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物联网区块链研究综述 Blockchain for Internet of Things A Survey

时间：2020-06-15 16:03:21

Blockchain for Internet of Things: A Survey

Dai H N, Zheng Z, Zhang Y. Blockchain for Internet of Things: A survey[J]. IEEE Internet of Things Journal, , 6(5): 8076-8094.

BCOT优点

跨物联网设备，物联网系统和工业部门的互操作性物联网数据的可追溯性物联网数据的可靠性是物联网数据值得信赖的质量（密码学）物联网系统的自主交互是指物联网系统相互交互而无需受信任的第三方干预的能力（智能合约）

物联网

物联网特点

物联网系统的去中心化物联网设备和系统的多样性物联网数据的异构性网络复杂度

架构

1）感知层：物联网设备种类繁多，包括传感器，执行器，控制器，条形码/快速响应代码（QR code）标签，RFID标签，智能仪表以及其他无线/有线设备。这些设备可以感知并从物理环境收集数据。同时，它们中的一些（例如执行器和控制器）可以对环境采取措施。

2）通信层：各种无线/有线设备，例如传感器，RFID，致动器，控制器和其他标签，然后可以与IoT网关，WiFi接入点（AP），小型基站（BS）和宏BS连接以形成工业网络。网络连接可以通过多种通信协议来实现，例如蓝牙，近场通信（NFC），低功耗无线个人局域网（6LoWPAN），无线高速公路可寻址远程传感器（WirelessHART）[10]，低功耗广域网（LPWAN）技术，包括Sigfox，LoRa，窄带物联网（NB-IoT）和工业以太网[11]。

3）工业应用：物联网可广泛用于支持许多工业应用。典型的工业应用包括制造业，供应链，食品工业，智能电网，医疗保健和车联网（Internet of Vehicles，IoV）。

挑战

1）物联网系统的异构性。表现在异构物联网设备，异构通信协议和异构物联网数据类型（即结构化，半结构化和非结构化）中。异构性也是其他挑战的根源，例如互操作性，隐私和安全性（如下所述）。

2）网络的复杂性。物联网中共存有许多通信/网络协议。典型的网络协议包括NFC，蓝牙，6LoWPAN，WirelessHART，Sigfox，LoRa和NB-IoT，它们均提供不同的网络服务。例如，6LoWPAN和WirelessHART通常具有较短的通信覆盖范围（例如，小于100 m），而LPWAN技术可以提供1到10 km的覆盖范围。

3）互操作性差是指物联网系统（硬件和软件）交换，利用信息和相互协作的能力。由于物联网系统的分散化和物联网系统的异构性，在不同的工业部门，战略中心和物联网系统之间交换数据具有挑战性。结果，难以实现物联网的互操作性。

4）物联网设备的资源约束：物联网设备（例如传感器，执行器，RFID标签和智能仪表）受到有限的资源（包括计算资源，存储资源和电池电量）的影响。例如，无源RFID标签没有电池电源，只能从RFID阅读器或周围环境中收集能量。此外，资源约束还导致物联网设备容易受到恶意攻击。

5）隐私漏洞：隐私是为了保证IoT数据的正确使用，而未经用户同意不会泄露用户私人信息。由于物联网系统的复杂性和分散性，物联网系统的异构性，在物联网中保护数据隐私具有挑战性。此外，将物联网与云计算集成成为趋势，因为云计算可以为物联网提供额外的计算和存储功能。但是，将机密IoT数据上传到第三方云服务器也可能会损害IoT的脆弱隐私。

6）安全漏洞：物联网系统的分散性和异质性也导致难以确保物联网的安全性，而安全性对于企业而言则极为重要。由于难以在资源受限的IoT系统中实施安全对策，因此典型的解决方案（如身份验证，授权和通信加密）可能不适用于IoT。此外，由于安全固件及时更新失败，物联网系统也容易受到恶意攻击

区块链

略

区块链和物联网的融合

我们将区块链与物联网的这种集成称为BCoT。与现有的物联网系统相比，BCoT具有以下潜在优势。

1）增强物联网系统的互操作性。区块链可以通过将IoT数据转换并存储到区块链中来实质上改善IoT系统的互操作性。在此过程中，异构类型的物联网数据将被转换，处理，提取，压缩并最终存储在区块链中。此外，由于区块链建立在支持通用Internet访问的P2P覆盖网络之上，因此，互操作性还可以轻松通过不同类型的碎片网络。

2）改善物联网系统的安全性。一方面，物联网数据可以通过区块链来保护，因为它们被存储为区块链交易，并通过加密密钥进行数字签名和签名（例如，椭圆曲线数字签名算法（ECDSA））。此外，物联网系统与区块链技术（如智能合约）的集成可通过自动更新物联网设备固件来补救易受攻击的漏洞，从而帮助提高物联网系统的安全性，从而提高系统安全性。

3）物联网数据的可追溯性和可靠性。可以随时随地识别和验证区块链数据。同时，存储在区块链中的所有历史交易都是可追溯的。例如，一个基于区块链的产品可追溯系统，该系统为供应商和零售商提供可追溯的服务。这样，可以检查和验证产品的质量和独创性。此外，区块链的不变性也确保了物联网数据的可靠性，因为几乎不可能更改或篡改存储在区块链中的任何交易。

4）物联网系统的自主交互。区块链技术可以使IoT设备或子系统自动相互交互。例如，[43]的工作提出了分布式自主公司（DAC）来使交易自动化，在这种情况下，不存在像政府或公司这样的传统角色来进行支付。通过智能合约实施，DAC可以自动工作而无需人工干预，从而节省了成本。

架构

1）DataSublayer：从较低层（例如，感知层）收集IoT数据，并通过非对称密码算法和哈希函数包装带有数字签名的加密数据。在分布式验证之后，这些连续连接的数据块便形成了区块链。不同的区块链平台可能会选择不同的密码算法和哈希函数。例如，BTC区块链选择SHA-256作为哈希函数，选择ECDSA作为签名算法。

2）网络子层：本质上是运行在通信层顶部的覆盖式P2P网络。覆盖网络由连接底层通信网络（即，有线/无线通信网络）中的节点的虚拟或物理链路组成。一个节点仅将事务块广播到其连接的对等方。一旦收到交易块，其他对等方将在本地对其进行验证。如果有效，则该块将通过覆盖网络进一步传播到其他节点。

3）共识子层：它主要涉及分布式共识以实现块的可信赖性。可以通过PoW，PoS，PBFT和DPOS等各种共识算法来达成共识（如第III-A2节所述）。值得一提的是，块传播机制（例如中继网络传播和基于广告的传播[20]）是分布式共识协议的前提。

4）激励子层：它负责以下任务：a）数字货币发行； b）数字货币分配； c）设计奖励机制（特别是针对矿工）； d）处理交易成本。尤其重要的是，设计适当的数字货币货币政策（即货币创造和分配），将奖励分配给对分布式共识做出贡献的参与者（即采矿）。

5）服务子层：它为用户提供基于区块链的服务，用于各个行业，包括制造，物流，供应链，食品工业和公用事业。可以通过智能合约来实现区块链即服务（BaaS），当发生特殊事件时可以自动触发。例如，当消费者很好地接受产品时，自动执行支付合同。