　　澳洲电信公司Telstra尝试结合区块链和生物识别技术，保护智能家居中心物联网设备的安全。通过区块链的防篡改功能，并使用生物识别技术确定某个时间某个地点谁在登录设备，从而大大提升了物联网整体的安全性。

打造智能化的物联网

　　引入智能合约是区块链的一大创新。智能合约以程序代码的形式附着在区块链数据上，它封装了预定义的若干状态及转换规则、触发合约执行的情景（如到达特定时间或发生特定事件）、特定情景下的应对行动等；区块链实时监控智能合约的状态，并通过核查外部数据源、确认满足特定触发条件后激活并执行合约。

　　基于区块链的物联网，每一个设备都可以充当独立的商业主体，以很低的交易成本与其他设备分享能力和资源，从而产生了新的商业模式。同时，智能合约的自动化和可编程特性使其可封装区块链系统中各节点的复杂行为，成为虚拟世界中的软件代理机器人，有助于促进人工智能在物联网中的应用。

　　Filament公司实现了基于区块链的智能电网应用：在电线杆上安装TAPS，TAPS在10英里之内可点到点通信；供电故障时，会按顺序通知10英里内的其他电线杆，并通过最近的回程网络上报公司总部；通过智能合约，电网会自动寻找新的线路，防止大面积停电。

　　综上所述，区块链不是简单地建立一个去中心化的物联网，而是要建立一个规模可以不断扩展、保护隐私、安全和无需信任交易的通用物联网。

　　当然，目前区块链技术还处于发展的萌芽期，要达到规模商用的目标，尚需克服重重挑战：首先，加密和验证区块链交易是一种计算力集约操作，会消耗大量的电力资源；其次，随着区块链的增长，节点的存储空间需求也越来越大；此外，一个区块的生成需要系统内多个节点参与记录并验证通过，大大延缓了交易达成的时间；最后，无索引机制导致大规模数据检索困难。因此，区块链的技术实现和应用方案还需进一步研究与实践。