IoT發(fā)展

據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到26 billions, M2M的連接將會(huì)增長(zhǎng)到3.3 billions, 涉及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，大多數(shù)IoT的解決方案依賴于中性化的C-S結(jié)構(gòu)，接入云端。過(guò)去數(shù)年，IoT從封閉的中心化大型機(jī)架構(gòu)演進(jìn)到開(kāi)放式的云中心化結(jié)構(gòu)，而下一步趨勢(shì)，是將云功能分布到多重節(jié)點(diǎn)中。下圖展示了IoT架構(gòu)的進(jìn)化方向。

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Blockchain對(duì)于IoT的意義

Blockchain技術(shù)最初是用于在沒(méi)有可信第三方的參與下，防止double-spend的金融問(wèn)題。經(jīng)過(guò)發(fā)展，現(xiàn)在的區(qū)塊鏈技術(shù)具有圖靈完備性，可運(yùn)行智能合約，與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)某些方面天然地契合，例如在多實(shí)體的IoT系統(tǒng)中，可以使用加密貨幣回避設(shè)備實(shí)體之間互相信任的必要。基于區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在大規(guī)模IoT系統(tǒng)中解決以下挑戰(zhàn)：

成本。很多解決方案由于需要部署和維護(hù)中心云、服務(wù)器機(jī)房，因此花費(fèi)昂貴，供應(yīng)商不提供服務(wù)器，則成本轉(zhuǎn)嫁到中間商。

升級(jí)維護(hù)問(wèn)題。對(duì)成百上千萬(wàn)的智能設(shè)備升級(jí)軟件將是一個(gè)挑戰(zhàn)。

安全問(wèn)題。斯諾登事件之后，IoT集成商難以信任其他的科技合伙公司，用戶數(shù)據(jù)可能被用于收集和分析。因此在未來(lái)，隱私和安全將是物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心考慮。

閉源的代碼造成信任缺失。透明性有助于增加可信度和安全性。因?yàn)榇a受大眾的審視，很容易最早發(fā)現(xiàn)漏洞并修補(bǔ)。

區(qū)塊鏈技術(shù)的分類

按照Public (permissionless) / Private (permissioned), Tocken-Based / ?Tocken-Agnostic, 可以將區(qū)塊鏈分為4個(gè)象限。除了第三象限(公開(kāi)、無(wú)代幣)的類型，每一類又可以分為基于邏輯(智能合約)和基于交易Transaction的區(qū)塊鏈。最有名的Bitcoin和Ethereum位于第二象限，而Fabric位于第四象限。

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是否在IoT中使用BC的評(píng)估：

區(qū)塊鏈技術(shù)并不是普適的，也并不是每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必需的。很多情況下，使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，或者有向無(wú)環(huán)圖賬本(DAG)就可以滿足需求(IOTA，https://www.iota.org/)。僅當(dāng)一個(gè)IoT應(yīng)用同時(shí)具有以下屬性時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)才適用：

Decentralized. 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要去中心化，沒(méi)有可信的中心化系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中的用戶仍舊愿意將信任寄托于某個(gè)公司，銀行，或者政府機(jī)構(gòu)時(shí)，區(qū)塊鏈就不是必需的。

P2P exchanges. IoT設(shè)備之間存在對(duì)等的通信，而不是使用服務(wù)器-客戶端模型進(jìn)行通信。否則BC也不適用。

Payment system. 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在金融交易。并且如果實(shí)體信任銀行或者中間人，金融交易依舊可以使用傳統(tǒng)的第三方支付完成。

Public sequential transaction logging. 很多IoT網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，打上時(shí)間戳之后要求序列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如果具有安全保證，或者鮮有攻擊，依舊可以使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

Robust distributed system. 分布式系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)作為采用區(qū)塊鏈技術(shù)的一個(gè)充分理由，因?yàn)榉植际较到y(tǒng)同樣可以在云計(jì)算之上構(gòu)建，除非這個(gè)分布式系統(tǒng)的管理實(shí)體缺乏可信性。

Micro–transaction collection. 某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，出于審計(jì)需要或者日后的大數(shù)據(jù)分析，需要將每條交易信息都記錄下來(lái)，這時(shí)候可以使用側(cè)鏈。當(dāng)某些情況下，通信代價(jià)較高時(shí)，可以將一段時(shí)間內(nèi)的交易存儲(chǔ)在本地，再一次性上傳。

以下流程圖描述了是否使用區(qū)塊鏈技術(shù)的評(píng)估過(guò)程。

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物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用舉例

溯源。利用RFID標(biāo)簽做有機(jī)食品的追蹤，生物制藥過(guò)程的監(jiān)控。

支付。機(jī)器間資源使用的小額支付（以電纜傳輸數(shù)據(jù)為例）。

IoT安全。Trust Computer Base可信性的遠(yuǎn)程驗(yàn)證。

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架構(gòu)形式

云計(jì)算、fog、edge.

IBM ADEPT 是一個(gè)強(qiáng)調(diào)機(jī)器自動(dòng)驗(yàn)證、自我維護(hù)的平臺(tái)。【S. Panikkar, S. Nair, P. Brody, and V. Pureswaran, ‘‘ADEPT: An IoT practitioner perspective,’’ IBM Inst. Bus. Value, New York, NY, USA, White Paper, 2015, pp. 1–18.】

該論文中描述了Fog computing和Cloud與Blockchain相結(jié)合的架構(gòu)，并在Intel Edison 單板電腦上用golang進(jìn)行了驗(yàn)證。【M. Samaniego and R. Deters, ‘‘Blockchain as a service for IoT,’’ in Proc. IEEE Int. Conf. Internet Things (iThings), IEEE Green Comput. Commun. (GreenCom), IEEE Cyber, Phys. Social Comput. (CPSCom), IEEE Smart Data (SmartData), Chengdu, China, Dec. 2016, pp. 433–436.】

利用K8S/docker構(gòu)建的邊緣計(jì)算架構(gòu)。由兩層組成，基于Hyperledger Fabric. 【A. Stanciu, ‘‘Blockchain based distributed control system for edge computing,’’ in Proc. 21st Int. Conf. Control Syst. Comput. Sci., Bucharest, Romania, May 2017, pp. 667–671.】

SDN + Fog + Blockchain. 該文章中提出了利用SDN控制霧節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。云用于處理計(jì)算密集的任務(wù)，而fog node與Blockchain協(xié)作，處理延時(shí)敏感的任務(wù)，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)攻擊。P. K. Sharma, M.-Y. Chen, and J.-H. Park, ‘‘A software defined fog node based distributed blockchain cloud architecture for IoT,’’ IEEE Access, vol. 6, pp. 115–124, Sep. 2017.

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共識(shí)機(jī)制

比特幣采用的是PoW共識(shí)機(jī)制，粗暴地通過(guò)算力證明解決了女巫攻擊(Sybil attacks).

其他的一些共識(shí)算法包括：

PoS (Proof-of-Stake). 基本想象是認(rèn)為參與度最高的實(shí)體具有更小的攻擊可能。而“參與度”的一種評(píng)價(jià)方法就是持有貨幣的數(shù)量。該算法可以降低為了達(dá)成共識(shí)而白白消耗的計(jì)算力，但缺陷在于，最富有的節(jié)點(diǎn)似乎可以掌控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)簡(jiǎn)單PoS有一些改進(jìn)，例如把持有貨幣的年齡考慮到參與度的衡量中。

DPoS(Delegated Proof of Stake). 是對(duì)PoS的改進(jìn)，選舉出部分節(jié)點(diǎn)最為授權(quán)節(jié)點(diǎn)，參與區(qū)塊的生成和驗(yàn)證。這使得同時(shí)參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量更少，提高了性能。

TaPos (Transactions as? Proof-of-Stake). 也是一種PoS的變種，所有發(fā)生了交易的節(jié)點(diǎn)會(huì)參與到區(qū)塊的生成過(guò)程。【D. Larimer. Transactions as Proof-of-Stake. Accessed ，https://bravenewcoin.com/assets/Uploads/ TransactionsAsProofOfStake10.pdf】

PoA (Proof-of-Activity ). PoS只考慮持有貨幣的年齡，即使節(jié)點(diǎn)離線，年齡依舊會(huì)增長(zhǎng)。在PoA中，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)Activity和貨幣持有Ownership.

PBFT. 在異步環(huán)境中解決拜占庭將軍問(wèn)題(通信可信，節(jié)點(diǎn)不可信). 前提是小于1/3的敵對(duì)節(jié)點(diǎn)。

Ripple consensus algorithm. 共識(shí)判定時(shí)在幾個(gè)可信的節(jié)點(diǎn)中使用同步的通信方式，因而可以減少延遲。【D. Schwartz, N. Youngs, and A. Britto, ``The ripple protocol consensus?????? algorithm,'' Ripple Labs, San Francisco, CA, USA, White Paper, 2014】

SCP(Stellar Consensus Protocol). 類似于PBFT的思想，但使用了聯(lián)邦拜占庭協(xié)議(Federated Byzantine Agreement)，不用等待所有將軍的同意。【D. Mazieres. The Stellar Consensus Protocol: A Federated Model forInternet-Level Consensus. Accessed: Apr. 10, 2018. [Online]. Available:https://www.stellar.org/papers/stellar-consensus-protocol.pdf】

Sieve. IBM提出, Hyperledger-Fabric中 采用的共識(shí)機(jī)制。

PoB (Proof-of-Burn). 礦工需要燃燒一些加密貨幣以表挖礦的決心，背后的思想是，用燃燒貨幣代替POW中的燃燒計(jì)算力，因?yàn)樨泿藕退懔σ粯佣夹枰鷥r(jià)。

PoP (Proof-of-Personhood). 使用環(huán)簽名和集體簽名(ring signatures and collective signing)，綁定虛擬身份和物理身份。【M. Borge, E. Kokoris-Kogias, P. Jovanovic, L. Gasser, N. Gailly, andB. Ford, ``Proof-of-personhood: Redemocratizing permissionless cryptocurrencies,'' 】

Ref:

[T. M. Fernández-Caramés and P. Fraga-Lamas, “A Review on the Use of Blockchain for the Internet of Things,” IEEE Access, vol. 6, pp. 32979–33001, 2018.]

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的区块链技术在IoT领域的应用综述的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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