物联系统中区块链关键技术研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

随着物联网产业的逐渐发展，物联网设备已经进入了到了我们生活中的方方面面，包括智能手表、共享单车等等[1]。物联网对于大家来说不再是一个新鲜的名词，它逐渐地正在我们的生活。有数据表明，在 2020 年左右，全世界各个领域的互连设备将会达到 500 亿左右的数量[2]。随着物联网设备的急剧增加，物联设备的信息安全成了人们所担心的问题。如何保证设备内用户的信息不会被泄露[3]，如何保证提供物联设备的服务商不会窃取用户资料，这些都是我们关心的问题。近期一篇关于物联网安全的论文作者提出了一种端到端的认证协议。这个协议将 6LowPAN 和 HIP 的头部信息长度从 40字节减少到了最多 25字节。这样减少了无用的信息，也降低了网络损耗。作者还为物联设备和用户提出了一种轻量化的秘钥分发机制。拥有较高资源的设备被放置到了低资源设备的周围来仿真低资源设备。尽管他们的方法在计算上十分轻量，并且减少了协议头的字段长度。但是由于拥有较多资源的设备只能放置到一定范围内，不具有扩展性[4]。也有人提出了一种新的认证和访问控制方法，来保证物联网的安全。但是它的方法依赖于两种认证机构，分别是:1) Registration Authority(RA)，和 ii) Home Registration Authority (HRA)。RA 被用来处理设备的认证请求。所有的设备都必须由 RA 认证。同样的 HRA 为所有的用户认证[5]。当某用户想要从某个设备中访问数据，那么他的请求会被发送到 RA。RA 首先会利用 HRA 来校验用户的权限。假设用户已经被校验过了，RA 会为用户和相关设备生成一个共享秘钥。对安全方面分析的分析显示，这可以有效的防止中间人攻击。然而，为每一台设备分配一台 RA，为每一个人分配一个 HRA 对于可扩展性方面十分不利。

自从 2009 年起，比特币[6]的问世，区块链受到了大量的关注。区块链技术通过数据加密、时间戳、分布式共识等技术，在节点无需相互信任的分布式系统中实现去中心化的点对点交易、协调与协作[7]。比特币是迄今为止最为成功的区块链应用场景，根据区块链实时监控平台 Blockchain.info 统计，平均每天约产生 7500 万美元[8]。由区块链的技术特点可以知道，区块链系统具有高冗余存储、时序数据不可变、去中心化的管理方式等特点，并能够有效的保护用户的隐私。在 2013 年，出现了新的区块链平台，叫做以太坊[9]。以太坊用户能够花费一小笔钱生成一份智能合约。在最近几年中，很多基于以太坊的应用横空出世。包括农业[10]，众筹[11]，以及微博[12]领域。

这启发着人们，区块链也许可以弥补物联网的不足。尽管如此，我们在前面提到：传统的区块链中使用的共识算法所消耗的算力资源远远超出了物联网设备的容量。物联网需要近乎实时的相应，但比特币的吞吐量只能够支持每秒 7 笔的交易[13]。

大量的区块链应用出现。[14]作者在能源交易领域提出了一个创新的应用。使用他们提出的框架，能源公司可以与客户达成协议，并且利用智能合约来完成交易。使用分布式执行器(Distributed System Operator, DSO) 保证了交易是安全的，能够防止生产者和用户中任意一方不遵守协议。利用秘钥来保证防止产生多花的情况。安全方面的分析显示，这个框架能够抵御很多种攻击。但是，这个系统受限于扩展性不高，因为所有的交易和区块需要广播到所有节点中。最近一个叫做 IOTA 的区块链与物联网相结合的应用出现[15]。IOTA 通过消除区块和挖矿的概念，保证了所有的交易是免费的，并且校验起来十分快速，IOTA 最大的创新点是 tangle，一种直接的非对称加密。在用户发送交易之前，他需要对随机选取的两笔其他用户的交易进行校验。当节点的数量增加时，生成的交易也在交易，经过校验的交易也在增加，并且 IOTA 不存在交易的开销，实现了自调节的网络。但是 IOTA 并没有使用区块链一样的网络，不能够保证账簿一致性。

参考资料

[1] Ali, Salil, Raja. LSB: A Lightweight Scalable BlockChain for IoT Security and Privacy[J]. arXiv: 1712.02969v1

[2] A.Reyna, C.Martin, J.Chen, On blockchain and its integration with IoT. Challenges and opportunities [J], Future Generation Computer Systems