區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溯源系統(tǒng)的運用分析

1、區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溯源系統(tǒng)的運用分析孔越峰1 楊海彬2（1.廣東廣新信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司廣東廣州510305 2.廣東泓圖智能科技有限公司廣東廣州510305） 摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)是當前國內(nèi)外的焦點技術(shù)之一，不僅將影響著未來技術(shù)創(chuàng)新和 產(chǎn)業(yè)變革，在物聯(lián)網(wǎng)領域也將起到革命性的作用。為此，本文從區(qū)塊鏈的共識機 制角度出發(fā)，分析了物聯(lián)網(wǎng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)所面臨的主要問題，并提出了相應 的應對思路。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；主要問題；應對思路物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合運用，對新一輪產(chǎn)業(yè)變革和經(jīng)濟 社會綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和不斷深 化，人類社會正進入“萬物互

2、聯(lián)”的新時代，數(shù)以百億的物聯(lián)網(wǎng)終端設備如何管 理、如何實現(xiàn)物物交易、如何保障信息安全，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟需解決的問題。而 區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，具有去中心化和不可篡改等優(yōu)點，為物 聯(lián)網(wǎng)設備的交易、安全、管理等環(huán)節(jié)提供了新的解決方案。鑒于此，本文對物聯(lián) 網(wǎng)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)遇到的主要問題進行分析，并提出相應的應對思路。1、物聯(lián)網(wǎng)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)面臨的主要問題1.1性能效率問題區(qū)塊鏈的基礎是P2P分布式網(wǎng)絡、加密算法和共識機制，其中共識機制是 保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)持續(xù)運行的關(guān)鍵1。共識機制就是區(qū)塊鏈節(jié)點就區(qū)塊信息達成 全網(wǎng)一致共識的機制，它可以保證最新區(qū)塊被準確添加至區(qū)塊鏈，保持節(jié)點存儲 的區(qū)塊鏈信

3、息一致、不分叉，甚至可以抵御惡意攻擊。共識機制解決了區(qū)塊鏈如 何在分布式場景下達成一致性的問題。目前，被廣泛提及的共識機制約十幾種，其中應用最為廣泛的是PoW（Proof of Work，工作量證明），比特幣和以太坊均采用該機制。在PoW算法中，記賬節(jié) 點需使用一定的運算資源處理同一條件的Hashcash函數(shù)計算，哪個節(jié)點先計算 出來，區(qū)塊就屬于該節(jié)點，接著被算出來的數(shù)值則可向網(wǎng)絡其它節(jié)點提交計算的 工作量證明。雖然Hashcash函數(shù)很難破解，但容易被驗證。因此只要數(shù)值被計 算出來，其它參與節(jié)點便能容易地去驗證這個值是否有效。由于工作量證明運算 需相當高的計算成本，使得偽造的工作得不償失，也

4、就保證了各方均能遵守協(xié)議 約定。PoW可以讓每個參與的節(jié)點共同參與交易驗證，也讓多方共同維護并共享 同一份交易記錄的賬本，從而保證了區(qū)塊鏈有很強的防篡改性。但PoW依賴機器進行數(shù)學運算來獲取記賬權(quán)，每次達成共識需要全網(wǎng)共同 參與運算，性能效率非常低。此外，每個節(jié)點都會保留一個完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)備 份，其占用的數(shù)據(jù)存儲量會隨著節(jié)點數(shù)量的增加而急劇膨脹。以比特幣為例，目 前每秒只能處理7筆交易，每年單節(jié)點區(qū)塊數(shù)據(jù)增長約300 GB。所以，隨著物 聯(lián)網(wǎng)中的終端數(shù)量增加，運行共識機制的成本會顯著上升。另一方面，區(qū)塊鏈技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)時，需要所有物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點共同參與2。 物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量雖然很多，但具備計算能

5、力的物聯(lián)網(wǎng)終端設備卻非常有限。與傳 統(tǒng)的區(qū)塊鏈挖礦節(jié)點相比，物聯(lián)網(wǎng)終端普遍的Hash計算能力甚至不到GPU系 統(tǒng)的千分之一。另外，物聯(lián)網(wǎng)設備一般均有低功耗需求，因此其電力消耗在實際 應用中也受到嚴格控制，但挖礦設備對能源的消耗卻十分驚人一一2017年用于 比特幣挖礦的電力超過159個國家的年度電量總和。1.2安全性問題區(qū)塊鏈因其加密算法和不可篡改機制，通常被視為一套非常安全穩(wěn)固的系統(tǒng)。 但這種安全性的前提是區(qū)塊鏈內(nèi)有大量的節(jié)點，令51%算力攻擊的成本遠大于 收益。所謂51%攻擊，是指整個網(wǎng)絡中有人（或節(jié)點）的計算能力超過了全網(wǎng)總 計算能力的51%，破壞了區(qū)塊鏈去中心化的特性，同時也讓整個區(qū)塊鏈

6、網(wǎng)絡處在 私自挖礦、取消所有轉(zhuǎn)賬、雙花以及隨機分叉等攻擊風險之下。51%算力攻擊在用戶極多的時候是很難發(fā)起的，但是在小范圍、特定應用場 景下卻十分容易。通常情況下，局域或小型城域物聯(lián)網(wǎng)的終端數(shù)量在千或萬級別， 且類型較為單一，如果存在漏洞或后門，攻擊的難度要遠小于對一臺中央服務器 的攻擊。這種情況下，區(qū)塊鏈的安全系數(shù)要明顯低于傳統(tǒng)的中心化組網(wǎng)方案。對 于大型物聯(lián)網(wǎng)而言，雖然其終端數(shù)量眾多，可以在一定程度上滿足安全性的要求， 但卻會面臨之前所提到的性能效率問題。2、應對思路由于存在性能效率和安全性問題，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)無法直接應用到物聯(lián)網(wǎng) 中，需要對共識機制進行改造，PoS、DPoS、DAG、P

7、BFT等算法相繼被提出和討 論，其中又以DPoS最受人關(guān)注。DPoS （Delegated Proof of Stake，股份授權(quán)證明機制）算法中使用見證人 機制（witness）解決中心化問題。DPoS通過賬本間的投票選舉出一定數(shù)量的代 理賬本（如圖1所示），這些賬本之間形成一個共識網(wǎng)絡，而其它沒有被選舉出 來的賬本（跟隨節(jié)點）則通過與代理賬本（投票節(jié)點）之間進行主從同步，從而 滿足減少共識節(jié)點參與量的需求。圖1DPoS節(jié)點之間的關(guān)系DPOSDPoS的這種機制能夠大幅度提升選舉效率。在幾十個最多上百節(jié)點之間進 行一致性投票，一般來說可以在秒級完成并達到共識，因此DPoS機制可以將檢 查點（事

8、務確認時間）提升到秒級，通過減少投票節(jié)點的數(shù)量或采用令牌環(huán)機制 甚至可以降低到毫秒級，而對計算和存儲資源的消耗遠小于PoW。物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈如果采用DPoS，則每個傳感器和微控制器節(jié)點不承擔賬簿記 錄的工作，而是通過某種機制（例如持有代幣的數(shù)量、計算能力等）選舉出若干 （奇數(shù)個）節(jié)點作為代理賬本3。這些節(jié)點事先部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，并可由 多個不同的物聯(lián)網(wǎng)服務商搭建，可以較好地解決性能效率和安全性問題。然而，DPoS的性能無法無限提升。在理想環(huán)境中，其性能與吞吐量取決于節(jié) 點間通信的網(wǎng)絡帶寬。一般來說，對于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中兩個節(jié)點之間的帶寬能夠維 持在上下行均1MB/s已相當難得，大部分情況下遠遠無法達

9、到該數(shù)值。如果每 條交易日志需要100 byte，由于網(wǎng)絡既需要廣播交易也需要廣播日志，則網(wǎng)絡 帶寬消耗將會加倍，因此在兩個節(jié)點的單鏈中最大吞吐量不超過5 000 byte/s (1MB/100 byte/2=5 000)。如果集群中包含更多節(jié)點，則最大吞吐量需要根據(jù) 其使用的P2P同步機制成比例縮減，這會大大限制物聯(lián)網(wǎng)應用的范圍，需要通 過側(cè)鏈、分鏈等手段加以解決，目前相關(guān)的技術(shù)還處于理論研究階段。3、總結(jié)綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，能夠在一定程度上解決物聯(lián)網(wǎng)面 臨的問題；同時物聯(lián)網(wǎng)提出的新的需求，也將為區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展注入新的活力。 雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應用前景，但目前區(qū)塊鏈技術(shù)仍處于發(fā)展 初期，不可能直接應用于物聯(lián)網(wǎng)中，需進行較大的技術(shù)改進，今后的應加強