1 目標和概述

在當今智能交通、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，但這一點在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進展緩慢，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)用場景。

（2）數(shù)據(jù)安全及隱私保護欠缺

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)安全及隱私保護已成為最大的難題。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)或個人活動的信息。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)幾乎都集中存儲在生態(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）平臺互通性差

以上提到的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心化、平臺化的發(fā)展現(xiàn)狀也對數(shù)據(jù)的共享和流動形成了壁壘。各大行業(yè)巨頭在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代跑馬圈地，期望在后互聯(lián)網(wǎng)時代搶占先機。于此同時，數(shù)據(jù)需求者通常又與他們形成競爭關(guān)系，這也導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享實為空談，使物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)價值化進而無法進行交易與流通。

（4）云計算架構(gòu)的束縛

近年來，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)帶寬呈指數(shù)級增長，云計算也成為物聯(lián)網(wǎng)的主流架構(gòu)。但針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實等需要實時交互的應(yīng)用場景，云計算構(gòu)建下的物聯(lián)網(wǎng)并不能充分滿足，從感知到執(zhí)行的過程動輒幾百毫秒的延時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)云端的計算方式，無法進行快速響應(yīng)，負荷過大，網(wǎng)速不夠，數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)極其龐大，又相互獨立，分散于用戶周圍，這些都是當下的行業(yè)痛點。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，相當部分物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點已經(jīng)滿足邊緣計算的需求并且可以實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)交付。通過邊緣計算的架構(gòu)改造傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，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)備互動上，并且通過去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)任意規(guī)模、任意類型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的接入，打破數(shù)據(jù)平臺壁壘。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)恰好符合邊緣計算架構(gòu)，可以充分利用節(jié)點本身所具備的計算能力，就近完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計算存儲的對接需求，提升物聯(lián)網(wǎng)感知-計算-響應(yīng)這一過程的時效性。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在大量需要低延時響應(yīng)的使用場景，當云計算在這些領(lǐng)域一籌莫展時，結(jié)合區(qū)塊鏈的物聯(lián)的邊緣計算方案是一個新的解決途徑。

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，依托邊緣計算的特性，實現(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)來源真實可信，數(shù)據(jù)價值量化體現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳遞快速安全，促成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用標準的形成，催生新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，助力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進入高速發(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、邊緣計算層、物聯(lián)網(wǎng)通訊層、共識層以及應(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)進行互聯(lián)互動。

邊緣計算層：邊緣計算層包括邊緣數(shù)據(jù)清洗、邊緣數(shù)據(jù)存儲、報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：邊緣計算設(shè)備根據(jù)自身算力對數(shù)據(jù)進行簡單的清洗，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：邊緣計算節(jié)點根據(jù)設(shè)備的存儲容量對數(shù)據(jù)進行存儲，并在網(wǎng)絡(luò)允許的條件下進行數(shù)據(jù)上傳。

報警信息推送：邊緣計算節(jié)點設(shè)備的報警信息以短信、郵件等方式進行相關(guān)人員的推送。

邊緣設(shè)備響應(yīng)：邊緣計算借點根據(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)的實時性以及設(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行通訊，通訊協(xié)議可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

共識層：共識層分為數(shù)據(jù)驗證層、數(shù)據(jù)存儲層、區(qū)塊鏈層、智能合約層

數(shù)據(jù)驗證層：主要用于驗證物聯(lián)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的安全性、有效性、并對上傳數(shù)據(jù)做價值評估以及數(shù)據(jù)價值確認。

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

IPFS是用于存儲內(nèi)容可尋址文件的新興標準。內(nèi)容可尋址存儲是一種基于其內(nèi)容而不是其位置來檢索的信息存儲機制。換句話說，使用IPFS存儲的所有文件名稱都是從其內(nèi)容的散列中生成的。這意味著同一個文件在每臺計算機上都具有相同的名稱，并且更改文件內(nèi)容會導(dǎo)致文件名稱的更改。這也意味著從服務(wù)器下載一個文件夾時，可以根據(jù)服務(wù)器提供的內(nèi)容重新計算文件名稱來驗證文件是否為所請求的文件。IPFS還提供P2P網(wǎng)絡(luò)
層，允許計算機根據(jù)其唯一的名稱發(fā)現(xiàn)和共享文件。然而，該P2P網(wǎng)絡(luò)層不提供或保證存儲、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)，同時面向未來的物聯(lián)網(wǎng)格局，需要儲存物聯(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。

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算法。針對物聯(lián)網(wǎng)的特性，采用基于POS共識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證節(jié)點。成為驗證節(jié)點之后可以通過競爭出塊權(quán)來獲取收益，驗證節(jié)點作為收益相關(guān)方法，可以積極地參與到網(wǎng)絡(luò)的維護中。

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)塊鏈的共識算法粘結(jié)在一起。保證用戶可以合法并且安全地消費區(qū)塊鏈上面的數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈傳遞價值。智能合約層包括合約管理和合約接口兩大部分。其中，合約管理負責(zé)智能合約的部署、安裝、調(diào)試、運行等操作。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、設(shè)備注冊、數(shù)據(jù)查詢、訪問服務(wù)、設(shè)備互動等，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實現(xiàn)自定義功能。

2.2 邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用

在整體系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣計算節(jié)點是為了彌補物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計算能力弱的缺點，在接近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置設(shè)置一個中間層計算設(shè)備，該中間層計算設(shè)備可以接入到網(wǎng)絡(luò)中并提供比物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備強大很多的計算能力。通過這個中間計算層，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠更加可靠地接入到網(wǎng)絡(luò)中，進一步可以進行信息和價值的自由傳遞。

2.3 軟件平臺

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。底層公鏈是具備圖靈完備的區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)。

2.4 硬件平臺

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

圖2 硬件平臺

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行通訊，通訊協(xié)議可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

在價值轉(zhuǎn)移應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通過自主研發(fā)IMQTT協(xié)議進行通訊，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)時并沒有加入價值傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容。為了實現(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)備之間不但能夠進行信息的交換，同時還能實現(xiàn)價值的轉(zhuǎn)移。

2.6 安全措施

（1）身份認證

身份認證是指該用戶是否具有對某種資源的訪問和使用權(quán)限，進而使計算機和網(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)送端自動加密，并且進行數(shù)據(jù)包封裝，然后作為不可閱讀和不可識別的數(shù)據(jù)穿過互聯(lián)網(wǎng)，當數(shù)據(jù)信息到達目的地，將被自動重組、解密，而成為可讀的數(shù)據(jù)。

3 推廣價值

本方案是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算使用方案，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價值。

（1）邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，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、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。使用邊緣計算，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備響應(yīng)的時效性，使設(shè)備快速響應(yīng)，彌補云計算架構(gòu)的不足，從萬物互動上構(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，實現(xiàn)任意規(guī)模、任意類型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的接入，并按照需求進行互動的問題。

（2）從數(shù)據(jù)隱私以及數(shù)據(jù)價值角度，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)需要獎勵物聯(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)會基于加密算法和匿名性保護用戶的隱私，并對用戶上傳的數(shù)據(jù)給予通證獎勵。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)會產(chǎn)生價值收益，因此會促使設(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，實現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)共享，讓數(shù)據(jù)實現(xiàn)流通，是物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)可以交易產(chǎn)生價值。當物聯(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，整個生態(tài)體系被逐步地建立，基于這部分數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析和人工智能，為整個商業(yè)經(jīng)濟帶來活力。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)標準，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。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、機器深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，成為國家布局重點。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)塊鏈實驗地、研究院。在此背景之下本方案具有極大的社會價值與現(xiàn)實意義。

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

摘自《自動化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專輯》