• 区块链在物联网中的应用 2018-03-11 16:54:39
    今天的演讲主要包括三个部分:第一部分是物联网的行业痛点和区块链带来的优势,第二部分是区块链+物联网的产业现状和应用场景,第三部分是区块链+物联网的挑战和可新标准的需求。物联网在长期发展演进过程中,遇到了...

    今天的演讲主要包括三个部分:

    第一部分是物联网的行业痛点和区块链带来的优势,

    第二部分是区块链+物联网的产业现状和应用场景,

    第三部分是区块链+物联网的挑战和可新标准的需求。


    物联网在长期发展演进过程中,遇到了以下5个行业痛点:设备安全、个人隐私、架构僵化、通信兼容和多主体协同5大痛点。

    在设备安全方面,Mirai创造的僵尸物联网(Botnets of Things)被麻省理工科技评论评为2017年的十大突破性技术,据统计,Mirai僵尸网络已累计感染超过200万台摄像机等IoT设备,由其发起的DDoS攻击,让美国域名解析服务提供商Dyn瘫痪,Twitter、Paypal等多个人气网站当时无法访问。后续,又有奴役物联网设备、让其比特币挖矿的僵尸网络,还有规模更大、更为活跃的http81僵尸网络等。

    在个人隐私方面,主要是中心化的管理架构无法自证清白,个人隐私数据被泄露的相关时间时有发生。就最近而言,人民网报道的,成都266个摄像头被网络直播就是一个案例。

    在架构僵化方面,目前的物联网数据流都汇总到单一的中心控制系统,随着低功耗广域技术(LPWA)的持续演进,可以预见的是,未来物联网设备将呈几何级数增长,中心化服务成本难以负担。据IBM预测,2020年万物互联的设备将超过250亿个。

    在通信兼容方面,全球物联网平台缺少统一的语言,这很容易造成多个物联网设备彼此之间通信受到阻碍,并产生多个竞争性的标准和平台。


    在多主体协同方面,目前,很多物联网都是运营商、企业内部的自组织网络。涉及到跨多个运营商、多个对等主体之间的协作时,建立信用的成本很高。


    区块链凭借主体对等、公开透明、安全通信、难以篡改和多方共识等特性,对物联网将产生重要的影响:多中心、弱中心化的特质将降低中心化架构的高额运维成本,信息加密、安全通信的特质将有助于保护隐私,身份权限管理和多方共识有助于识别非法节点,及时阻止恶意节点的接入和作恶,依托链式的结构有助于构建可证可溯的电子证据存证,分布式架构和主体对等的特点有助于打破物联网现存的多个信息孤岛桎梏,促进信息的横向流动和多方协作。


    其次,我们介绍一下,区块链+物联网的产业现状和相关的应用场景。

    产业现状一:物联网龙头纷纷开始布局区块链。根据Forrester Wave:物联网软件平台(2016年第4季度)的报告显示, IBM、PTC、GE和微软已成为占据物联网平台市场的主导企业。SAP、AWS、Cisco、LogMeln、Exosite、Ayla Networks和Zebra Technologies名列前11名。对于排名靠前的物联网平台龙头企业,除了美国参数技术公司(PTC)没有实质披露区块链相关项目以外(该公司很多区块链相关的文章),IBM、微软、亚马逊和SAP都在各自的云平台上提供区块链服务(Blockchain-as-a-Service),为未来海量的物联网设备接入提供弹性资源池,做了超前布局。通用电气GE和思科更多地是关注设备的标识和存证问题。 


    探讨区块链+物联网的进展,要跟垂直的行业结合才有针对性,我们以能源物联网为例,传统公司和区块链初创公司正双向发力,不断促进区块链在行业里的广泛普及和加速融合。

    从传统电力公司的角度看,主要是通过与初创公司合作、成立子公司、甚至买下初创公司等方式,投资不同的试点项目,打造分布式能源系统和点对点的能源交易平台。这里包括瑞典国营电力公司VattenFall(瀑布电力)投资了荷兰阿姆斯特丹的初创公司(PowerPeers),构建让消费者自由选择电力渠道的能源共享平台,也有德国的莱茵公司(RWE)和初创公司Slock.it合作,推出的BlockCharge电动车充电项目。莱茵公司RWE成立子公司Innogy SE,推出了连接电动汽车车主、公共和私有充电站的一个区块链交易平台Share&Charge。

    从初创公司看,初创公司主要从分布式能源系统、新型交易模式、认证和交易市场等不同角度切入区块链领域,开始初步涉及相关的物联网硬件制造,例如Slock.it公司推出的Smart Plug充电器适配装置,不断丰富区块链+的产业生态。


    产业现状三是,垂直行业的生态格局已初步具有雏形。根据咨询公司Indigo的报告,还是以电力行业的区块链+物联网应用举例,从终端支付(加密数字货币)、能源交易市场、技术支撑+行业组织、智能家居点对点交易、打造智慧城市等方面已形成良好生态格局。对于我们国家而言,万向要在浙江打造基于区块链的、聚合能源、电动车、物联网、金融科技的聚能城,量子链也即将推出物联网的区块链项目等。


    产业现状四是,区块链+物联网的国际标准先行探索。2017年3月,中国联通联合众多公司和研究机构在ITU-T SG20成立了全球首个物联网区块链(BOT,Blockchain of Things)标准项目,定义了去中心化的可信物联网服务平台框架。我院在ITU-T的SG 16工作组也完成了区块链的相关立项。

    现在我们来介绍一下区块链+物联网的应用场景。由于区块链技术并未成熟定型,很多区块链和物联网结合的案例都是在PoC(概念验证)阶段,因此,今天的一些分享希望能给大家提供更多创新的灵感。


    在第一个应用场景中,传统的供应链运输需要经过多个主体,例如发货人、承运人、货代、船代、堆场、船公司、陆运(集卡)公司,还有做舱单抵押融资的银行等业务角色。这些主体之间的信息化系统很多是彼此独立,互不相通的。一方面,存在数据做伪造假的问题,另一方面,因为数据的不互通,出现状况的时候,应急处置没法及时响应。在这个应用场景中,在供应链上的各个主体部署区块链节点,通过实时(例如船舶靠岸时)和离线(例如船舶运行在远海)等方式,将传感器收集的数据写入区块链,成为无法篡改的电子证据,可以提升各方主体造假抵赖的成本,更进一步地厘清各方的责任边界,同时还能通过区块链链式的结构,追本溯源,及时了解物流的最新进展,根据实时搜集的数据,采取必要的反应措施(例如,冷链运输中,超过0℃的货舱会被立即检查故障的来源),增强多方协作的可能。


    第二个应用场景: 共享经济可以认为是平台经济的一种衍生。

    一方面是,平台具有依赖性和兴趣导向性,摩拜和OFO做单车共享,但并没有做摩托车的共享。另一方面,平台也会收取相应的手续费,例如滴滴打车司机要将打车费用的20%上交,作为平台提成。初创公司Slock.it和OpenBazaar等主要是希望构建一个普适的共享平台,依托去中介化的区块链技术,让供需双方点对点地进行交易,加速各类闲置商品的直接共享,并节省第三方的平台费用。

    在这个案例中,首先依托区块链网关,构建整个区块链网络。资产拥有者基于智能合约,通过设置租金、押金和相关规则,完成各类锁与资产的绑定。最终用户通过APP,支付给资产所有者相应的租金和押金,获得打开锁的控制权限(密钥),进而获取资产的使用权。在使用结束后,归还物品并拿回押金。这里有一个优势是,精准计费,可以按照智能合约上的计费标准,实时精准地付费,而不是像目前共享单车的粗犷式收费(按半小时、一小时收费)。虽然节省了平台手续费(20%),但是,也引发了很多思考,例如没上保险,出了事故如何解决;客户租车开了2­00公里,直接锁车结账走人了,谁将车开回来等,在实际应用中,应该会遇到很多问题。

    在应用场景三中,主要是传统输电的线路损耗率达到5%,住户建立的微电网中盈余能源无法存储,也不能共享给有能源需求的其他住户。纽约初创LO3 Energy和ConsenSys合作,由LO3 Energy负责能源相关的控制,ConsenSys提供区块链底层技术,在纽约布鲁克林区实现了一个点对点交易、自动化执行、无第三方中介的能源交易平台,实现了10个住户之间的能源交易和共享。主要实现方式是,在每家住户门口安装智能电表,智能电表安装区块链软件,构成一个区块链网络。用户通过手机APP在自家智能电表区块链节点上发布相应智能合约,基于合约规则,通过西门子提供的电网设备控制相应的链路连接,实现能源交易和能源供给。

    对于我国来说,也有一家点对点能源交易的初创企业,Energo。主要是通过将各家住户的可再生能源存储到分布式储能设备中,通过代币的形式评估能源的占有量和消耗量,基于智能合约设置能源交易规则和微电网切换主电网的策略,实现无中介的点对点能源交易平台。


    在第四个应用场景中,主要面临的是多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等行业痛点,由德国莱茵公司和Slock.it合作,推出的基于区块链的电动汽车点对点充电项目。通过在各个充电桩里安装树莓派等简易型Linux系统装置,基于区块链将多家充电桩的所属公司和拥有充电桩的个人进行串联,使用适配各家接口的Smart Plug对电动汽车进行充电。使用流程为:(以Innogy的软件举例)首先,在智能手机上安装Share&Charge APP。在APP上注册你的电动汽车,并对数字钱包进行充值。需要充电时,从APP中找到附近可用的充电站,按照智能合约中的价格付款给充电站主人。APP将与充电桩中的区块链节点进行通信,后者执行电动车充电的指令。


    第五个应用场景主要是针对未来无人机和机器人的快速发展,机器与机器之间的通信必须要从两个方面去考量:一方面,每个无人机都内置了硬件密钥。私钥衍生的身份ID增强了身份鉴权,基于数字签名的通信确保安全交互,阻止伪造信息的扩散和非法设备的接入。另一方面,基于区块链的共识机制,未来区块链与人工智能的结合点——群体智能,充满了想象空间,MIT实验室已经在这个交叉领域展开了深入研究。


    接着,我们介绍一下区块链+物联网的应用挑战和对可信标准的需求。

    区块链+物联网会遇到以下四个方面的挑战:

    在资源消耗方面,IoT设备普遍存在计算能力低、联网能力弱、电池续航短等问题。比特币的工作量证明机制(PoW)对资源消耗太大,显然不然适用于部署在物联网节点中,可能部署在物联网网关等服务器里。其次,以太坊等区块链2.0技术也是PoW+PoS,正逐步切换到PoS。分布式架构需要共识机制来确保数据的最终一致性,然而,相对中心化架构来说,对资源的消耗是不容忽视的。

    在数据膨胀方面,区块链是一个只能附加、不能删除的一种数据存储技术。随着区块链的不断增长,IoT设备是否有足够存储空间?例如,比特币运行至今,需要100G物理存储空间。

    在性能瓶颈方面,传统比特币的交易是7笔/秒,再加上共识确认,需要约1个小时才写入区块链,这种时延引起的反馈时延、报警时延,在时延敏感的工业互联网上不可行。

    在分区容忍方面,工业物联网强调节点“一直在线”,但是,普通的物联网节点失效、频繁加入退出网络是司空见惯的事情,容易产生消耗大量网络带宽的网络震荡,甚至出现“网络割裂”的现象。


    从改进方面,可以从两个方面去衡量。

    从区块链的角度来看,

    (1)对于资源消耗,可以不使用基于挖矿的、对资源消耗大的共识机制,使用投票的共识机制(例如PBFT等),减少资源消耗的通知,还能有效提升交易速度,降低交易时延。当然,在节点的扩展性方面,会有一定损耗,这个需要一个面向业务应用的权衡。

    (2)对于数据膨胀,可以使用简单支付交易方式(SPV),通过默克尔树对交易记录进行压缩。在系统架构上,支持重型节点和轻型节点。重型节点存储区块链的全量数据,轻型节点只存储默克尔树根节点的256哈希值,只做校验工作。

    (3)对于性能瓶颈,已经有很多面向物联网的区块链软件平台做了改进。例如,IOTA就提出不使用链式结构,采用有向非循环图(DAG)的数据结构,一方面提升了交易性能,另一方面,也具有抗量子攻击的特性。Lisk采用采用主链-侧链等跨链技术,进行划区划片管理,也在性能方面取得了不少突破。

    (4)对于分区容忍,针对可能存在的网络割裂,可以选择支持链上链下交易,尤其是离线的交易,并在系统设计时支持多个CPS集群。

    从物联网的角度来看,

    (1)对于资源消耗,随着eMTC、NB-IoT、LoRA等低功耗广域网(LPWA)技术的发展,传输质量、传输距离、功耗、蓄电量的问题将得以逐步解决。


    (2)对于数据膨胀,根据摩尔定律和超摩尔定律,存储成本下降,物联网存储能力持续上升。

    (3)对于性能瓶颈,随着MEMS传感器、SiP封装工艺等新技术、新工艺、新架构的不断成熟、成本降低,小体积、低功率的传感节点有望广泛应用。


    区块链以算法和软件来承担信任基础。但是,刚刚我们提到,有的区块链软件已经不使用“链式结构”了。区块链,顾名思义,区块+链,不用链的结构了,对于最终用户,会有些云里雾里。此外,还存在多链协同、跨链整合、链上链下、分区划片、共识切换等多方面的改进,区块链技术正处于待成熟、未定型的阶段。那么,最终用户如何相信企业的信息披露,选择合适的区块链产品呢?这就需要可信的规则来规范,从用户的角度、以业务为导向,围绕智能合约是否有效执行、共识机制是否保证数据最终一致、私钥存储是否安全、权限管理是否分级分类、企业信息披露是否准确等多个方面,提出标准规范,增强区块链的可信程度, 给区块链的信任增加砝码。

    数据中心联盟于2016年12月1日成立可信区块链工作组,由30多家单位组成,包括中国信通院、中科院计算所、中国联通、中国电信、腾讯、华为、中兴通讯、金证股份、浪潮、世纪互联、飞天诚信、曙光信息、IBM、思科、太一云、火币网、比特大陆、布比、优刻得、中联润通、万国数据、深信服等单位。可信区块链工作组主要致力于标准的制定和输出,目前,已经在国际标准中的ITU-T SG16完成立项,行业标准中的CCSA TC1完成立项,促进标准的相关落地,包括可信区块链的标准预测试、建立区块链开放实验室和测试平台,推进区块链和物联网、云计算和大数据等前言技术的交叉创新,加速区块链在金融、能源、供应链等各行各业的广泛普及和融合创新。欢迎大家关注可信区块链的最新进展!

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