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基于区块链技术的物联网边缘计算解决方案

发布时间:2020-01-21 09:55:24  来源:起点边缘    采编:佚名  背景:

01

目标与概述

在当今智能交通、智慧城市、智能家居为代表的民用物联网领域,存在着以下几大瓶颈问题。

(1)商业模式成熟缓慢

对于任何一次信息产业革命来说,出现能成熟发展的新型商业盈利模式是必然的结果,但这一点在物联网领域进展缓慢,RFID是目前仅有的大规模部署的物联网设施。物联网发展带来的经济效益主要集中在与其相关的电子元器件领域,庞大的物联网数据资源还没有找到具有规模效应的应用场景。

(2)数据安全及隐私保护欠缺

在互联网领域,数据安全及隐私保护已成为最大的难题。物联网设备服务于企业或个人通过物联网的数据也可以反向洞察到企业生产或个人活动的信息。物联网数据几乎都集中存储在生态链顶端企业手中,用户无法左右私人数据的用途和去向。且近年来中心化的存储数据遭遇黑客攻击被批量盗取的案例也并不罕见。

(3)平台互通性差

以上提到的物联网数据中心化、平台化的发展现状也对数据的共享和流动形成了壁垒。各大行业巨头在物联网大数据时代跑马圈地,期望在后互联网时代抢占先机。于此同时,数据需求者通常又与他们形成竞争关系,这也导致数据共享实为空谈,使物联网数据难以实现价值化进而无法进行交易与流通。

(4)云计算架构的束缚

近年来,基础网络带宽呈指数级增长,云计算也成为物联网的主流架构。但针对工业物联网、自动驾驶、虚拟现实等需要实时交互的应用场景,云计算构建下的物联网并不能充分满足,从感知到执行的过程动辄几百毫秒的延时无法匹配控制端的响应需求。

在区块链与物联网的交叉领域,通过物联网云端的计算方式,无法进行快速响应,负荷过大,网速不够,数据源的数据极其庞大,又相互独立,分散于用户周围,这些都是当下的行业痛点。随着信息技术的发展,相当部分物联网节点已经满足边缘计算的需求并且可以实现复杂应用场景下的数据交付。通过边缘计算的架构改造传统物联网节点,将是物联网未来几年发展的主要方向之一。

本方案是结合区块链的物联网的新型解决方案,在设计之初即聚焦于解决物联网数据的安全、流通、交易、共享以及设备互动上,并且通过去中心化的区块链技术,实现任意规模、任意类型物联网节点的接入,打破数据平台壁垒。物联网设备商、建设方、数据拥有者、数据需求方在本项目构建的区块链网络中可以各取所需,形成完美的物联网业务闭环。

区块链网络恰好符合边缘计算架构,可以充分利用节点本身所具备的计算能力,就近完成物联网设备计算存储的对接需求,提升物联网感知-计算-响应这一过程的时效性。在物联网应用中存在大量需要低延时响应的使用场景,当云计算在这些领域一筹莫展时,结合区块链的物联的边缘计算方案是一个新的解决途径。

本方案旨在解决物联网数据安全、流通、交易、共享上的诸多问题,促进物联网生态链的共同繁荣。将物联网与区块链深度结合,依托边缘计算的特性,实现物联网上万物互联互通。在本方案的物联网网络上,数据来源真实可信,数据价值量化体现,数据传递快速安全,促成物联网应用标准的形成,催生新的物联网应用场景,助力物联网产业进入高速发展期。

02

解决方案

2.1 系统架构

基于区块链的解决方案总体架构分为五层架构分别是物联设备层、边缘计算层、物联网通讯层、共识层以及应用层。

物联设备层:物联设备层为接入结合区块链的物联网的物联设备,为系统提供数据来源,并且物联设备可以通过结合区块链的物联网系统进行互联互动。

边缘计算层:边缘计算层包括边缘数据清洗、边缘数据存储、报警信息推送以及边缘设备响应。

边缘设备数据清洗:边缘计算设备根据自身算力对数据进行简单的清洗,例如检查数据一致性,处理无效值和缺失值等。

边缘数据存储:边缘计算节点根据设备的存储容量对数据进行存储,并在网络允许的条件下进行数据上传。

报警信息推送:边缘计算节点设备的报警信息以短信、邮件等方式进行相关人员的推送。

边缘设备响应:边缘计算借点根据边缘设备的特性做出设备响应,以保证设备响应的实时性以及设备性能要求的一致性。

物联网通讯层:物联设备通信通过4G、5G、NB-IoT、以太网、串口总线、并口总线等通用的物理进行通讯,通讯协议可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

共识层:共识层分为数据验证层、数据存储层、区块链层、智能合约层

数据验证层:主要用于验证物联设备上传数据的安全性、有效性、并对上传数据做价值评估以及数据价值确认。

数据存储层:结合区块链的物联网的数据底层存储提供了基于IPFS和BigChainDB的两种方式。

IPFS是用于存储内容可寻址文件的新兴标准。内容可寻址存储是一种基于其内容而不是其位置来检索的信息存储机制。换句话说,使用IPFS存储的所有文件名称都是从其内容的散列中生成的。这意味着同一个文件在每台计算机上都具有相同的名称,并且更改文件内容会导致文件名称的更改。这也意味着从服务器下载一个文件夹时,可以根据服务器提供的内容重新计算文件名称来验证文件是否为所请求的文件。IPFS还提供P2P网络层,允许计算机根据其唯一的名称发现和共享文件。然而,该P2P网络层不提供或保证存储、托管或带宽。根据目前的结构,IPFS网络希望用户能够提供自己的服务器和相关的基础架构。本项目的终极愿景是让所有物联网设备都有合法的身份,对数据容量有着苛刻的要求,因此选择了IPFS文件系统,同时面向未来的物联网格局,需要储存物联网的业务数据,这些数据存在查询的需求,因此引入了BigChainDB作为业务数据的存储引擎。 BigChainDB具有去中心化控制、防篡改和创建传输数字资产等区块链技术的优点。

区块链层:区块链层是结合区块链的物联网的核心层,在区块链层最重要的是共识算法。针对物联网的特性,采用基于POS共识算法的深度定制算法-IPOS算法。IPOS算法分为两部分:通过缴纳一定的保证金成为验证节点。成为验证节点之后可以通过竞争出块权来获取收益,验证节点作为收益相关方法,可以积极地参与到网络的维护中。

智能合约层:智能合约层是区块链重要的组成部分。 智能合约是连接区块链和应用的桥梁。同时智能合约也起到黏合剂的作用,将用户的规则和区块链的共识算法粘结在一起。保证用户可以合法并且安全地消费区块链上面的数据,通过区块链传递价值。智能合约层包括合约管理和合约接口两大部分。其中,合约管理负责智能合约的部署、安装、调试、运行等操作。合约接口提供给外部系统调用。

应用层:应用层包括供应商注册、设备注册、数据查询、访问服务、设备互动等,并且结合区块链的物联网系统开放DAPP开发接口,用户可以通过开发DAPP实现自定义功能。

2.2 边缘计算技术的应用

在整体系统架构中,边缘计算节点是为了弥补物联网设备计算能力弱的缺点,在接近物联网设备的位置设置一个中间层计算设备,该中间层计算设备可以接入到网络中并提供比物联网设备强大很多的计算能力。通过这个中间计算层,物联网设备能够更加可靠地接入到网络中,进一步可以进行信息和价值的自由传递。

2.3 软件平台

基于结合了区块链的物联网的低层公链开发平台。底层公链是具备图灵完备的区块链生态系统。

2.4 硬件平台

结合区块链的物联网边缘计算方案的硬件平台由接入链的物联网设备,如智能门锁、智能机顶盒、智能冰箱等与边缘计算服务器、区块链节点服务器、数据存储服务器、Web服务器等组成,如图2所示。

2.5 数据通讯

物联设备数据通信是通过4G、5G、NB-IoT、以太网、串口总线、并口总线等通用的物理进行通讯,通讯协议可以支持http、mqtt、Canbus、Modbus、CC-link等。

在价值转移应用中,数据通过自主研发IMQTT协议进行通讯,MQTT协议是IBM开发的用于物联网设备之间的通信协议,由于MQTT协议在开发时并没有加入价值传输的相关内容。为了实现万物皆可交易的理念,在MQTT协议的基础上增加了价值转移的相关内容,从而诞生了IMQTT协议。通过IMQTT协议,物联网设备之间不但能够进行信息的交换,同时还能实现价值的转移。

2.6 安全措施

(1)身份认证

身份认证是指该用户是否具有对某种资源的访问和使用权限,进而使计算机和网络系统的访问策略能够可靠、有效地执行,防止攻击者假冒合法用户获得资源的访问权限,保证系统和数据的安全,以及授权访问者的合法利益。

(2)权限管理

权限管理是结合区块链的物联网系统里设置的安全规则或者安全策略,用户可以访问而且只能访问自己被授权的资源。

(3)数据加密

结合区块链的物联网系统对物联设备上传数据使用了数据加密技术,信息由发送端自动加密,并且进行数据包封装,然后作为不可阅读和不可识别的数据穿过互联网,当数据信息到达目的地,将被自动重组、解密,而成为可读的数据。

03

推广价值

本方案是基于区块链技术的物联网边缘计算使用方案,是结合了前沿的区块链技术、物联网技术以及边缘计算技术,是技术上的创新应用,具有重大的意义和社会价值。

(1)边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。使用边缘计算,提高了物联网设备响应的时效性,使设备快速响应,弥补云计算架构的不足,从万物互动上构建完备的物联网系统。从而可以完美将各种物联设备串联起来,实现任意规模、任意类型的物联网节点的接入,并按照需求进行互动的问题。

(2)从数据隐私以及数据价值角度,为了构建完整的生态体系,结合区块链的物联网需要奖励物联网设备的接入和数据上传工作。用户上传物联网设备数据后,结合区块链的物联网会基于加密算法和匿名性保护用户的隐私,并对用户上传的数据给予通证奖励。用户可以使用通证购买链上提供的各种增值服务。由于设备接入结合区块链的物联网会产生价值收益,因此会促使设备拥有者跟生产者产生接入的意愿,从而保证了整个物联网生态系统的健壮性。

(3)打破物联设备的数据孤岛困局,实现物联设备数据共享,让数据实现流通,是物联设备数据可以交易产生价值。当物联网的数据不断提交到结合区块链的新型物联网后,整个生态体系被逐步地建立,基于这部分数据的大数据分析和人工智能,为整个商业经济带来活力。商业公司可以从链上获取其需要的数据信息进行数据分析。数据分析服务可以帮助商业公司提升业务能力和服务标准,并且商业公司也可以基于区块链网络出售各种服务或业务。

(4)作为BaaS(区块链即服务)的落地应用项目,为各BaaS服务商提供了有意义的参考以及区块链开发者提供DAPP开发应用平台。国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》中,区块链与大数据、人工智能、机器深度学习等新技术,成为国家布局重点。中国人民银行印发了《中国金融业信息技术 “十三五” 发展规划》,明确提出积极推进区块链、人工智能等新技术应用研究,去年10月,工信部发布《中国区块链技术和应用发展白皮书》,这是首个落地的区块链官方指导文件。各地政府,特别是沿海地区纷纷成立区块链实验地、研究院。在此背景之下本方案具有极大的社会价值与现实意义。

通过边缘计算技术与区块链技术促进了物联网生态的建立,实现万物互联互通,实现设备互通,给人类带来更美好的生活体验,改变人类生活模式,创造新的价值生态圈,创造美好未来,共筑人类命运共同体!

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