Blockchain Paradigm and Internet of Things

Valentin Rakovic， Jovan Karamachoski，Vladimir Atanasovski，Liljana Gavrilovska

Published online: 21 March 2019

Wireless Personal Communications (2019) 106:219–235 https://doi.org/10.1007/s11277-019-06270-9

Abstract

区块链是在分布式网络中提供隐私和安全的分布式分类账技术，这使得它适用于具有分布式特性的物联网。然而，区块链需要高计算能力，有高带宽开销和延迟，不适合物联网场景，为了将区块链和物联网结合，许多研究旨在开发针对于特定物联网场景需求的区块链方法。本文详细介绍了物联网区块链集成的相关问题，对当前文献和相关部署测试做了全面调查，指出了当前主要的研究和面临的挑战，并讨论了未来可能的研究领域。

Introduction

物联网需要轻量级、可扩展、分布式的安全和隐私保障，区块链技术可以提供解决方案。本文的目的是提供区块链范式的描述，确定其优缺点，并讨论BC-IoT集成的可能方式。论文结构如下：

Section2阐述区块链机制和相关概念，因为比较熟悉，跳过不写。

Section3讨论BC-IoT可能的集成及其好处

Section4概述BC-IoT集成当前的方案

Section5阐述未来可能的研究方向

Blockchain and IoT Integration

物联网和区块链结合是一种解决物联网诸多问题的新思路，它能改进的地方包括：

• 网络元素间的安全通信
• 点对点结构和对网络认知算法的支持
• 数据库冗余
• 数据交换中最高基本的隐私
• 自动添加新的物联网设备

两者集成的好处总结如下表

Ongoing Activities and Potential Use Cases

几方面的问题：

• 可扩展性：包括几个方面，如与设备数量相关的可扩展性（寻址相关问题），与网络吞吐量相关的可扩展性（关于交易验证的能力），与数据存储能力相关的可扩展性（物联网设备有限的数据存储），与节点的地理分散有关的可扩展性（与延迟和通过网络遍历数据所需的时间有关的限制）。可扩展性性能取决于用例场景、区块链类型的选择、架构设计、数据存储类型和许多其他参数。

• 公有还是私有区块链的选择

• 架构：声称应使用完全分布式的架构，该结论由以下论文得出

  Liao, C., Bao, S., Cheng, C., & Chen, K. (2017). On design issues and architectural styles for blockchain-driven iot services. In 2017 IEEE international conference on consumer electronics-Taiwan (ICCE-TW) (pp. 351–352). https://doi.org/10.1109/ICCE-China.2017.7991140.

• 数据管理和存储：物联网设备的广泛部署将导致IoT网络中的大规模数据流，对大规模数据存储的需求将决定特定场景的架构方案。

  Vo, H. T., Kundu, A., & Mohania, M. K. (2018). Research directions in blockchain data management sand analytics. In EDBT (pp. 445–448).

  上面这篇论文中总结了区块链研究中数据管理的主要研究方向，比较了基于区块链的各数据库的优缺点。

  数据管理和数据存储优化必须根据场景完成。显然，主流区块链技术针对小数据块的缓慢和不频繁的交易进行了优化。物联网网络正在以高速和高容量生成重复数据。在下面的论文中可以找到潜在的最优解决方案，其中在设计名为Sapphire的新型区块链解决方案时考虑了物联网网络流量特性。尽管寻址基于位置和类型相关的散列函数，但数据在基于位置和基于类型的基础上进行划分。根据处理和存储能力，定义三种类型的节点以便为网络中的所有参与者提供支持。一个数据分类器管理网络中的数据类型和存储位置。这种架构具有更好的可管理性，在过载节点中的数据平衡以及更容易的数据分析。

  Xu, Q., Aung, K. M. M., Zhu, Y., & Yong, K. L. (2018). A blockchain-based storage system for data analytics in the internet of things (pp. 119–138). Cham: Springer

• 软件定义：伴随最佳架构选择的，是所部署网络管理的复杂性。集中式的管理很麻烦，尤其是在软件版本和配置版本控制方面。软件定义物联网（SDIoT）的分布式网络设计和实现，使物联网网络具有增强的网络管理方法。公共可用版本控制系统的存在将增强节点的安全性和网络的稳定性。在论文[26-29]中，作者提出了基于区块链技术的软件版本控制机制，它将使物联网网络保持最新。网络的稳定性本质上是基于bug修复和正确的固件更新。此外，软件版本和配置版本在物联网网络中的可验证性将增强SD-IoT网络的安全性。通过定义，软件定义网络提出了两种平面抽象，将流量划分为：数据和控制平面流量。尽管可以利用节点的有效性，但是可以虚拟化由IoT设备生成的数据平面或数据资源。通过区块链技术对SD-IoT进行虚拟资源管理在[30]中进行了描述，并得到了实验结果的支持。Blockchain也被用于尖端的无线概念，如多接入边缘计算（MEC）和分层架构[31]

  [30] Azzar, A., & Mottola, L. (2015). Virtual resources for the internet of things. In 2015 IEEE 2nd world forum on internet of things (WF-IoT) (pp. 245–250). https://doi.org/10.1109/WFIoT.2015.7389060.

• 机器学习方面

• 访问控制：访问控制，身份认证和授权的过程将从第三方集中式服务器解决方案移至基于自治智能合约的解决方案。从根本上说，调用智能合约可以授予用户访问权限，并授权物联网设备使用网络中的资源。有关使用区块链技术以协调访问管理的解决方案见[36-40]。在论文中，我们可以看到一些成功的概念验证的实验结果。最简单的解决方案是允许资源受限的物联网设备控制所收集或拥有的数据，但对于能够实施分析算法的能力更强的物联网设备，可以增强访问控制机制。在[41]中，作者正在引入风险评估机制进行实时流量分析，以确定潜在的恶意或故障的物联网节点并动态调整访问权限。动态访问控制的过程也可以在[42]中找到。该解决方案可以通过使用在代理节点中实现的机器学习算法来确定安全风险，并相应地动态地修改访问凭证。

• 安全：除了访问控制之外，还可以通过在物联网网络中集成区块链技术来解决其他与安全和隐私相关的问题。在[43]中，作者介绍了物联网设备安全方面调查的结果。该论文对最有名的物联网攻击进行了扩展分析，并参考了已有文献中提到的最常用的解决方案。此外，在该文中，我们可以初步想到在保护物联网网络的过程中实施区块链技术。作者提议在保护设备间通信的过程中使用区块链技术，增强认证和授权程序，隐私保护以及身份和地址管理。整个物联网网络的保护可以通过防止安全性降低或减轻网络攻击来进一步发挥作用。[44]中提出的解决方案为SDN网络提供了架构，能够在大型网络中的ARP欺骗和DDoS / DoS攻击中实现威胁防御和攻击缓解。除了以前定义的协议之外，在[45]中，作者还提出了使用区块链技术保护物联网网络的过程，并且正在进一步分析某些攻击下的物联网网络状况。物联网网络的安全性和隐私性在许多领域都是必不可少的，以下论文在医疗保健[46-48]，智能家居[49,50]，智能车辆情景[51,52]和智能电网[53]中提供解决方案和概念验证

Open Issues and Future Directions

交易速率：对于许多物联网场景非常重要，例如V2x通信或工业4.0。当前的区块链解决方案依赖于相对冗长的验证周期，导致执行的交易的整体延迟。未来的方向应包括开发新的共识算法，这些算法将提供实时决策，同时仍然保留所需的安全性。一种可能的方案是部署分层区块链结构，这可以提高数据交换率并减少系统中的总体延迟。

能源效率：由于潜在的挖矿过程，大多数当前的区块链解决方案依赖于繁重的计算处理。这最终会导致网络部署具有显着的能耗。然而，物联网需要自我可持续性和高能效，需要引入新的挖矿和共识概念，这些概念更具能量效率并且更适合轻量级操作。

处理（存储）能力：未来的研究应侧重于开发分布式数据存储的新方法，其中每个设备只能存储链中的部分信息。另一种选择是引入具有完全挖矿能力和足够存储容量的可信节点，其中IoT设备将存储数据或将检查交换数据的有效性。在此设置中，IoT设备只能存储最后一个块或存储关于完整链的压缩信息。但是，这些解决方案可能会在延迟，安全性，能源效率等方面对整体网络性能产生影响

人类因素：目前，一小部分专家和工程师完全了解区块链技术是如何运作的。添加异构和多样化的物联网生态系统会导致整个系统架构变得模糊且非常复杂。此外，区块链代表了一种新技术，没有任何法律或合规性代码可以遵循，这对制造商和服务提供商来说是一个严重的问题。仅此问题就会对物联网中区块链的实际实施和部署带来重大限制。标准化和监管机构必须迅速采取行动，为统一的法律和技术框架铺平道路，这将促进新技术的发展并开辟新的商业机会。

Conclusions

区块链技术在物联网领域的潜在整合将促进多个行业的重大转变，促进新的商业模式和机遇。区块链代表了一种引发许多技术挑战的新技术。将其与多功能和复杂的生态系统（如物联网）相结合，会触发许多未解决的问题，这些问题必须在商业推广和部署之前解决。