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1 目標(biāo)和概述

在當(dāng)今智能交通、智慧城市、智能家居為代表的民用物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，存在著以下幾大瓶頸問題。

（1）商業(yè)模式成熟緩慢

對(duì)于任何一次信息產(chǎn)業(yè)革命來說，出現(xiàn)能成熟發(fā)展的新型商業(yè)盈利模式是必然的結(jié)果，但這一點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)展緩慢，RFID是目前僅有的大規(guī)模部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的經(jīng)濟(jì)效益主要集中在與其相關(guān)的電子元器件領(lǐng)域，龐大的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資源還沒有找到具有規(guī)模效應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

（2）數(shù)據(jù)安全及隱私保護(hù)欠缺

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)安全及隱私保護(hù)已成為最大的難題。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)于企業(yè)或個(gè)人通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)也可以反向洞察到企業(yè)生產(chǎn)或個(gè)人活動(dòng)的信息。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)幾乎都集中存儲(chǔ)在生態(tài)鏈頂端企業(yè)手中，用戶無法左右私人數(shù)據(jù)的用途和去向。且近年來中心化的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)遭遇黑客攻擊被批量盜取的案例也并不罕見。

（3）平臺(tái)互通性差

以上提到的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心化、平臺(tái)化的發(fā)展現(xiàn)狀也對(duì)數(shù)據(jù)的共享和流動(dòng)形成了壁壘。各大行業(yè)巨頭在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代跑馬圈地，期望在后互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代搶占先機(jī)。于此同時(shí)，數(shù)據(jù)需求者通常又與他們形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這也導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享實(shí)為空談，使物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)價(jià)值化進(jìn)而無法進(jìn)行交易與流通。

（4）云計(jì)算架構(gòu)的束縛

近年來，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)帶寬呈指數(shù)級(jí)增長，云計(jì)算也成為物聯(lián)網(wǎng)的主流架構(gòu)。但針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)等需要實(shí)時(shí)交互的應(yīng)用場(chǎng)景，云計(jì)算構(gòu)建下的物聯(lián)網(wǎng)并不能充分滿足，從感知到執(zhí)行的過程動(dòng)輒幾百毫秒的延時(shí)無法匹配控制端的響應(yīng)需求。

在區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的交叉領(lǐng)域，通過物聯(lián)網(wǎng)云端的計(jì)算方式，無法進(jìn)行快速響應(yīng)，負(fù)荷過大，網(wǎng)速不夠，數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)極其龐大，又相互獨(dú)立，分散于用戶周圍，這些都是當(dāng)下的行業(yè)痛點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，相當(dāng)部分物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)滿足邊緣計(jì)算的需求并且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)交付。通過邊緣計(jì)算的架構(gòu)改造傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，將是物聯(lián)網(wǎng)未來幾年發(fā)展的主要方向之一。

本方案是結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的新型解決方案，在設(shè)計(jì)之初即聚焦于解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全、流通、交易、共享以及設(shè)備互動(dòng)上，并且通過去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模、任意類型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的接入，打破數(shù)據(jù)平臺(tái)壁壘。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備商、建設(shè)方、數(shù)據(jù)擁有者、數(shù)據(jù)需求方在本項(xiàng)目構(gòu)建的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中可以各取所需，形成完美的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)閉環(huán)。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)恰好符合邊緣計(jì)算架構(gòu)，可以充分利用節(jié)點(diǎn)本身所具備的計(jì)算能力，就近完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算存儲(chǔ)的對(duì)接需求，提升物聯(lián)網(wǎng)感知-計(jì)算-響應(yīng)這一過程的時(shí)效性。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在大量需要低延時(shí)響應(yīng)的使用場(chǎng)景，當(dāng)云計(jì)算在這些領(lǐng)域一籌莫展時(shí)，結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)的邊緣計(jì)算方案是一個(gè)新的解決途徑。

本方案旨在解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全、流通、交易、共享上的諸多問題，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈的共同繁榮。將物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈深度結(jié)合，依托邊緣計(jì)算的特性，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)上萬物互聯(lián)互通。在本方案的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可信，數(shù)據(jù)價(jià)值量化體現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳遞快速安全，促成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的形成，催生新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，助力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期。

2 解決方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的解決方案總體架構(gòu)分為五層架構(gòu)分別是物聯(lián)設(shè)備層、邊緣計(jì)算層、物聯(lián)網(wǎng)通訊層、共識(shí)層以及應(yīng)用層。

圖1 基于區(qū)塊鏈的解決方案總體架構(gòu)

物聯(lián)設(shè)備層：物聯(lián)設(shè)備層為接入結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)設(shè)備，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，并且物聯(lián)設(shè)備可以通過結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互動(dòng)。

邊緣計(jì)算層：邊緣計(jì)算層包括邊緣數(shù)據(jù)清洗、邊緣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警信息推送以及邊緣設(shè)備響應(yīng)。

邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)清洗：邊緣計(jì)算設(shè)備根據(jù)自身算力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的清洗，例如檢查數(shù)據(jù)一致性，處理無效值和缺失值等。

邊緣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)備的存儲(chǔ)容量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在網(wǎng)絡(luò)允許的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

報(bào)警信息推送：邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)備的報(bào)警信息以短信、郵件等方式進(jìn)行相關(guān)人員的推送。

邊緣設(shè)備響應(yīng)：邊緣計(jì)算借點(diǎn)根據(jù)邊緣設(shè)備的特性做出設(shè)備響應(yīng)，以保證設(shè)備響應(yīng)的實(shí)時(shí)性以及設(shè)備性能要求的一致性。

物聯(lián)網(wǎng)通訊層：物聯(lián)設(shè)備通信通過4G、5G、NB-IoT、以太網(wǎng)、串口總線、并口總線等通用的物理進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

共識(shí)層：共識(shí)層分為數(shù)據(jù)驗(yàn)證層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、區(qū)塊鏈層、智能合約層

數(shù)據(jù)驗(yàn)證層：主要用于驗(yàn)證物聯(lián)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的安全性、有效性、并對(duì)上傳數(shù)據(jù)做價(jià)值評(píng)估以及數(shù)據(jù)價(jià)值確認(rèn)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)底層存儲(chǔ)提供了基于IPFS和BigChainDB的兩種方式。

IPFS是用于存儲(chǔ)內(nèi)容可尋址文件的新興標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)是一種基于其內(nèi)容而不是其位置來檢索的信息存儲(chǔ)機(jī)制。換句話說，使用IPFS存儲(chǔ)的所有文件名稱都是從其內(nèi)容的散列中生成的。這意味著同一個(gè)文件在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都具有相同的名稱，并且更改文件內(nèi)容會(huì)導(dǎo)致文件名稱的更改。這也意味著從服務(wù)器下載一個(gè)文件夾時(shí)，可以根據(jù)服務(wù)器提供的內(nèi)容重新計(jì)算文件名稱來驗(yàn)證文件是否為所請(qǐng)求的文件。IPFS還提供P2P網(wǎng)絡(luò)
層，允許計(jì)算機(jī)根據(jù)其唯一的名稱發(fā)現(xiàn)和共享文件。然而，該P(yáng)2P網(wǎng)絡(luò)層不提供或保證存儲(chǔ)、托管或帶寬。根據(jù)目前的結(jié)構(gòu)，IPFS網(wǎng)絡(luò)希望用戶能夠提供自己的服務(wù)器和相關(guān)的基礎(chǔ)架構(gòu)。本項(xiàng)目的終極愿景是讓所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都有合法的身份，對(duì)數(shù)據(jù)容量有著苛刻的要求，因此選擇了IPFS文件系統(tǒng)，同時(shí)面向未來的物聯(lián)網(wǎng)格局，需要儲(chǔ)存物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存在查詢的需求，因此引入了BigChainDB作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)引擎。 BigChainDB具有去中心化控制、防篡改和創(chuàng)建傳輸數(shù)字資產(chǎn)等區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

區(qū)塊鏈層：區(qū)塊鏈層是結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的核心層，在區(qū)塊鏈層最重要的是共識(shí)算法。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的特性，采用基于POS共識(shí)算法的深度定制算法-IPOS算法。IPOS算法分為兩部分：通過繳納一定的保證金成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)之后可以通過競(jìng)爭(zhēng)出塊權(quán)來獲取收益，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)作為收益相關(guān)方法，可以積極地參與到網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)中。

智能合約層：智能合約層是區(qū)塊鏈重要的組成部分。 智能合約是連接區(qū)塊鏈和應(yīng)用的橋梁。同時(shí)智能合約也起到黏合劑的作用，將用戶的規(guī)則和區(qū)塊鏈的共識(shí)算法粘結(jié)在一起。保證用戶可以合法并且安全地消費(fèi)區(qū)塊鏈上面的數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈傳遞價(jià)值。智能合約層包括合約管理和合約接口兩大部分。其中，合約管理負(fù)責(zé)智能合約的部署、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等操作。合約接口提供給外部系統(tǒng)調(diào)用。

應(yīng)用層：應(yīng)用層包括供應(yīng)商注冊(cè)、設(shè)備注冊(cè)、數(shù)據(jù)查詢、訪問服務(wù)、設(shè)備互動(dòng)等，并且結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開放DAPP開發(fā)接口，用戶可以通過開發(fā)DAPP實(shí)現(xiàn)自定義功能。

2.2 邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

在整體系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)是為了彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算能力弱的缺點(diǎn)，在接近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置設(shè)置一個(gè)中間層計(jì)算設(shè)備，該中間層計(jì)算設(shè)備可以接入到網(wǎng)絡(luò)中并提供比物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備強(qiáng)大很多的計(jì)算能力。通過這個(gè)中間計(jì)算層，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠更加可靠地接入到網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)一步可以進(jìn)行信息和價(jià)值的自由傳遞。

2.3 軟件平臺(tái)

基于結(jié)合了區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的低層公鏈開發(fā)平臺(tái)。底層公鏈?zhǔn)蔷邆鋱D靈完備的區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)。

2.4 硬件平臺(tái)

結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算方案的硬件平臺(tái)由接入鏈的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如智能門鎖、智能機(jī)頂盒、智能冰箱等與邊緣計(jì)算服務(wù)器、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、Web服務(wù)器等組成，如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)

2.5 數(shù)據(jù)通訊

物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)通信是通過4G、5G、NB-IoT、以太網(wǎng)、串口總線、并口總線等通用的物理進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

在價(jià)值轉(zhuǎn)移應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通過自主研發(fā)IMQTT協(xié)議進(jìn)行通訊，MQTT協(xié)議是IBM開發(fā)的用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信協(xié)議，由于MQTT協(xié)議在開發(fā)時(shí)并沒有加入價(jià)值傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)萬物皆可交易的理念，在MQTT協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了價(jià)值轉(zhuǎn)移的相關(guān)內(nèi)容，從而誕生了IMQTT協(xié)議。通過IMQTT協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間不但能夠進(jìn)行信息的交換，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)價(jià)值的轉(zhuǎn)移。

2.6 安全措施

（1）身份認(rèn)證

身份認(rèn)證是指該用戶是否具有對(duì)某種資源的訪問和使用權(quán)限，進(jìn)而使計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的訪問策略能夠可靠、有效地執(zhí)行，防止攻擊者假冒合法用戶獲得資源的訪問權(quán)限，保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全，以及授權(quán)訪問者的合法利益。

（2）權(quán)限管理

權(quán)限管理是結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)里設(shè)置的安全規(guī)則或者安全策略，用戶可以訪問而且只能訪問自己被授權(quán)的資源。

（3）數(shù)據(jù)加密

結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)使用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，信息由發(fā)送端自動(dòng)加密，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝，然后作為不可閱讀和不可識(shí)別的數(shù)據(jù)穿過互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)數(shù)據(jù)信息到達(dá)目的地，將被自動(dòng)重組、解密，而成為可讀的數(shù)據(jù)。

3 推廣價(jià)值

本方案是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算使用方案，是結(jié)合了前沿的區(qū)塊鏈技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及邊緣計(jì)算技術(shù)，是技術(shù)上的創(chuàng)新應(yīng)用，具有重大的意義和社會(huì)價(jià)值。

（1）邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。使用邊緣計(jì)算，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備響應(yīng)的時(shí)效性，使設(shè)備快速響應(yīng)，彌補(bǔ)云計(jì)算架構(gòu)的不足，從萬物互動(dòng)上構(gòu)建完備的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。從而可以完美將各種物聯(lián)設(shè)備串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模、任意類型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的接入，并按照需求進(jìn)行互動(dòng)的問題。

（2）從數(shù)據(jù)隱私以及數(shù)據(jù)價(jià)值角度，為了構(gòu)建完整的生態(tài)體系，結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)需要獎(jiǎng)勵(lì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)上傳工作。用戶上傳物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)后，結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)基于加密算法和匿名性保護(hù)用戶的隱私，并對(duì)用戶上傳的數(shù)據(jù)給予通證獎(jiǎng)勵(lì)。用戶可以使用通證購買鏈上提供的各種增值服務(wù)。由于設(shè)備接入結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生價(jià)值收益，因此會(huì)促使設(shè)備擁有者跟生產(chǎn)者產(chǎn)生接入的意愿，從而保證了整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的健壯性。

（3）打破物聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)孤島困局，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)共享，讓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)流通，是物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)可以交易產(chǎn)生價(jià)值。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)不斷提交到結(jié)合區(qū)塊鏈的新型物聯(lián)網(wǎng)后，整個(gè)生態(tài)體系被逐步地建立，基于這部分?jǐn)?shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析和人工智能，為整個(gè)商業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來活力。商業(yè)公司可以從鏈上獲取其需要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析服務(wù)可以幫助商業(yè)公司提升業(yè)務(wù)能力和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，并且商業(yè)公司也可以基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)出售各種服務(wù)或業(yè)務(wù)。

（4）作為BaaS（區(qū)塊鏈即服務(wù)）的落地應(yīng)用項(xiàng)目，為各BaaS服務(wù)商提供了有意義的參考以及區(qū)塊鏈開發(fā)者提供DAPP開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)。國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中，區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，成為國家布局重點(diǎn)。中國人民銀行印發(fā)了《中國金融業(yè)信息技術(shù) “十三五” 發(fā)展規(guī)劃》，明確提出積極推進(jìn)區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)應(yīng)用研究，去年10月，工信部發(fā)布《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書》，這是首個(gè)落地的區(qū)塊鏈官方指導(dǎo)文件。各地政府，特別是沿海地區(qū)紛紛成立區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)地、研究院。在此背景之下本方案具有極大的社會(huì)價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

通過邊緣計(jì)算技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的建立，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互通，給人類帶來更美好的生活體驗(yàn)，改變?nèi)祟惿钅Ｊ?，?chuàng)造新的價(jià)值生態(tài)圈，創(chuàng)造美好未來，共筑人類命運(yùn)共同體！

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年增刊《邊緣計(jì)算2018專輯》