近年來隨著物聯網技術的飛速發展，物聯網設備的使用規模呈現爆炸式增長。 據統計，2017 年物聯網設備同比增長 31%，達到了 84 億。 預計到 2020 年，這個數字將增長至300億。 物聯網技術的廣泛應用為物理世界更直接地整合到計算機網絡世界創造了機會，從而減少人力消耗，提升生產效率和經濟效益。 物聯網綜合了傳統互聯網、移動網絡、傳感器網絡等，擴展了新的互聯網概念，從而將萬物互聯互通。 然而，物聯網在帶來開放性、包容性的同時也不可避免地引入了安全性、匿名性等隱患。 為了完善網絡安全、更好地實現用戶隱私保護以及信任管理，物聯網安全技術仍有待進一步研究。

目前，大多數物聯網解決方案都依賴于集中式的服務器–客戶端范例，以云計算的方式接 入物聯網設備。 在這種中心化的模式下，線性增長的集中式云計算能力無法匹配爆炸式增長的設備及數據規模；網絡邊緣設備與云服務器的傳輸帶寬限制了網絡性能，其網絡延遲也帶 來了更多安全問題；數據的集中化管理使得隱私安全問題變得突出；網絡邊緣設備與云服務 器的數據傳輸給物聯網設備帶來了較大的開銷。 因此，相繼出現了一些基于分布式 P2P 的物聯網架構，可以解決中心化網絡架構存在的問題。 然而，直至引入區塊鏈技術并將其與物聯網相結合，才有效地解決了物聯網存在的許多問題。 比如：物聯網設備之間存在敏感的數據生成、交換、存儲，可以憑借區塊鏈的 P2P 特性確保其隱私性、魯棒性、單點故障容錯性；物聯網中數據的創建、修改、刪除等每個操作，可以在區塊鏈中進行注冊和驗證來實現對物聯網 數據篡改、濫用行為的檢測。 此外，還可以通過區塊鏈定制和實施訪問策略，從而實現對數據的訪問控制。 在區塊鏈框架中，物聯網設備無需人為干預就可以將數據安全地存儲在不同的節點中，并利用區塊鏈的特性保證其去中心化信任、真實性、安全性、隱私性等。 本文將綜述相關文獻，并主要介紹了區塊鏈技術在物聯網中的應用。

1 區塊鏈物聯網的應用場景

1.1區塊鏈技術概述

區塊鏈是一種以密碼學算法為基礎的點對點分布式賬本技術，其本質是一種互聯網共享 數據庫。 區塊鏈首次從技術上解決了基于信任的中心化模型帶來的安全問題，它基于密碼學算法保證數據與價值的安全轉移，基于哈希鏈及時間戳機制保證數據的可追溯和不可篡改的 特性，基于共識算法保證節點間區塊數據的一致性。 區塊鏈技術自 2008 年比特幣提出以來迅速得到了應用。 最初，區塊鏈技術主要應用在數字貨幣領域，并出現了多種類比特幣的數字貨幣。 2014 年后，越來越多的領域開始嘗試與區塊鏈相結合，催生了廣闊的應用前景。

區塊鏈是由包含交易信息的區塊從后向前有序鏈接起來的數據結構。 每個區塊頭都包含它的父區塊哈希值，這樣把每個區塊鏈接到各自父區塊的哈希值序列就創建了一條一直可以 追溯到第 1 個區塊（創世區塊）的鏈條。 隨著鏈上新區塊的產生，該區塊鏈的本地副本會不斷地更新維護這個鏈，并通過共識算法和其他同步機制來保證每個區塊鏈副本的最終一致性。 區塊鏈網絡是一個分布式的點對點網絡，其中每個完整節點都存儲了所有交易數據，而不需 要第 3 方或中心化的節點來控制交易或數據。 這種分布式的數據管理架構賦予了區塊鏈應用去中心化、開放性、自治性、信息不可篡改性和匿名性等優勢。

1.2區塊鏈層級架構

現有的區塊鏈架構一般從下到上分為數據層、網絡層、共識層、合約層、應用層，如圖 1所示。

圖 1 區塊鏈架構圖

區塊鏈數據層一般是基于 levelDB 等數據庫實現的。 區塊體以 Merkle 樹的形式存儲了交易數據和賬戶數據等，而區塊頭則存儲了區塊父哈希值和 Merkle 樹的根以及用于挖礦的nonce 值等數據，形成了區塊鏈基礎的鏈式結構。 除此之外，數據層還包括了時間戳技術和非對稱加密技術等，是區塊鏈實現數據可溯源且不可篡改的基礎。

網絡層則決定了區塊鏈的分布式點對點網絡拓撲。 這一層包括了節點間的分布式 P2P 通信協議、區塊同步算法、數據傳播與數據驗證機制，負責網絡中的節點發現、消息廣播、數據傳輸等功能。

共識層主要涉及區塊鏈的共識算法，包括了區塊驗證、礦工競爭出塊、最長鏈確認等。 較為成熟的共識算法有：工作量證明算法（proof of work， PoW）、權益證明算法（proof of stake， PoS）、股份授權證明算法（delegate proof of stake， DPoS）以及實用拜占庭容錯算法（practical Byzantine fault tolerance， PBFT）。 共識算法是區塊鏈的核心機制。 各類共識算法各有利弊，目前已有許多工作針對共識算法進行了創新與優化。

合約層包括了智能合約的部署、合約測試、日志管理、實例管理、合約接口等。 智能合約即在區塊鏈上運行的圖靈完備腳本語言，無需人工干預就可以在約束條件下自動觸發，執行 事先約定好的一切條款。 這也是區塊鏈能夠解決去信任的關鍵技術之一。

應用層則包括了運行在區塊鏈上的去中心化應用程序（decentralized application， DAPP），以及一些接口調用。 應用層封裝了各種應用和案例，支撐區塊鏈實現在金融貨幣、供應鏈、物聯網、征信、社交娛樂等領域的應用落地。

1.3區塊鏈在實際物聯網中的應用場景

當前區塊鏈技術已用于多種物聯網場景，涉及了如傳感器、數據存儲、身份管理、時間戳服務、可穿戴設備、供應鏈管理等多種技術，涵蓋了農業、金融、醫療、交通等各個領域，如圖2 所示。

圖 2 區塊鏈在物聯網中的應用場景

在無人機領域中，無人機技術的廣泛應用受到了安全和數據隱私等因素的制約，而區塊 鏈可以為無人機管控提供更高水平的透明度、安全性、可信度和效率。 例如沃爾瑪在 2019 年 8 月 1 日公布了此前申請的名為“使用區塊鏈克隆無人機”的專利，旨在以區塊鏈技術保障無人機包裹遞送系統的數據完整和安全。 文獻 通過哈希算法實現數字簽名，并提供了一種圖像和傳感器采集數據的加密方法，通過時間戳機制記錄包含了 GPS 位置信息的交易日志，基于區塊鏈實現了一個通用、可擴展且易于管理的無人機訪問控制系統。 相信在不久的將來，這項技術可以在對消費者友好的小型無人機上實現，并且其服務器可以在諸如手機等移動設備上運行。

區塊鏈在車聯網領域也得到了廣泛應用。 在車聯網中，車輛需要收集并共享數據以提高駕駛安全性，提供更好的服務質量。 區塊鏈技術的引入一方面解決了集中式管理架構中車輛因擔心單點故障和數據操控而不愿意將數據上傳至基礎設施的問題，另一方面也解決了分布式管理架構中未授權的數據訪問和安全保護問題。 文獻 利用區塊鏈建立分布式數據庫來管理車輛數據，通過部署智能合約來保證路側基礎設施（roadside units， RSUs）數據存儲的安全與高效，通過基于信譽的數據分享方案來選擇更加可靠的數據源以提高數據可信度。 車輛可以選擇高質量、高可信的數據提供者，確保了數據存儲和數據共享的安全性。 結果表明： 相比于傳統方法，該方案在提高異常車輛的檢測率以及確保數據共享的安全性方面具有很大優勢。

在未來電網中，除了主電網之外，間歇性能源和微電網也將成為能源供應的重要組成部分。 文獻 將區塊鏈與智能電網相結合，創建了一個更加高效的系統，通過人工智能和微交易來匹配電力需求和供應，更加合理地利用了分布在整個網絡中的電力資源。 文獻 提出了一個基于區塊鏈的安全、透明、分布式的電力交易模型以消除傳統能源市場的壟斷，促進了能源和信用的合理交易，實現了平穩的能源管理需求。 現有的項目比如 Energo 就是通過代幣的形式評估能源的占有量和消耗量，通過智能合約調整交易規則和電網切換策略；基于區塊鏈和本地微電網實現了一個清潔能源計量、登記、管理、交易與結算的去中心化系統。 目前， 該系統已在東南亞和澳洲得到了推廣與部署。

在農產品運輸等物聯網場景下，傳感器數據是重要的組成部分，物聯網的正常運行依賴于大量傳感器數據的傳輸，而區塊鏈與傳感器技術相結合可以實現傳感器數據的存證和溯源， 是提高物聯網去中心化信任和安全的有效手段。 文獻 分析了在實際運輸鏈應用場景中， 基于區塊鏈的谷物質量跟蹤系統的可行性。 文章指出：該系統可以將巴西的大豆出口收益額度提高約 15%. 加拿大的 Transport Genie 公司通過傳感器檢測運輸車輛車廂內微氣候，應用區塊鏈技術保存與傳輸數據，使供應商、運輸單位、食品公司都能實時掌握運輸途中生鮮家畜的狀況。 同時，該系統還實現了傳感器數據的不可篡改與供應鏈數據的可溯源，在很大程度上確保了農產品供應的安全。

除此之外，還有更多物聯網領域都因為引入了區塊鏈技術而具備了更強的安全、隱私、信任等特性。 區塊鏈在物聯網領域擁有廣闊的應用前景，因此進一步研究區塊鏈底層技術以及與物聯網更加有效的結合方式變得尤為重要。

2 針對物聯網的區塊鏈底層技術研究

區塊鏈技術可以解決物聯網的許多問題，但區塊鏈本身并不是專門為物聯網而設計的， 怎樣將區塊鏈技術與物聯網可行有效地結合是一個值得研究的問題。 目前，已有很多研究對這個問題進行了討論。 文獻 分析了區塊鏈基礎設施在物聯網設備更新場景下的應用，提出合理地設計區塊鏈系統可以有效提升物聯網設備更新的可用性，降低設備承受惡意攻擊的風險， 提高設備的持久性。 文獻 提出：在物聯網中，區塊鏈和其他技術的結合可以有效地應用于物聯網邊緣計算架構，解決隱私與安全問題。 此外，區塊鏈本身也存在一些短板亟待解決，例如交易通量受限導致的系統性能低下，使得其不能滿足物聯網中需要頻繁數據交換的應用場景；共識算法缺陷導致的系統去中心化不完全，使得物聯網應用不能完全發揮區塊鏈的去中心化優勢；區塊生成的冗余計算導致的大量能源消耗，使得傳感器網絡等能源受限網絡的壽命減少；鏈上數據公開以及交易過程中的數據泄露，導致物聯網數據的隱私安全問題等。 因此，在物聯網領域應用區塊鏈技術的同時仍需針對實際場景對區塊鏈進行一定的優化與改進。

設計新的系統架構、共識算法、智能合約、加密算法、時間戳技術、數據存儲結構等，可 以使得區塊鏈更加適用于物聯網領域。 例如文獻 提出了一種優化的區塊鏈，可以解決經典區塊鏈中的高資源消耗、低擴展性、長處理時間的問題，同時為物聯網保留了安全性與隱私 性。 為了更好地與物聯網結合，現有的針對物聯網場景下區塊鏈底層技術的研究大多從以下三方面展開：系統架構、共識算法、智能合約。

2.1系統架構

物聯網架構的發展經歷了從服務器–客戶端到開放式云中心，再到分布式 P2P 的過程， 如圖 3 所示。 傳統的基于云服務器的物聯網存在一些固有的安全隱患，服務器若出錯或被攻擊將直接影響整個網絡系統。 此外，若單個物聯網設備被攻擊，則可能通過拒絕服務（denial of service， DoS）攻擊破壞整個網絡，從而影響到網絡安全。 相比之下，基于區塊鏈的分布式P2P網絡架構則不依賴于某個中心節點或云服務器，且事務或交易在網絡中以加密的形式操作和驗證，因此在單個惡意節點存在的情況下可以拒絕該節點對鏈上數據的操作。

圖 3 物聯網網絡架構發展

針對適用于物聯網的區塊鏈架構，研究者們提出了許多解決方案。 例如文獻 考慮到典型的智能家居環境，基于區塊鏈技術提出了一種新的輕量級體系架構。 該系統結構分為 3 層：智能家居、覆蓋網絡、云存儲。 智能家居層在區塊中加入 Policy Header，解決了身份認證和訪問控制等問題；覆蓋網絡層通過簽名與驗簽、賬戶公鑰與 ID 解決了隱私問題；云存儲層通過數據的哈希簽名解決分布式節點的信任問題。 文獻 基于區塊鏈技術實現了一個新的物聯網分布式訪問控制系統，使用區塊鏈存儲并分發訪問控制信息。 該系統由管理中心節點將多個約束網絡同時連接至區塊鏈網絡，因此具有很好的擴展性與靈活性，能夠適用于各種 物聯網場景。 文獻 提出了 IoTChain，結合了基于對象的物聯網安全架構（object security architecture for the Internet of Things）和 ACE 授權框架，使 ACE 授權階段變得可信而靈活。 該文以區塊鏈替換單個 ACE 授權服務器，由智能合約處理授權請求，使用自我修復的密鑰分發方案實現了物聯網的高效管理。 文獻 提出了一個多層分布式網絡模型，有機地結合了區塊鏈技術的安全性、可靠性和云服務器架構的高性能和管控能力。 該模型將網絡分為邊緣層和高級層。 邊緣層包括了本地物聯網實體，并提供與高級層的接口。 邊緣層與當前的集中式網絡模型一致：云服務器管理設備數據并處理請求，相當于實現 IoT 的局域網。 高級層連接邊緣層并實現 IoT 的廣域網功能。 在高級層中，同一層的所有節點均以分布式方式運行，基于拜占庭容錯（Byzantine fault tolerance， BFT）算法來維護分布式記錄的數據，使同一層的節點實現了自我管理和一定程度的容錯；針對跨層通信，該模型也設計了特定的跨層尋址與 數據傳輸方法。 這種網絡架構為建立廣域安全物聯網網絡提供了可行的解決方案。

設計更適合物聯網的區塊鏈系統架構，是兩個技術領域交叉融合的基礎。 據現有的研究來看，完全分布式的網絡架構并不是最適合物聯網應用場景的架構，而多層可擴展的區塊鏈 架構能夠在擁有區塊鏈優勢的情況下更有效地兼容物聯網原有的功能，如圖 4 所示。 同時，隨著下一代物聯網邊緣計算的快速發展，分層結構的霧計算將成為更高效的物聯網架構。 區塊鏈與霧計算結合將是未來區塊鏈物聯網系統架構研究的重要發展方向。

圖 4 結合霧計算的區塊鏈物聯網多層架構

2.2共識算法

在區塊鏈中，共識機制用于分布式 P2P 網絡能確保各節點維護相同內容和順序的交易記錄。 在共識過程中，各節點獨立構造候選區塊，獲得記賬權的節點將自身構造的區塊廣播至其他節點，而其他節點將收到的有效區塊加入各自區塊鏈。 共識算法是區塊鏈的核心技術之一， 在保證其去中心化、維護其安全性等方面發揮著重要作用。 類似傳統 PoW 的共識算法具有較高的安全性，但其挖礦過程給區塊鏈帶來了低通量、低可擴展性以及高能耗的問題，這在物聯網場景中是不可接受的。 因此，優化或設計更適合物聯網應用的共識算法已經成為區塊鏈落地的關鍵問題。

文獻 對比了傳統區塊鏈與有向無環圖（directed acyclic graph， DAG）區塊鏈的共識算法，DAG（即以網狀拓撲而非鏈式結構存儲區塊鏈數據）概念作為共識算法，最早在2013年由以色列希伯來大學學者提出。 文章認為：在沒有礦工參與的情況下，交易有向無環圖（transaction directed acyclic graph， TDAG）區塊鏈的共識過程相比于 PoW 具有更好的去中心化程度、更小的能源消耗以及更高的可擴展性。 提出區塊鏈應用DAG的共識算法，可以給邊緣設備為主的物聯網提供完整有效的解決方案。 文獻 提出了一種適用于物聯網的輕量級區塊鏈共識算法：身份認證證明。 它包括了兩個認證步驟：1）認證區塊以及區塊的源。 2）在可信節點成功認證區塊之后，第 1 個認證該區塊的節點信任值增加一個單位。 之后所有節點更新區塊，在此過程中區塊內的非法交易會被識別出，任何對這個區塊進行過錯誤認證的節點 將失去一個單位的信任值，直至成為一個普通節點。 身份認證證明不需要逆 Hash 計算，從而減少了能源消耗，使區塊鏈可以有效地集成到資源約束網絡，并且在分層網絡和霧計算場景 中依然有效。 文獻 為物聯網應用場景提出了一種混合區塊鏈 Hybrid-IoT. 在 Hybrid-IoT 中，IoT 設備以 PoW 區塊鏈的形式組成若干小組，而各 PoW 區塊鏈之間使用 BFT 共識算法連接，這種共識類似于跨鏈交互的 Polkadot或Cosmos. 文獻 分析了PoW 共識算法在子區塊鏈應用的有效性，證明了 PoW 與 BFT 混合共識的安全性，為針對物聯網的區塊鏈共識算法設計提供了新的解決方案。

共識算法作為區塊鏈的核心技術，其優化與改進對區塊鏈物聯網的性能表現起重要作用。 在大多數情況下，PoW 類的共識算法不再適用于物聯網環境。 相比之下，在網絡規模大且安全性要求高的環境下，可以使用 PoS 共識算法。 在網絡規模小、安全性要求不太嚴苛的環境下，可以使用 DPoS 和 PBFT 等共識算法。 總的來說，更多的工作應針對更高效、更節能、更大交易吞吐量的共識算法進一步研究；而更加前沿的 DAG 無鏈結構共識算法，省去了打包區塊的時間，在效率方面有了質的飛躍。 使區塊鏈的容量和速度有了質的提升，DAG 共識算法的應用也將成為區塊鏈物聯網的新趨勢。

2.3智能合約

區塊鏈在去中心化數字貨幣等領域取得成功后，支持各類智能合約的區塊鏈設計使得區 塊鏈技術在其他領域得到了更廣泛的應用。 智能合約是一種使用區塊鏈來實現各方之間協議的方法。 通過使用加密算法和其他區塊鏈安全機制，智能合約允許在沒有第3方的情況下執行可信交易。 這些交易是可追蹤的，也是不可逆轉的。 因此，智能合約提供了優于傳統合約的安全性，并降低了與合同相關的其他交易成本。

智能合約本質上是在區塊鏈的特定地址上記錄的預定義指令和數據的集合。 合約操作的結果通過礦工的共識打包進區塊中，保證了整個網絡同步更新數據。 由智能合約定義的公共函數或應用程序二進制接口（application binary interface， ABI）允許用戶在給定預定義的業務邏輯或合同協議的情況下與它們進行交互。 智能合約將操作邏輯封裝為字節碼并對分布礦工執行圖靈完整計算，允許用戶將更復雜的業務模型轉化為區塊鏈網絡上的新類型的交易， 因此可以提供可擴展的解決方案，允許物聯網設備在區塊鏈網絡上完成更靈活、更細粒度、更復雜的業務。

文獻 在以太坊基礎上根據智能合約定義的訪問控制方法，通過檢查對象的行為來實現基于預定義策略的靜態/動態訪問權限驗證。 訪問控制框架包括了多個訪問控制合約（access control contracts， ACC）、一個裁決合約（judge contract， JC）和一個注冊合約（register contract， RC）。 ACC 為每對主體–客體提供一種訪問控制方法，通過檢測主體的行為來實現基于預定義策略的靜態/動態訪問權限驗證。 JC 實現了一個非法行為的判斷算法， 通過接收 ACC 的行為報告來輔助 ACC 進行動態驗證并懲罰非法行為。 RC 注冊登記訪問控制以及非法行為判斷方法的信息，并提供管理這些方法的接口。 該訪問控制系統的實現，證明了利用區塊鏈智能合約實現分布式物聯網設備訪問控制的可行性。 文獻 基于以太坊區塊鏈開發了一個物聯網設備管理系統。 該系統將密碼公鑰存儲在區塊鏈上，而將私鑰保存在各個設備上，通過圖靈完備語言編寫的智能合約輕松管理物聯網設備的配置并構建密鑰管理系統。 智能合約的應用使得物聯網設備的管理達到了更細的粒度。

通過智能合約區塊鏈能靈活地實現物聯網應用功能，因此智能合約已經成為區塊鏈技術 在各個領域落地的關鍵點。 除了訪問控制和設備管理等，當前區塊鏈物聯網中供應鏈產品溯源、傳感器質量控制、分布式智能電網等應用都依賴于智能合約來實現，可見智能合約在物聯 網中的應用場景仍有待開發。 與此同時，物聯網環境下的智能合約代碼審計和代碼安全等問題也將成為重要的研究方向。

3 區塊鏈為物聯網帶來的新挑戰

區塊鏈技術與物聯網的有效結合，為物聯網帶來了去中心化信任、安全、不可篡改、可溯源等優勢；同時區塊鏈本身作為一個尚在發展的新技術，也為物聯網帶來了新的問題和挑戰， 這意味著對區塊鏈進行進一步設計的同時對區塊鏈物聯網也有了更高的技術要求。 目前，大部分工作將重點放在隱私安全、節能高效、通量性能等方面。

3.1隱私安全

如今物聯網與人們的日常生活息息相關，物聯網設備遍布城市各個角落。 各類傳感器以及通信設備承載的海量數據信息也引起了人們對于隱私安全方面的擔憂，尤其在區塊鏈系統 中交易數據公開透明地存儲在鏈上，雖然地址與用戶真實身份是匿名對應的關系，但仍然帶 來了嚴重的安全隱患。 在涉及敏感數據的應用中，如何確保數據隱私安全是區塊鏈物聯網需要研究的重要問題。

文獻 首次提出了用區塊鏈來保障物聯網數據隱私安全的方法——FairAccess，利用分布式賬本的一致性來解決物聯網中集中式和分布式訪問控制的問題，開辟了區塊鏈新的使用 領域，即物聯網訪問控制。 文獻 提出了ControlChain，這是一種基于區塊鏈的訪問控制架構。 該架構不但可以保護物聯網的隱私安全，而且可以與物聯網中的各種訪問控制模型兼容。 文獻 提出了一種區塊鏈連接網關的設計，可以自適應地保護用戶隱私安全。 區塊鏈在用戶和物聯網設備之間起著中介的作用，用戶可以獲得連接到區塊鏈網關的設備信息以及隱私 策略。 用戶通過網關訪問設備，而不是直接訪問以免數據泄露。 此外，區塊鏈網關將存儲用戶對于物聯網設備的隱私偏好。 由于區塊鏈數據的不可篡改性，存儲的用戶偏好信息可用于解決用戶和物聯網服務提供者之間的隱私爭議。 該區塊鏈網關的設計在不改變傳統物聯網結構的情況下，為提高用戶隱私安全和物聯網應用信任做出了貢獻。 然而，即使在區塊鏈架構下，如果數據是通過高級加密標準（advanced encryption standard， AES）等對稱密鑰方案加密的， 那么在礦工驗證出塊的過程中，密鑰與數據也會一起共享，這意味著區塊鏈物聯網的數據隱私性依然是個問題。 文獻 基于屬性加密算法（attribute-based encryption， ABE）提出了一種隱私保護的區塊鏈物聯網架構，將 ABE 加密技術應用于區塊鏈以重構區塊鏈協議，為物聯網生態系統提供了端到端的隱私保護方案，為解決實際應用問題提供了新的思路。 然而，基于加密算法的隱私安全優化也會為物聯網設備帶來更多的計算開銷，需要根據實際應用場景權衡利弊。

3.2節能高效

在分布式 P2P 網絡中，物聯網設備大多是嵌入式終端或傳感器節點，具有較低的計算能力和存儲能力。 在使用電池供能的無線傳感器網絡中，能源消耗甚至直接影響到整個網絡的壽命。 設備性能的影響極大地限制了區塊鏈在物聯網中的應用，因此如何保障區塊鏈的節能高效是一個必須解決的問題。

文獻 分析了物聯網設備應用區塊鏈的 3 個限制條件：一是區塊鏈挖礦需要大量的計算資源，使物聯網設備不適合成為礦工節點；二是區塊鏈的任何設備都需要一套完整的加密功能，這提高了硬件設備的最低門檻；三是每個完整節點需要存儲區塊鏈副本，但一般的物聯網設備可能無法提供如此大的存儲容量。 因此，該文提出了基于 Twitter 概念的 Tweetchain， 使用類似推文的結構對交易和狀態進行編碼，重新制定共識協議以取代工作量證明，從而大幅降低區塊鏈的性能開銷。 文獻 認為區塊鏈計算開銷昂貴，可擴展性有限，并且有顯而易見的帶寬開銷和延遲，不適合物聯網場景，于是提出了一個分層的輕量級可擴展區塊鏈（lightweight scalable blockchain， LSB）。 LSB 針對物聯網需求進行優化，包括輕量級的共識算法、分布式信任和通量管理算法以及交易路由和數據流的分離，大大降低了能源消耗，使得區塊鏈能夠適用于低性能的物聯網設備。

據當前已有的研究來看，共識算法依然是制約物聯網設備能耗開銷的最主要的問題。 在一般的物聯網應用場景下，采用輕量級的共識協議可以有效降低物聯網設備計算、通信和存儲 的負擔，但在類似無線傳感器網絡等更加嚴苛的能源受限環境中，針對區塊鏈物聯網的節能 高效問題仍有待進一步研究。

3.3通量性能

通量和性能的提升是目前區塊鏈領域的熱點問題。 現有區塊鏈通量有限，比特幣平均每秒只能處理 7 筆交易，以太坊平均每秒只能處理 15 筆交易。 雖然使用效率更高的共識算法可以在一定程度上提升每秒交易數量（transactions per second， TPS），但仍難以滿足業務需求。在物聯網的某些場景下，提升區塊鏈的通量性能也是應用區塊鏈技術的重要前提。 文獻 提出網絡吞吐量是物聯網協議的一個重要指標。 文獻 就適用于物聯網的區塊鏈進行了評估， 認為基于拜占庭容錯共識的大規模區塊鏈在物聯網應用中表現為通量性能存在很大的不足， 并且該不足隨節點規模的增長越發明顯。

當前許多區塊鏈的交易通量并不足以支持物聯網應用，因此出現了許多針對區塊鏈物聯網提升交易通量的工作。 文獻 對區塊鏈的優化在一定程度上減少了帶寬要求和處理時間， 提升了網絡通量。 文獻 實現了一種基于物聯網霧計算的區塊鏈云架構，并通過通量、響應時間和網絡延遲來評估系統。 實驗顯示該架構可以有效提升區塊鏈數據通量，但從目前的工作來看，區塊鏈物聯網在通量上的改進并不明顯。 通量性能可能還需要在區塊鏈基礎設施的大幅優化之后才能得到明顯的提升。 目前比特幣、以太坊等團隊也正在著重針對這個問題進行優化。

4 結語

隨著數字驅動的互聯網世界高速發展，萬物互聯的概念越來越接近現實。 在物聯網設備數量呈爆炸式增長同時區塊鏈技術日益進步的情況下，物聯網與區塊鏈技術的結合已經成為 非常值得關注的研究問題。 在物聯網生態下，區塊鏈可以提供一個分布式去中心化信任平臺。借助密碼學、哈希鏈、時間戳、共識算法等技術解決了物聯網存在的安全、隱私、信任等舊問 題，賦予了物聯網數據去中心化、可追溯、不可篡等新特性，從而使區塊鏈物聯網在智能家 居、智慧城市、可穿戴醫療設備、物流保障、傳感器數據安全等眾多領域有了廣泛的應用前景。

本文針對區塊鏈技術在物聯網場景下的應用與優化、提升與挑戰，綜述了目前的研究成果和熱點問題。 可以看到，區塊鏈在有效提升物聯網表現的同時也存在需要研究和解決的問題。 近年來，學術界也針對區塊鏈及其在實際應用中的核心問題與關鍵技術開展了相關研究。 但目前區塊鏈物聯網仍處于起步階段，并沒有一個完美的解決方案，因此針對物聯網的區塊 鏈底層技術，尤其是共識算法的研究十分重要。 可以說在這個研究領域機遇與挑戰并存，仍需對關鍵技術進一步深入探索，使區塊鏈技術在物聯網領域可以得到更好的應用與發展.