区块链与物联网技术在溯源系统的运用分析

1、区块链与物联网技术在溯源系统的运用分析孔越峰1 杨海彬2（1.广东广新信息产业股份有限公司广东广州510305 2.广东泓图智能科技有限公司广东广州510305） 摘要：区块链技术是当前国内外的焦点技术之一，不仅将影响着未来技术创新和 产业变革，在物联网领域也将起到革命性的作用。为此，本文从区块链的共识机 制角度出发，分析了物联网中引入区块链技术所面临的主要问题，并提出了相应 的应对思路。关键词：物联网；区块链；主要问题；应对思路物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用，对新一轮产业变革和经济 社会绿色、智能、可持续发展具有重要的意义。随着物联网技术的普及和不断深 化，人类社会正进入“万物互

2、联”的新时代，数以百亿的物联网终端设备如何管 理、如何实现物物交易、如何保障信息安全，是物联网发展亟需解决的问题。而 区块链技术作为一种互联网数据库技术，具有去中心化和不可篡改等优点，为物 联网设备的交易、安全、管理等环节提供了新的解决方案。鉴于此，本文对物联 网引入区块链技术遇到的主要问题进行分析，并提出相应的应对思路。1、物联网引入区块链技术面临的主要问题1.1性能效率问题区块链的基础是P2P分布式网络、加密算法和共识机制，其中共识机制是 保障区块链系统持续运行的关键1。共识机制就是区块链节点就区块信息达成 全网一致共识的机制，它可以保证最新区块被准确添加至区块链，保持节点存储 的区块链信

3、息一致、不分叉，甚至可以抵御恶意攻击。共识机制解决了区块链如 何在分布式场景下达成一致性的问题。目前，被广泛提及的共识机制约十几种，其中应用最为广泛的是PoW（Proof of Work，工作量证明），比特币和以太坊均采用该机制。在PoW算法中，记账节 点需使用一定的运算资源处理同一条件的Hashcash函数计算，哪个节点先计算 出来，区块就属于该节点，接着被算出来的数值则可向网络其它节点提交计算的 工作量证明。虽然Hashcash函数很难破解，但容易被验证。因此只要数值被计 算出来，其它参与节点便能容易地去验证这个值是否有效。由于工作量证明运算 需相当高的计算成本，使得伪造的工作得不偿失，也

4、就保证了各方均能遵守协议 约定。PoW可以让每个参与的节点共同参与交易验证，也让多方共同维护并共享 同一份交易记录的账本，从而保证了区块链有很强的防篡改性。但PoW依赖机器进行数学运算来获取记账权，每次达成共识需要全网共同 参与运算，性能效率非常低。此外，每个节点都会保留一个完整的区块链数据备 份，其占用的数据存储量会随着节点数量的增加而急剧膨胀。以比特币为例，目 前每秒只能处理7笔交易，每年单节点区块数据增长约300 GB。所以，随着物 联网中的终端数量增加，运行共识机制的成本会显著上升。另一方面，区块链技术应用于物联网时，需要所有物联网节点共同参与2。 物联网终端数量虽然很多，但具备计算能

5、力的物联网终端设备却非常有限。与传 统的区块链挖矿节点相比，物联网终端普遍的Hash计算能力甚至不到GPU系 统的千分之一。另外，物联网设备一般均有低功耗需求，因此其电力消耗在实际 应用中也受到严格控制，但挖矿设备对能源的消耗却十分惊人一一2017年用于 比特币挖矿的电力超过159个国家的年度电量总和。1.2安全性问题区块链因其加密算法和不可篡改机制，通常被视为一套非常安全稳固的系统。 但这种安全性的前提是区块链内有大量的节点，令51%算力攻击的成本远大于 收益。所谓51%攻击，是指整个网络中有人（或节点）的计算能力超过了全网总 计算能力的51%，破坏了区块链去中心化的特性，同时也让整个区块链

6、网络处在 私自挖矿、取消所有转账、双花以及随机分叉等攻击风险之下。51%算力攻击在用户极多的时候是很难发起的，但是在小范围、特定应用场 景下却十分容易。通常情况下，局域或小型城域物联网的终端数量在千或万级别， 且类型较为单一，如果存在漏洞或后门，攻击的难度要远小于对一台中央服务器 的攻击。这种情况下，区块链的安全系数要明显低于传统的中心化组网方案。对 于大型物联网而言，虽然其终端数量众多，可以在一定程度上满足安全性的要求， 但却会面临之前所提到的性能效率问题。2、应对思路由于存在性能效率和安全性问题，现有的区块链技术无法直接应用到物联网 中，需要对共识机制进行改造，PoS、DPoS、DAG、P

7、BFT等算法相继被提出和讨 论，其中又以DPoS最受人关注。DPoS （Delegated Proof of Stake，股份授权证明机制）算法中使用见证人 机制（witness）解决中心化问题。DPoS通过账本间的投票选举出一定数量的代 理账本（如图1所示），这些账本之间形成一个共识网络，而其它没有被选举出 来的账本（跟随节点）则通过与代理账本（投票节点）之间进行主从同步，从而 满足减少共识节点参与量的需求。图1DPoS节点之间的关系DPOSDPoS的这种机制能够大幅度提升选举效率。在几十个最多上百节点之间进 行一致性投票，一般来说可以在秒级完成并达到共识，因此DPoS机制可以将检 查点（事

8、务确认时间）提升到秒级，通过减少投票节点的数量或采用令牌环机制 甚至可以降低到毫秒级，而对计算和存储资源的消耗远小于PoW。物联网区块链如果采用DPoS，则每个传感器和微控制器节点不承担账簿记 录的工作，而是通过某种机制（例如持有代币的数量、计算能力等）选举出若干 （奇数个）节点作为代理账本3。这些节点事先部署在区块链网络中，并可由 多个不同的物联网服务商搭建，可以较好地解决性能效率和安全性问题。然而，DPoS的性能无法无限提升。在理想环境中，其性能与吞吐量取决于节 点间通信的网络带宽。一般来说，对于物联网环境中两个节点之间的带宽能够维 持在上下行均1MB/s已相当难得，大部分情况下远远无法达

9、到该数值。如果每 条交易日志需要100 byte，由于网络既需要广播交易也需要广播日志，则网络 带宽消耗将会加倍，因此在两个节点的单链中最大吞吐量不超过5 000 byte/s (1MB/100 byte/2=5 000)。如果集群中包含更多节点，则最大吞吐量需要根据 其使用的P2P同步机制成比例缩减，这会大大限制物联网应用的范围，需要通 过侧链、分链等手段加以解决，目前相关的技术还处于理论研究阶段。3、总结综上所述，区块链技术在物联网中的应用，能够在一定程度上解决物联网面 临的问题；同时物联网提出的新的需求，也将为区块链技术发展注入新的活力。 虽然区块链技术在物联网中具有广阔的应用前景，但目前区块链技术仍处于发展 初期，不可能直接应用于物联网中，需进行较大的技术改进，今后的应加强