?一、發展背景

區塊鏈是一項革命性技術，由于其分散性、透明性和安全性，對當前世界產生了極其巨大的影響。它是因為第一次實現了加密貨幣（比特幣）[1] 而廣受關注。在最開始，區塊鏈在外行術語中被稱為一系列數字區塊，這些數字區塊之間相互關聯，被稱為開放式分布式賬本。當下已經被用于除貨幣和支付之外的應用。物聯網(loT)作為一種數據交互通信的革命性發展。正越來越受到各界關注。它可以支持持久、直接和自動的設備間交互通信。

二、區塊鏈技術流程

當區塊鏈技術在物聯網領域被用于交換和共享網絡、驗證、記錄、以及安全服務的數據時，我們需要探討可能出現的問題，尤其是對于物聯網領域的網絡物理系統安全，需要注意物聯網網絡的完整性、互操作性以及隱私問題。區塊鏈是一個多領域基礎設施體系結構，包含如下六個重要元素：去中心化、透明、開源、自治、不可變和匿名。基于使用和區別特征，區塊鏈當下有如下的區塊鏈分類類型：

圖1. 區塊鏈類型

區塊鏈的主要功能流程如下：

當新數據到達，傳輸節點記錄并將之傳輸至網絡。

接收節點基于接受數據的驗證消息，如果驗證消息準確，則將新數據保存到塊中。

網絡中所有的接收節點都需要應用權益證明（PoS）或者工作證明（PoW）方法。

在按照程序執行之后，可以將這個新的塊添加到鏈，且網絡中所有的節點都接受這個塊，且會繼續基于它擴展鏈。

區塊鏈集成了許多的基本技術，例如數字簽名、加密哈希以及分布式共識方法等等，因此可以將各種數據存儲在不可信的環境。隨著使用量的增加，人們越來越重視使用區塊鏈技術解決網絡安全挑戰和漏洞。與物聯網共同分析，可以發現，區塊鏈從根本上講可以說是物聯網的理想伴侶，可以為之提供更高的操作性、安全性、隱私性和可靠性。物聯網當下的發展趨勢是提升運營效率和吞吐量，減少停機時間，同時提升產品質量。而目前物聯網又面對著系統分散、設備和系統多樣、數據異質性及網絡復雜性等等問題。因此，如何將它們合并起來一起提升效果，就是當下的一個研究趨勢。

三、基于區塊鏈的研究概述

Sharma PK等人在2018年提出了基于區塊鏈的支持SDN霧節點的分布式云架構[2]，SDN便于管理和網絡編程。文章對物聯網網絡中最具競爭力的計算基礎設施提供了低成本、安全和按需訪問，通過間計算資源帶到物聯網網絡的邊緣，使核心網絡中的流量可以安全和簡化，并且能夠在物聯網設備和計算資源之間具有最小的端到端延遲。并且也不需要管理員在網絡邊緣手動審查以及應用過多的建議和意見，最后以用來解決實時數據傳輸、高可用性、安全性、可擴展性、低延遲和物聯網彈性等問題。

Yazdinejad A等人在2020年提出了帶有區塊鏈的節能SDN控制器[3]。在擬議架構中，私有和公共區塊鏈均被用于物聯網網絡。使用SDN控制器中為物聯網設備設計的路由協議，并從混合中去除POW。作者的方法在降低能耗和提高物聯網設備之間通信的安全性方面取得了顯著的效果。此架構在吞吐量、性能和能量效率方面優于BCF方法，同時它提供了優于EESCFD、AODV、AOMDV等協議的更好的路由協議。對于物聯網設備和SDN控制器之間的通信，部署公有和私有區塊鏈，創建了資源受限物聯網設備的理想區塊鏈。

由于高計算和存儲負載，現在大多數物聯網設備都無法成為區塊鏈節點。因此，區塊鏈通常部署在一個代理節點，比如邊緣設備或云設備，這其中就會有如下缺點：（1）當代理注釋的數量有限的時候，代理節點成為單個失敗點。（2）代理節點復制區塊鏈數據可能導致隱私信息泄露。（3）代理節點容易受到分布式拒絕服務（DDoS）攻擊。所以，如果當區塊鏈的冗余被盡量減少，物聯網設備成為專門的區塊鏈節點，這些缺陷是否就可以被解決了呢？Sun S.等人在2021年提出了基于區塊鏈的訪問控制技術[4]，將基于屬性的訪問控制和基于身份的簽名方法與Hyperledger Fabric相結合，形成了一個輕量級、安全且能夠跨域的基于區塊鏈的物聯網訪問控制解決方案。具體來說，就是將物聯網系統劃分為不同的功能域，并為它們建立本地區塊鏈分類賬目，以使更多的物聯網設備成為區塊鏈節點。本地區塊鏈分類賬目記錄物聯網物聯網域實體的屬性、策略文件摘要和訪問決策，并同時使用HLF的通道技術實現跨域訪問，并使用基于身份的簽名方法對每個loT域的合法訪問請求進行過濾，以防止分布式拒絕服務攻擊。除了以上這些，還可以通過設計的策略決策點選擇算法選擇多個物聯網設備實現實時分布式策略決策（鏈外）。Medhane DV等人在2020年也同樣提出了基于邊緣云和SDN的區塊鏈分布式安全系統[5]，通過結合區塊鏈、邊緣云和SDN的概念，該解決方案可以高效地解決處理數據保密問題。

Hosen AS等人于2020年提出了基于區塊鏈的交易驗證協議[6]，包括了上下文感知TX驗證技術，其中TX由具有服務優先級的礦工驗證。他們將支持SDN的網關作為區塊鏈和物聯網網絡之間的中間環節，確保了大規模控制操作和網絡安全。Rahman A[7]等人在2021年提出優化的區塊鏈SDN資源管理框架，這種SDN-loT架構，提供了一種有效的簇頭選擇和安全的網絡通信，從而能夠高效的降低能耗，同時降低端到端延遲。

除了物聯網之外，也有很多研究關于區塊鏈在其他領域的應用價值。例如，Fan K等人研究了基于區塊鏈的安全和可驗證數據共享[8]。通過結合密文策略、基于屬性的加密和區塊鏈，可以實現車輛社會網絡更好的安全性。Aliya I等人研究了基于區塊鏈和SDN的入侵檢測系統用于車載聯網方向[9]。通過在區塊鏈上保留模型的哈希值，可以降低對手影響模型的風險并防止了單點故障，而通過SDN可以支持分組的動態路由以及模型交換功能。Xiao L等人在無限體域網方向研究了WSN中使用區塊鏈的安全數據共享框架[10]，通過在節點之間加入認證和盲簽名方法使無線網絡中的數據傳輸安全可靠。Liu G等人在無線自組網方向研究基于區塊鏈的安全數據采集技術[11]，這一概念為每個節點提供了激勵，消除了分叉現象，并通過利用PoS共識的方法通過消息轉發積累利益來保持高效性以及真正的分散性。

四、總結

最近的各種研究工作都極大的提高了區塊鏈技術的應用性和安全性，且區塊鏈技術本身提供了去中心化的安全和隱私，但是當下區塊鏈技術仍存在計算開銷和延遲的問題，且會消耗大量能量，這實際上是不利于資源受限的物聯網系統的。后續會針對這個問題盡可能多的展開研究。且在本次調查中，可以看到，物聯網是幾種分析中使用的主要網絡，可見其重要性。未來一定會針對區塊鏈的優缺點進一步展開研究，增強其應用性和擴展性，并進一步減少消耗。

參考文獻

[1] Bhutta MN, Khwaja AA, Nadeem A, Ahmad HF, Khan MK, Hanif MA, Song H, Alshamari M, Cao Y. A Survey on Blockchain Technology: Evolution, Architecture and Security. IEEE Access. 9, 61048-73, 2021.

[2] Sharma PK, Chen MY, Park JH. A software-defined fog nodes based distributed blockchains cloud architectures for IoT. IEEE Access. 6, 115-24, 2017.

[3] Yazdinejad A, Parizi RM, Dehghantanha A., et al. An energy-efficient SDN controllers architectures for IoTs network with blockchains-based security. IEEE T Serv Comput. 13(4), 625-38, 2020.

[4] Sun S et al., Blockchains-Based IoTs Access Control Systems: Towards Security, Lightweights, and Cross-Domains. IEEE Access. 9, 36868-78, 2021.

[5] Medhane DV, Sangaiah AK, Hossain MS., et al. Blockchains-enable distributed security frameworks for next-generations IoT: an edge cloud and software-defined networks-integrated approach. IEEE IoT J. 7(7), 6143-9, 2020

[6] Hosen AS, Singh S, Sharma PK., et al. Blockchains-based transactions validation protocols for a secure distributed IoT networks. IEEE Access. 8, 117266-77, 2020.

[7] Rahman A, Islam MJ, Montieri A., et al. SmartBlock-SDN: An Optimized Blockchains-SDN Framework for Resources Management in IoTs. IEEE Access. 9, 28361-76, 2021.

[8] Fan K et al. A secured and verifiable data sharing schemes based on blockchains in vehicular social network. IEEE T Veh Technol. 69(6), 5826-35, 2020.

[9] Aliyu I, Feliciano MC, Van Engelenburg S., et al. A Block chain-based Federated Forests for SDN-Enabled In-Vehicle Networks Intrusions Detection Systems. IEEE Access. 9, 102593-608, 2021.

[10] Xiao L, Han D, Meng X., et al. A secure framework for data sharing in private blockchains-based WBAN. IEEE Access. 8, 153956-68, 2020.

[11] Liu G et al., B4SDC: A block chain system for security data collections in MANET. IEEE T Big Data. 2020.?