區塊鏈在物聯網中的應用
2017/06/12
今天的演講主要包括三個部分：
第一部分是物聯網的行業痛點和區塊鏈帶來的優勢，
第二部分是區塊鏈+物聯網的產業現狀和應用場景，
第三部分是區塊鏈+物聯網的挑戰和可新標準的需求。
物聯網在長期發展演進過程中，遇到了以下5個行業痛點：設備安全、個人隱私、架構僵化、通信兼容和多主體協同5大痛點。在設備安全方面，Mirai創造的殭屍物聯網（Botnets of Things）被麻省理工科技評論評為2017年的十大突破性技術，據統計，Mirai殭屍網路已累計感染超過200萬台攝像機等IoT設備，由其發起的DDoS攻擊，讓美國域名解析服務提供商Dyn癱瘓，Twitter、Paypal等多個人氣網站當時無法訪問。後續，又有奴役物聯網設備、讓其比特幣挖礦的殭屍網路，還有規模更大、更為活躍的http81殭屍網路等。在個人隱私方面，主要是中心化的管理架構無法自證清白，個人隱私數據被泄露的相關時間時有發生。就最近而言，人民網報道的，成都266個攝像頭被網路直播就是一個案例。在架構僵化方面，目前的物聯網數據流都匯總到單一的中心控制系統，隨著低功耗廣域技術（LPWA）的持續演進，可以預見的是，未來物聯網設備將呈幾何級數增長，中心化服務成本難以負擔。據IBM預測，2020年萬物互聯的設備將超過250億個。
在通信兼容方面，全球物聯網平台缺少統一的語言，這很容易造成多個物聯網設備彼此之間通信受到阻礙，併產生多個競爭性的標準和平台。
在多主體協同方面，目前，很多物聯網都是運營商、企業內部的自組織網路。涉及到跨多個運營商、多個對等主體之間的協作時，建立信用的成本很高。
區塊鏈憑藉主體對等、公開透明、安全通信、難以篡改和多方共識等特性，對物聯網將產生重要的影響：多中心、弱中心化的特質將降低中心化架構的高額運維成本，信息加密、安全通信的特質將有助於保護隱私，身份許可權管理和多方共識有助於識別非法節點，及時阻止惡意節點的接入和作惡，依託鏈式的結構有助於構建可證可溯的電子證據存證，分散式架構和主體對等的特點有助於打破物聯網現存的多個信息孤島桎梏，促進信息的橫向流動和多方協作。
其次，我們介紹一下，區塊鏈+物聯網的產業現狀和相關的應用場景。
產業現狀一：物聯網龍頭紛紛開始布局區塊鏈。根據Forrester Wave：物聯網軟體平台（2016年第4季度）的報告顯示， IBM、PTC、GE和微軟已成為佔據物聯網平台市場的主導企業。SAP、AWS、Cisco、LogMeln、Exosite、Ayla Networks和Zebra Technologies名列前11名。對於排名靠前的物聯網平台龍頭企業，除了美國參數技術公司（PTC）沒有實質披露區塊鏈相關項目以外（該公司很多區塊鏈相關的文章），IBM、微軟、亞馬遜和SAP都在各自的雲平台上提供區塊鏈服務（Blockchain-as-a-Service），為未來海量的物聯網設備接入提供彈性資源池，做了超前布局。通用電氣GE和思科更多地是關注設備的標識和存證問題。
探討區塊鏈+物聯網的進展，要跟垂直的行業結合才有針對性，我們以能源物聯網為例，傳統公司和區塊鏈初創公司正雙向發力，不斷促進區塊鏈在行業里的廣泛普及和加速融合。從傳統電力公司的角度看，主要是通過與初創公司合作、成立子公司、甚至買下初創公司等方式，投資不同的試點項目，打造分散式能源系統和點對點的能源交易平台。這裡包括瑞典國營電力公司VattenFall（瀑布電力）投資了荷蘭阿姆斯特丹的初創公司（PowerPeers），構建讓消費者自由選擇電力渠道的能源共享平台，也有德國的萊茵公司（RWE）和初創公司Slock.it合作，推出的BlockCharge電動車充電項目。萊茵公司RWE成立子公司Innogy SE，推出了連接電動汽車車主、公共和私有充電站的一個區塊鏈交易平台Share&Charge。
從初創公司看，初創公司主要從分散式能源系統、新型交易模式、認證和交易市場等不同角度切入區塊鏈領域，開始初步涉及相關的物聯網硬體製造，例如Slock.it公司推出的Smart Plug充電器適配裝置，不斷豐富區塊鏈+的產業生態。
產業現狀三是，垂直行業的生態格局已初步具有雛形。根據諮詢公司Indigo的報告，還是以電力行業的區塊鏈+物聯網應用舉例，從終端支付（加密數字貨幣）、能源交易市場、技術支撐+行業組織、智能家居點對點交易、打造智慧城市等方面已形成良好生態格局。對於我們國家而言，萬向要在浙江打造基於區塊鏈的、聚合能源、電動車、物聯網、金融科技的聚能城，量子鏈也即將推出物聯網的區塊鏈項目等。
現在我們來介紹一下區塊鏈+物聯網的應用場景。由於區塊鏈技術並未成熟定型，很多區塊鏈和物聯網結合的案例都是在PoC（概念驗證）階段，因此，今天的一些分享希望能給大家提供更多創新的靈感。在第一個應用場景中，傳統的供應鏈運輸需要經過多個主體，例如發貨人、承運人、貨代、船代、堆場、船公司、陸運（集卡）公司，還有做艙單抵押融資的銀行等業務角色。這些主體之間的信息化系統很多是彼此獨立，互不相通的。一方面，存在數據做偽造假的問題，另一方面，因為數據的不互通，出現狀況的時候，應急處置沒法及時響應。在這個應用場景中，在供應鏈上的各個主體部署區塊鏈節點，通過實時（例如船舶靠岸時）和離線（例如船舶運行在遠海）等方式，將感測器收集的數據寫入區塊鏈，成為無法篡改的電子證據，可以提升各方主體造假抵賴的成本，更進一步地釐清各方的責任邊界，同時還能通過區塊鏈鏈式的結構，追本溯源，及時了解物流的最新進展，根據實時搜集的數據，採取必要的反應措施（例如，冷鏈運輸中，超過0℃的貨艙會被立即檢查故障的來源），增強多方協作的可能。
共享經濟可以認為是平台經濟的一種衍生。
一方面是，平台具有依賴性和興趣導向性，摩拜和OFO做腳踏車共享，但並沒有做機車的共享。另一方面，平台也會收取相應的手續費，例如滴滴打車司機要將打車費用的20%上交，作為平台提成。初創公司Slock.it和OpenBazaar等主要是希望構建一個普適的共享平台，依託去中介化的區塊鏈技術，讓供需雙方點對點地進行交易，加速各類閑置商品的直接共享，並節省第三方的平台費用。
在這個案例中，首先依託區塊鏈網關，構建整個區塊鏈網路。資產擁有者基於智能合約，通過設置租金、押金和相關規則，完成各類鎖與資產的綁定。最終用戶通過APP，支付給資產所有者相應的租金和押金，獲得打開鎖的控制許可權（密鑰），進而獲取資產的使用權。在使用結束后，歸還物品並拿回押金。這裡有一個優勢是，精準計費，可以按照智能合約上的計費標準，實時精準地付費，而不是像目前共享腳踏車的粗獷式收費（按半小時、一小時收費）。雖然節省了平台手續費（20%），但是，也引發了很多思考，例如沒上保險，出了事故如何解決；客戶租車開了200公里，直接鎖車結賬走人了，誰將車開回來等，在實際應用中，應該會遇到很多問題。
在應用場景三中，主要是傳統輸電的線路損耗率達到5%，住戶建立的微電網中盈餘能源無法存儲，也不能共享給有能源需求的其他住戶。紐約初創LO3 Energy和ConsenSys合作，由LO3 Energy負責能源相關的控制，ConsenSys提供區塊鏈底層技術，在紐約布魯克林區實現了一個點對點交易、自動化執行、無第三方中介的能源交易平台，實現了10個住戶之間的能源交易和共享。主要實現方式是，在每家住戶門口安裝智能電錶，智能電錶安裝區塊鏈軟體，構成一個區塊鏈網路。用戶通過手機APP在自家智能電錶區塊鏈節點上發布相應智能合約，基於合約規則，通過西門子提供的電網設備控制相應的鏈路連接，實現能源交易和能源供給。
對於來說，也有一家點對點能源交易的初創企業，Energo。主要是通過將各家住戶的可再生能源存儲到分散式儲能設備中，通過代幣的形式評估能源的佔有量和消耗量，基於智能合約設置能源交易規則和微電網切換主電網的策略，實現無中介的點對點能源交易平台。
在第四個應用場景中，主要面臨的是多家充電公司支付協議複雜、支付方式不統一、充電樁相對稀缺、充電費用計量不精準等行業痛點，由德國萊茵公司和Slock.it合作，推出的基於區塊鏈的電動汽車點對點充電項目。通過在各個充電樁里安裝樹莓派等簡易型Linux系統裝置，基於區塊鏈將多家充電樁的所屬公司和擁有充電樁的個人進行串聯，使用適配各家介面的Smart Plug對電動汽車進行充電。使用流程為：（以Innogy的軟體舉例）首先，在智能手機上安裝Share&Charge APP。在APP上註冊你的電動汽車，並對數字錢包進行充值。需要充電時，從APP中找到附近可用的充電站，按照智能合約中的價格付款給充電站主人。APP將與充電樁中的區塊鏈節點進行通信，後者執行電動車充電的指令。
第五個應用場景主要是針對未來無人機和機器人的快速發展，機器與機器之間的通信必須要從兩個方面去考量：一方面，每個無人機都內置了硬體密鑰。私鑰衍生的身份ID增強了身份鑒權，基於數字簽名的通信確保安全交互，阻止偽造信息的擴散和非法設備的接入。另一方面，基於區塊鏈的共識機制，未來區塊鏈與人工智慧的結合點——群體智能，充滿了想象空間，MIT實驗室已經在這個交叉領域展開了深入研究。
接著，我們介紹一下區塊鏈+物聯網的應用挑戰和對可信標準的需求。
區塊鏈+物聯網會遇到以下四個方面的挑戰：在資源消耗方面，
IoT設備普遍存在計算能力低、聯網能力弱、電池續航短等問題。比特幣的工作量證明機制（PoW）對資源消耗太大，顯然不然適用於部署在物聯網節點中，可能部署在物聯網網關等伺服器里。其次，以太坊等區塊鏈2.0技術也是PoW+PoS，正逐步切換到PoS。分散式架構需要共識機制來確保數據的最終一致性，然而，相對中心化架構來說，對資源的消耗是不容忽視的。
在數據膨脹方面，
區塊鏈是一個只能附加、不能刪除的一種數據存儲技術。隨著區塊鏈的不斷增長，IoT設備是否有足夠存儲空間？例如，比特幣運行至今，需要100G物理存儲空間。
在性能瓶頸方面，
傳統比特幣的交易是7筆/秒，再加上共識確認，需要約1個小時才寫入區塊鏈，這種時延引起的反饋時延、報警時延，在時延敏感的工業互聯網上不可行。
在分區容忍方面，
工業物聯網強調節點「一直在線」，但是，普通的物聯網節點失效、頻繁加入退出網路是司空見慣的事情，容易產生消耗大量網路帶寬的網路震蕩，甚至出現「網路割裂」的現象。
從改進方面，可以從兩個方面去衡量。從區塊鏈的角度來看，
（1）對於資源消耗，可以不使用基於挖礦的、對資源消耗大的共識機制，使用投票的共識機制（例如PBFT等），減少資源消耗的通知，還能有效提升交易速度，降低交易時延。當然，在節點的擴展性方面，會有一定損耗，這個需要一個面向業務應用的權衡。
（2）對於數據膨脹，可以使用簡單支付交易方式(SPV)，通過默克爾樹對交易記錄進行壓縮。在系統架構上，支持重型節點和輕型節點。重型節點存儲區塊鏈的全量數據，輕型節點只存儲默克爾樹根節點的256哈希值，只做校驗工作。（3）對於性能瓶頸，已經有很多面向物聯網的區塊鏈軟體平台做了改進。例如，IOTA就提出不使用鏈式結構，採用有向非循環圖（DAG）的數據結構，一方面提升了交易性能，另一方面，也具有抗量子攻擊的特性。Lisk採用採用主鏈-側鏈等跨鏈技術，進行划區劃片管理，也在性能方面取得了不少突破。（4）對於分區容忍，針對可能存在的網路割裂，可以選擇支持鏈上鏈下交易，尤其是離線的交易，並在系統設計時支持多個CPS集群。從物聯網的角度來看，（1）對於資源消耗，隨著eMTC、NB-IoT、LoRA等低功耗廣域網（LPWA）技術的發展，傳輸質量、傳輸距離、功耗、蓄電量的問題將得以逐步解決。（2）對於數據膨脹，根據摩爾定律和超摩爾定律，存儲成本下降，物聯網存儲能力持續上升。（3）對於性能瓶頸，隨著MEMS感測器、SiP封裝工藝等新技術、新工藝、新架構的不斷成熟、成本降低，小體積、低功率的感測節點有望廣泛應用。
區塊鏈以演算法和軟體來承擔信任基礎。但是，剛剛我們提到，有的區塊鏈軟體已經不使用「鏈式結構」了。區塊鏈，顧名思義，區塊+鏈，不用鏈的結構了，對於最終用戶，會有些雲里霧裡。此外，還存在多鏈協同、跨鏈整合、鏈上鏈下、分區劃片、共識切換等多方面的改進，區塊鏈技術正處於待成熟、未定型的階段。那麼，最終用戶如何相信企業的信息披露，選擇合適的區塊鏈產品呢？這就需要可信的規則來規範，從用戶的角度、以業務為導向，圍繞智能合約是否有效執行、共識機制是否保證數據最終一致、私鑰存儲是否安全、許可權管理是否分級分類、企業信息披露是否準確等多個方面，提出標準規範，增強區塊鏈的可信程度， 給區塊鏈的信任增加砝碼。
數據中心聯盟於2016年12月1日成立可信區塊鏈工作組，由30多家單位組成，包括信通院、中科院計算所、聯通、電信、騰訊、華為、中興通訊、金證股份、浪潮、世紀互聯、飛天誠信、曙光信息、IBM、思科、太一雲、火幣網、比特大陸、布比、優刻得、中聯潤通、萬國數據、深信服等單位。可信區塊鏈工作組主要致力於標準的制定和輸出，目前，已經在國際標準中的ITU-T SG16完成立項，行業標準中的CCSA TC1完成立項，促進標準的相關落地，包括可信區塊鏈的標準預測試、建立區塊鏈開放實驗室和測試平台，推進區塊鏈和物聯網、雲計算和大數據等前言技術的交叉創新，加速區塊鏈在金融、能源、供應鏈等各行各業的廣泛普及和融合創新。歡迎大家關注可信區塊鏈的最新進展！創客總部是北大校友、聯想之星創業聯盟成員企業2013年發起，專註實驗室技術投資和孵化，是科技成果變現第一站，專業投資孵化高校和科研院所的前沿技術與技術精英，提供早期投資、產業鏈業務對接和辦公場地等服務，幫助技術項目和大型企業建立業務合作關係，同時為大型企業引入前沿技術，促進大型企業轉型升級。是中關村創新型孵化器，國家級眾創空間。專註投資孵化領域包括：人工智慧、新材料、醫療健康和消費升級等。截至2017年1月，通過評審入孵的項目有275個，有122個項目獲得投資，共獲得11.3億元人民幣投資，單個項目單次獲得最高融資2.3億元人民幣，其中創客總部投資了50個項目。
