區塊鏈技術於工業物聯網應用與挑戰

工業物聯網（IIoT）藉由感測器和裝置的連線，實作資料驅動的智慧化應用，提升工業效率和自動化水平。然而，海量資料的管理、能源效率的提升、系統安全和資料隱私的保障，以及即時資料處理的需求，都對 IIoT 的發展構成挑戰。本文探討 IIoT 架構的三個層級：邊緣層、平台層和雲端層，並分析其面臨的關鍵挑戰。同時，本文也探討如何利用區塊鏈技術的去中心化、安全性和透明性等特性，解決 IIoT 的安全隱私問題，並在智慧城市、製造業和醫療保健等領域創造新的應用價值。區塊鏈技術的匯入，有助於構建更安全、可靠和高效的 IIoT 生態系統，推動工業領域的數位化轉型。

工業物聯網（IIoT）架構與挑戰

工業物聯網（IIoT）是將智慧裝置和感測器連線至各種製造流程，提供節能機制和高效能服務。然而，它面臨著諸多挑戰，包括大資料管理、能源效率、信任、安全性、隱私、即時效能和異構裝置的互操作性等。

IIoT架構

IIoT的標準架構由三層組成：邊緣層、平台層和雲端層。

邊緣層（感知層）

邊緣層支援智慧裝置之間的互動，用於資料收集，如濕度、壓力、振動、光線和化學物質等。它由數百萬個異構的、資源受限的、微小且廉價的感測器、裝置、控制器和執行器組成，透過本地網路連線到閘道器。這些裝置負責資料收集過程，感知監控環境中的目標因素，並透過有線和無線網路協定將資訊傳輸到閘道器。

平台層（閘道器層）

平台層由高處理能力的元件組成，用於執行路由協定、促進通訊、建立與雲端層的連結、驅動行動和管理下層裝置。閘道器在將資料傳送到雲端層之前對智慧感測器/裝置的資料進行預處理，然後進行匯總和本地分析，以降低蜂窩網路中的傳輸成本。

雲端層（資料中心/控制層）

雲端層專注於將資料從智慧感測器/裝置傳輸到雲端伺服器。它取得使用者的輸入資料，並根據應用需求決定如何將邊緣層裝置分配給閘道器。換言之，雲端層執行大規模的後端事件分析，以產生商業價值。IIoT資料中心層的主要功能包括連線和資料路由/儲存、事件計算、感測器/裝置管理和應用整合。

圖表翻譯： 此圖示展示了IIoT的標準架構，包括邊緣層、平台層和雲端層之間的資料流動過程。邊緣層負責資料收集，平台層進行資料預處理，雲端層則執行資料分析和產生商業價值。

IIoT挑戰

IIoT面臨著多項挑戰，包括：

• 大資料管理
• 能源效率
• 信任、安全性和隱私
• 即時效能
• 異構裝置的互操作性

大資料管理

大資料管理是一項具有挑戰性的任務，需要提供即時、強壯和靈活的處理、決策、儲存、傳輸和可用性。為了支援製造產品生命週期，大資料管理技術需要提供高效的資料處理，以充分利用IIoT的商業優勢。

能源效率

能源效率是影響系統生命週期的基本挑戰。許多IIoT應用程式依賴低功耗感測器/裝置來執行多年。因此，需要開發節能的處理演算法、通訊協定和無線收發器。

信任、安全性和隱私

信任、安全性和隱私是IIoT應用程式中的重要問題。IIoT是一個資源受限的通訊系統，強烈依賴低頻寬鏈路和輕量級裝置。因此，需要開發新的保護技術來滿足其安全需求。

即時效能

即時效能是關鍵IIoT應用程式的基本要求，用於保證服務品質。感測器為基礎的系統通常佈署在嘈雜的環境中，需要具備即時處理能力。

圖表翻譯： 此圖示展示了IIoT面臨的主要挑戰，包括大資料管理、能源效率、信任、安全性和隱私、即時效能和異構裝置的互操作性等。這些挑戰需要透過開發新的技術和方法來解決，以充分利用IIoT的潛力。

工業物聯網中的區塊鏈應用：挑戰與技術解析

工業物聯網（IIoT）的挑戰

工業物聯網（IIoT）旨在將工業裝置、感測器和系統連線起來，以實作更高效的生產、監控和維護。然而，IIoT 應用面臨多項挑戰，包括即時資料收集、可靠性和安全性要求。為了滿足這些需求，IIoT 系統需要具備可擴充套件性、分散式資源管理和即時控制決策能力。

在 IIoT 環境中，提供即時效能和可擴充套件性是一個重大挑戰。此外，分散式資源管理需要考慮即時端對端限制，以確保有限的回應時間並處理並發問題。

解決異質裝置和通訊協定的互操作性問題

IIoT 應用需要優先考慮異質裝置、無線通訊協定和特定作業系統之間的互操作性。隨著 IIoT 技術的快速發展，大量異質感測器/裝置和通訊鏈路被密集佈署在大型監控環境中，從而導致幹擾問題加劇。

記憶體受限的智慧 IIoT 裝置可以消除或最小化幹擾。然而，如何減少外部幹擾以確保標準共存成為一個重要問題。無線通訊協定在 IIoT 中的應用對於從監控環境中高效收集資料至關重要。因此，IIoT 通訊協定需要提供所需的頻寬，以連線大量異質感測器/裝置，並實作低延遲、高可靠性和標準安全要求。

區塊鏈技術

區塊鏈技術由 Satoshi Nakamoto 在 2008 年提出，最初用於比特幣交易的安全性。區塊鏈是一種去中心化、不可篡改的帳本，可以記錄兩方之間的金融交易，而無需信任的中介機構認證。區塊鏈技術提供了根據密碼學雜湊的去中心化點對點（P2P）網路，從而建立了一個高效的交易流程，並將成本降低到 1% 以下。

區塊鏈結構

區塊鏈的一個基本目標是建立信任，這是透過根據前一個區塊的雜湊結果構建當前區塊來實作的。區塊鏈技術與傳統分散式系統的不同之處在於其許可無關、信任無關和抗審查的特性。

一個標準的區塊鏈由三個重要部分組成：

• 區塊：一組不可篡改的帳單，任何實體都可以存取其中記錄的資訊。
• 網路：一組透過數字互連分享交易資訊的區塊（節點）。
• 鏈：將區塊鏈系統中的所有區塊連線起來的功能。

區塊鏈結構、區塊組成部分和區塊之間的關係如 此圖示 所示：

圖表翻譯： 上圖展示了一個區塊鏈的基本結構，每個區塊都包含前一個區塊的雜湊值，形成了一條不可篡改的鏈。

每個區塊分為兩個部分：區塊頭和區塊體。區塊頭包含前一個區塊的雜湊值、時間戳、Nonce 和 Merkle 根，用於驗證資料完整性。區塊體包含交易數量和其資訊細節。

區塊鏈在 IIoT 中的應用

區塊鏈技術可以為 IIoT 應用提供安全、可靠和高效的交易處理能力。透過使用區塊鏈，IIoT 系統可以實作去中心化的資料管理和交易驗證，從而提高系統的安全性和可靠性。

import hashlib
import time

class Block:
    def __init__(self, index, previous_hash, timestamp, data):
        self.index = index
        self.previous_hash = previous_hash
        self.timestamp = timestamp
        self.data = data
        self.hash = self.calculate_hash()

    def calculate_hash(self):
        data_string = str(self.index) + self.previous_hash + str(self.timestamp) + str(self.data)
        return hashlib.sha256(data_string.encode()).hexdigest()

class Blockchain:
    def __init__(self):
        self.chain = [self.create_genesis_block()]

    def create_genesis_block(self):
        return Block(0, "0", int(time.time()), "Genesis Block")

    def get_latest_block(self):
        return self.chain[-1]

    def add_block(self, new_block):
        new_block.previous_hash = self.get_latest_block().hash
        new_block.hash = new_block.calculate_hash()
        self.chain.append(new_block)

# 建立區塊鏈並新增區塊
my_blockchain = Blockchain()
my_blockchain.add_block(Block(1, my_blockchain.get_latest_block().hash, int(time.time()), "Transaction 1"))
my_blockchain.add_block(Block(2, my_blockchain.get_latest_block().hash, int(time.time()), "Transaction 2"))

# 列印區塊鏈
for block in my_blockchain.chain:
    print(f"Block {block.index} - Hash: {block.hash}")

內容解密：

1. 定義區塊類別 (Block class)：每個區塊包含索引 (index)、前一個區塊的雜湊值 (previous_hash)、時間戳 (timestamp) 和資料 (data)。calculate_hash 方法用於計算區塊的雜湊值。
2. 定義區塊鏈類別 (Blockchain class)：區塊鏈由一串區塊組成，初始時包含一個創世區塊 (Genesis Block)。add_block 方法用於新增新的區塊到區塊鏈中，並更新新區塊的前一個區塊雜湊值和自身雜湊值。
3. 建立區塊鏈例項並新增交易：透過建立 Blockchain 例項，並使用 add_block 方法新增新的區塊，模擬了區塊鏈上交易的發生和記錄過程。

區塊鏈在工業物聯網（IIoT）中的應用

區塊鏈技術概述

區塊鏈是一種去中心化的技術，能夠在多個節點之間實作資料的分享和傳輸，並確保資料的安全性和透明度。它透過密碼學演算法對交易進行驗證和加密，從而防止資料被篡改或竄改 [85]。在驗證過程中，區塊鏈提供了一個可信賴的框架，用於資料/資訊傳輸或交易應用。

區塊鏈在IIoT中的應用

在智慧世界中，IIoT透過數位化各種資訊、應用、服務和資料儲存技術，極大地提高了人們的生活品質。然而，它就像一個黑盒子，無法保證安全、隱私和資料透明度。為瞭解決IIoT中的安全挑戰，區塊鏈是一種可行的技術，可以提供可信、開放和可稽核的分享解決方案，以革新工業環境中的流程 [86]。它使得任何資料傳輸都可以被追溯 [87, 88]。IIoT與區塊鏈整合的主要優勢如下 [89]：

• 安全性：區塊鏈技術根據智慧合約，在IIoT裝置之間提供安全通訊，資訊交換被視為交易。此外，在工業環境中，更新歷史可以輕易被追溯，以允許安全的裝置更新。
• 身份驗證：採用區塊鏈系統為IIoT裝置提供可信的識別和授權過程，以追溯資訊的來源。
• 可擴充套件性：根據區塊鏈的去中心化IIoT提高了容錯能力，並控制了大規模環境中的資料收集和處理，多個使用者可以協同工作。
• 可靠性：使用者可以使用區塊鏈技術在IIoT應用中驗證交易的問責制和真實性。
• 自治性：在根據區塊鏈的網路中，IIoT裝置可以在沒有中介單位控制的情況下相互互動，從而提供與裝置無關的工業應用。

區塊鏈結構

此圖示呈現了區塊鏈的基本結構，包括區塊頭、區塊體等組成部分。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title 區塊鏈技術於工業物聯網應用與挑戰

package "安全架構" {
    package "網路安全" {
        component [防火牆] as firewall
        component [WAF] as waf
        component [DDoS 防護] as ddos
    }

    package "身份認證" {
        component [OAuth 2.0] as oauth
        component [JWT Token] as jwt
        component [MFA] as mfa
    }

    package "資料安全" {
        component [加密傳輸 TLS] as tls
        component [資料加密] as encrypt
        component [金鑰管理] as kms
    }

    package "監控審計" {
        component [日誌收集] as log
        component [威脅偵測] as threat
        component [合規審計] as audit
    }
}

firewall --> waf : 過濾流量
waf --> oauth : 驗證身份
oauth --> jwt : 簽發憑證
jwt --> tls : 加密傳輸
tls --> encrypt : 資料保護
log --> threat : 異常分析
threat --> audit : 報告生成

@enduml

圖表翻譯： 此圖表呈現了區塊鏈的結構，每個區塊包含區塊頭和區塊體，區塊頭中包含了前一個區塊的雜湊值、Nonce、Timestamp和Merkle root等資訊。

區塊鏈在IIoT中的具體應用

區塊鏈在IIoT中的應用已經成為一個新興的研究領域，吸引了學術界和業界的關注。本文將介紹八類別不同的根據區塊鏈的IIoT應用，包括智慧城市、製造業、醫療保健4.0、能源管理、農業4.0、智慧家居、自動駕駛汽車和多媒體版權管理。

智慧城市

IIoT的主要目標是為支援智慧城市的需求提供自主服務。它旨在連線技術、經濟、政府、公民和社會，以解決諸如水資源、服務品質、交通運輸、醫療保健、公共行政營運成本和能源等需求 [90]。隨著人口向城市遷移和相關的城市化程式，資源稀缺成為一個基本挑戰，需要利用IIoT等技術 [91]。

區塊鏈技術已被應用於根據IIoT的智慧城市應用中，以提供一個分散式、安全和高效的平台來支援人們的生活。例如，B2EExpand是一家遊戲公司，已投資於Steam，以引入根據以太坊區塊鏈的跨遊戲影片遊戲。Ripple提供了一個全球支付解決方案，以解決金融機構（如銀行、支付提供商和數字資產交易所）之間的通訊問題。

停車系統

停車系統是根據IIoT的智慧城市中的重要服務之一。它旨在開發一個交通管理系統，以最小化成本。在這方面，Pham等人 [92]提出了一個高效的根據雲的智慧城市停車系統。它試圖減少司機找不到停車位的次數。雖然該系統減少了司機的平均等待時間，但它在實際應用中存在安全挑戰。為瞭解決這些挑戰，Lazaroiu等人 [93]提出了一個根據區塊鏈的智慧停車系統模型。該模型由兩個實體組成：實體A代表已支付停車費用的訪客，實體B代表系統驗證者。線上區塊鏈包含了交易資料，當大多數裝置驗證其真實性時，一個區塊被追加到區塊鏈中。最後，智慧合約觸發保證了從A到B的錢包轉賬。

大規模資料管理

隨著網路裝置和軟體技術的數量和型別的增加，IIoT裝置和感測器生成的資料量正在變得不可預測。經典的客戶端/伺服器通訊模型是集中式的，並將資料儲存在中央伺服器上。這對系統裝置之間的自動化通訊造成了一些問題。Fan等人 [94]提出了一個根據區塊鏈的解決方案，以應對智慧城市大規模資料管理系統中的通訊挑戰。

工業物聯網中的區塊鏈應用

工業物聯網（IIoT）結合了區塊鏈技術，在不同領域中展現了其潛力與優勢，涵蓋了智慧城市、製造業和醫療保健等應用場景。以下將對這些領域進行探討。

智慧城市

Zhang等人提出了一種根據區塊鏈技術的輕量級資料傳輸機制，以確保IIoT中資料聚合的準確性，特別是在智慧城市應用中。此機制採用分散式帳本，在多個邊緣閘道器上記錄、同步和維護資訊，並透過兩路徑路由策略解決資料聚合過程中的一致性挑戰。同時，使用輕量級資料區塊結構來改進傳統的區塊鏈技術，節省資源。模擬結果表明，IIoT與區塊鏈技術的結合可以減少資料聚合的跳數、能耗和傳輸延遲，提高資料準確性、網路可靠性和系統安全性。

內容分析：

• 區塊鏈技術在智慧城市中的應用，提高了資料聚合的效率和安全性。
• 分散式帳本和兩路徑路由策略確保了資料的一致性和可靠性。
• 輕量級資料區塊結構最佳化了區塊鏈技術，減少了資源消耗。

製造業

在製造業中，區塊鏈技術被用於改善售後服務、維修和維護部門釋出的技術手冊的分發和更新。透過區塊鏈技術，使用者可以在製造框架上存取技術手冊，無需擔心故意更改或丟失更新版本。Wan等人提出了一種根據區塊鏈的IIoT架構，用於現代工廠的資料互動，最佳化了資料聚合和結果。實驗結果表明，該模型保證了系統隱私，提供了一個輕量級且安全的解決方案。

程式碼例項：

import hashlib
import time

class Block:
    def __init__(self, index, previous_hash, timestamp, data):
        self.index = index
        self.previous_hash = previous_hash
        self.timestamp = timestamp
        self.data = data
        self.hash = self.calculate_hash()

    def calculate_hash(self):
        data_string = str(self.index) + self.previous_hash + str(self.timestamp) + str(self.data)
        return hashlib.sha256(data_string.encode()).hexdigest()

class Blockchain:
    def __init__(self):
        self.chain = [self.create_genesis_block()]

    def create_genesis_block(self):
        return Block(0, "0", int(time.time()), "Genesis Block")

    def get_latest_block(self):
        return self.chain[-1]

    def add_new_block(self, new_block):
        new_block.previous_hash = self.get_latest_block().hash
        new_block.hash = new_block.calculate_hash()
        self.chain.append(new_block)

# 建立區塊鏈並新增新區塊
my_blockchain = Blockchain()
my_blockchain.add_new_block(Block(1, my_blockchain.get_latest_block().hash, int(time.time()), "Transaction Data"))

內容解密：

1. 區塊類別（Block Class）：定義了區塊的基本屬性，包括索引、前一個區塊的雜湊值、時間戳和資料，並計算每個區塊的雜湊值。
2. 區塊鏈類別（Blockchain Class）：管理區塊鏈的操作，包括建立創世區塊、取得最新區塊和新增新區塊到鏈上。
3. 雜湊計算：使用SHA-256演算法確保資料的完整性和安全性。
4. 新增新區塊：更新新區塊的前一個雜湊值為最新區塊的雜湊值，並重新計算新區塊的雜湊值後，將其新增到區塊鏈中。

醫療保健4.0

醫療保健4.0結合了IIoT和網路物理系統，以虛擬方式解決實際健康應用的需求。區塊鏈技術在增強智慧健康系統的效能方面發揮了關鍵作用，例如有效地分享關鍵患者的資料以改善健康服務交付。Xia等人提出了一個根據區塊鏈的資料分享系統MeDShare，以保護醫療資料。該系統監控使用者行為並記錄在區塊鏈上，確保資料分享的安全性和透明度。

隨著工業物聯網的不斷發展和區塊鏈技術的成熟，預計將會有更多的創新應用出現。未來的研究方向可能包括進一步提高區塊鏈技術的安全性、可擴充套件性和互操作性，以滿足不同行業的需求。同時，也需要制定相應的標準和規範，以促進區塊鏈技術在工業物聯網中的廣泛應用。