基于区块链技术和5G通讯方案的UCOT智能物联网平台介绍

区块链是一个去中心化的分布式帐本，包括在公共或专用网络上可以共享 的记录状态变化和交易的数字日志。 区块链分布式帐本的更新和维护由网络节点（Nodes）完成，每个节点执行并记录相同 的历史。区块链上一段特定时间内的交易会被打上时间戳并集合成一个区块，其中每 个区块通过基于密码学的哈希算法生成唯一的哈希值以供识别和验证。区块形成线性 序列，其中每个块引用先前块的哈希值，结构上形成一个链条，因此被称为区块链。 如下图所示：

区块链的一下特性能够重塑物联网生态系统：

• 分布式账本和去中心化的点对点网络可以消除单点故障的发生;

• 交易需要网络中节点的共同验证，可以解决中央集权问题;

• 交易记录一经产生，存在于不可篡改伪造的区块链上，随时可以进行审核;

• 对供应链上的产品溯源的自动化;

• 为物联网内跨物理设备传输的数据提供更好的保护;

• 标准化数据信息由区块链上的代码不可变的智能合约控制

优物链生态系统

UCOT 是一个结构化的生态系统，结合了最新的区块链技术和 5G 通讯方案，专为下一代智能物联网平台而设计，解决了供应链与物联网中的认证、安全和互操作性方面的关 键问题，可以帮助企业应对设备验证和授权方面的挑战， 有助于保护网络同时消除对 中心化管理的依赖。UCOT 可以使同一供应链上的不同企业和用户提高供应链节点之间 的防篡改，互操作性来提高效率，降低运营成本，加强认证，保护数据隐私。

在 UCOT 生态系统中创建的大量实时数据也将被各种 UCOT 应用程序所使用。

UCOT 团队的愿景是构建最佳的生态系统，使供应链管理和智能物联网系统具备自动化 的价值转移以及实现设备与设备之间控制的最有效过程。

系统架构

UCOT 系统技术架构从下至上由三层组成，物联层，区块链层和服务层，如图所示。

1.物联层

安全的物联网平台是物联层的核心部分，包括如下设备：

a. 在整个供应链中连接到货物性能受限的嵌入式跟踪设备

b. 固定式高功率节点，例如视频监控摄像机

c. 安装了供应链应用的移动设备

物联网平台可实现供应链跟踪和产品溯源。在物联层中，如上图所示，在轻量级嵌入 式设备和移动设备上运行的应用程序尽可能简单，从而能够运行于资源有限的设备。 轻量级嵌入式设备和移动设备通过网关将数据上传到区块链网络。具体来说，轻量级 嵌入式设备上的应用程序可以自动识别环境并上传数据，而轻量级移动设备上的应用 程序提供手动更新界面。 应用程序使用验证算法非对称加密来对收集的数据进行签名 以确保防篡改。

物联层中的网关如上图所示，负责协议转换，帐户管理，设备管理及其安全性。

a. 网关提供了将不同种类的通信协议（例如 NB-IoT 设备中的 UDP 和 CoAP）通过发送交易转换到区块链网络的接口。

b. 网关需要实现帐户和设备的管理。在设备管理中，轻量级设备需要首先得到授权才能将数据上传到区块链网络。 该组件专为在特定用户使用区块链系统中的帐户配置终端设备的情况设计。 配置过程也记录在区块链系统中。终端设备的身份标志对应于区块链中的账户。系统以账户进行管理，而非终端设备管理。帐户管理是针对在区块链网络中拥有帐户的设备。这些设备能够直接将数据以交易的形式上传到区块链网络。

c. 同时网关确保安全性，抵御拒绝服务，远程入侵等攻击。 在网关的帮助下，系统可以支持新的设备和协议，而不影响区块链核心网络。

2.区块链层

区块链层为供应链中的所有参与方提供安全可访问的数字账本，并执行智能合约和完成支付。我们将建立一个区块链驱动的 IoT 平台，彻底改变整个供应链。建立在平台之上的智能合约将实现与供应链流动相关的快捷支付。

将区块链与 IoT 相结合，将彻底改变供应链和应用的整个生命周期，为进一步发展做出贡献。例如温度，光传感器可以利用私人/联盟链来确保商品或食品的实时状态; 使用智能合约交换保险和维护服务可以对任何产品提供实时信息。

设计原则

基于区块链的分布式帐本技术解决了 IoT 的五个关键缺陷：

a. 在典型情况下，基于区块链的分布式帐本可以为物联网提供可信的一致性网络，支持所有权记录，透明化信息以及通信服务。

b. 通过相对集中的服务器收集和存储数据作为采矿节点的物联网的架构可以将信息写入本地分类帐，并与其他本地分类帐同步，以确保事实的安全性和唯一性。

c. 区块链为每个交易信息添加不能篡改的时间戳，以供将来使用。

d. 具有高端加密技术的区块链可以解决物联网的关键缺陷，即不一致的安全标准。

e. 区块链最重要的创新之一是数字协议或智能合约，区块链数据可以应用于物联网领域，来实现商业合约。

区块链架构

我们先利用 Ethereum（以太坊）作为基于 Blockchain 的 IoT 网络的内核架构。 以太坊是有“图灵完备”编程语言的平台，可使开发人员构建和发布下一代去中心化的应用程序。与兼容以太坊的好处是为将来与在以太坊平台上运行的众多智能合约之间的互操作打下基础。

首先，我们来了解以太坊中的状态定义。以太坊是一个基于帐户的区块链，由两个重要部分组成：

• 交易：表示状态转换函数

• 函数的结果可以存储

“归档/完整”节点利用 Google LevelDB 存储本地数据，存储区中包含所有区块对应的所有交易和交易结果。 这包括所有历史状态，即使那些不再有效或无价值的状态。 这允许客户端在过去的任何时间查询区块链的状态，而无需从头开始重新计算所有内容。由于这需要非常大量的磁盘存储，因为它不是严格必要的。理论上，区块链数据包含：

a. 链数据。 它是形成链的区块列表，意味着该数据存储在链上。 以太坊区块链中包含状态根，它存储区块生成时代表系统状态的哈希树的根哈希，通常称为状态根。

b. 状态数据。这是每个交易的状态转换的结果，它是存储在链下，即在每个完整/归档节点的硬盘驱动器上。 它通常被视为本地数据库。 它是一个 MerklePatricia 树 ，称为通用状态，包括存储在链接数据中的从帐户地址到状态根的映射，其中这些状态根源是从个人帐户余额，帐户随机数，合同代码和存储根源计算得出的。 请注意，存储根是 Merkle Patricia 树的根哈希值，树叶片通过当前的合同代码存储数据。

虽然需要所有链式数据来确保加密链管理，并且没有任何东西被篡改，旧的状态数据可以被丢弃（称为“修剪”）。 这是因为状态数据是隐式数据。 也就是说，它的价值仅从计算而不是从传达的实际信息中得知。 相比之下，链数据是显式的，并且存储即为区块链本身。

一个“轻”节点只存储链数据，准确地说只有表头被存储。 它通过从其他可用的“完整/归档”节点查找包含在链接数据中的状态根来查询区块链的当前状态。 此外，其他信息，如区块体，cost，bloom 同样从其它可用的完整节点中获取。 这样可以在 IoT传感器，智能手机和任何嵌入式设备等上面轻松实现以太坊区块链。请注意，在任何IoT 设备上实现的是轻型客户端节点，而非完整客户端。

开发工具和方法

A. 开发工具

a. 运行环境 - 以太坊虚拟机

b. 运行语言 - Golang/Nodejs/ Solidity

c. 命令行界面（CLI） - Geth

d. 平台 - Linux，Mac，Windows

e. 安装 - 二进制或脚本

B. 开发方法

a. 平台 - Windows 操作系统

b. 安装 CLI（命令行界面）Geth

c. 在以太坊上创建一个私有链/ Testnet

d. 通过“chocolatey”（Windows 的软件包管理器）安装 Solidity 编译器（SolC）

e. 在 geth 链接 SolC

f. 开发并执行样本合约

g. 制定物联网支持的供应链管理所需的合约

h. 编写合约代码并进行测试

i. 接受令牌与合约

j. 建立与 API 的接口

智能合约

智能合约将建立在基于区块链的 IoT 平台之上。智能合约验证货物交付，并自动执行供应链各方之间的令牌交换。智能合约不仅按照传统合同的方式定义协议中的规则和处罚，而且还自动执行这些义务。 与传统系统相比，这些智能合约，无疑更快，更便宜和更安全。

在供应链的情况中，智能合约是一种 BoL（提单），即一张通过托运人/货物概述产品从制造商（卖方）经过承运人根据特定条款和条件，到批发商（买方）的过程票据，智能合约自动实现合同的这些条款和条件，并且能够执行供应链物流里的令牌交换。

客户可见的商品信息

图6显示了在交货时顾客可获得的关于他所订购的肉类产品的信息模板样例。

产品信息可根据供利益相关方的需求获得

与用户可见的信息相类似，供应商或收货人也可能能够查看关于正在出售/购买的产品的一些信息。 图 7 显示了供应商销售的一批产品的信息模板。 供应商可以在运输过程中监控产品的当前位置和温度。

智能代理（传感器）更新操作实例

智能代理可以被激活并将相应传感器数据发送到区块链的可能事件/实例如下：

a. 承运人收到产品

b. 在过境中转时，产品入库和放在仓库中

c. 到目的地时

d. 将产品交给收货人

e. 当产品出售给零售

f. 当产品出售给最终用户

g. 在指定的时间间隔内

代币

如果分布式商业生态系统是有机体，那么区块链就是骨架，各种应用和服务是肌肉和器官。 然而，身体不能在没有血液循环的情况下工作。 因此，“令牌”对于区块链上的各方利益相关者/组件之间的任何价值转移至关重要。 它的价值取决于使用场景，可能的使用场景包括

a. 令牌可用于控制访问（相当于进入门票）

b. 在以太坊上创建一个令牌更加安全，由所有网络的矿工提供安全保障

c. 通过在以太坊创建令牌，将兼容任何在以太坊上运行的其他合同UCOT 令牌的生成

所有相关方，服务提供商都需要 UBI 来启动交易并执行一个智能合约 。智能合约的管理如下：

a. 管理账户

b. 监控和管理区块链的可扩展性问题

c. 冻结帐户

d. 监控代理的电源问题和校准传感器

使用型令牌（UBI）是 UCOT 生态中作为计量单位的令牌。 如果您想使用 UCOT 生态系统的服务，则需要通过 UCOT 的令牌（UBI）来执行。请注意，这些只是使用型令牌，

不会在系统本身内赋予持有人任何特定的权利或特权。令牌名称为 UBI。最小单位为10-9 ，称为“nUBI”。

开发方法与工具

a. 完成支付结构（即所有需要支付服务以及费用是多少？）

b. 创建令牌合约以生成所需数量的令牌。 该令牌将发给合约的创建人

c. 向所有利益相关者分配令牌（基于预定义的标准，比如谁获得什么）

d. 在以太坊区块链中设计和实施 UBI 和 nUBI 的使用。

e. 建立令牌与智能合约之间的接口

f. 建立令牌与 API 之间的接口管理问题：为了 UCOT 生态系统的安全性和效率，我们必须时刻监控一些问题，包括：

e. 账户管理。

f. 对区块链的可扩展性问题进行监控和管理

g. 检测并冻结有恶意活动的帐户

h. 监测智能代理的功率问题及传感器校准。

i. 管理供应链中产品生命周期的智能合同。

3. 服务层

我们通过后端数据库，前端 Web 界面和移动应用程序提供服务。 分布式数据库可以被用来管理供应链数据。同时，我们会进行用户帐户管理和数据访问控制，使得沿着供应链的数字信息以去信任的方式在所有参与者之间共享。

网站和移动设备上的应用程序通过用户界面为企业和用户提供服务。 这部分可以根据业务需要进行调整。 具体来说，服务层实现了分布式数据库，身份（ID）管理服务，区块链内容访问服务，令牌服务，数据请求服务，数据共享服务和跟踪服务等。

该层提供了两种具有不同类型访问的数据类型：

a. 公共数据存储：数据被完全记录在公共区块链中，例如用户的配置/要求

b. 共享区块链记录：数据属于特定的一组用户，不向其他用户开放。 需要特定的访问控制。

服务层包括了两种不同形式和来源的数据类型：

a. 物联网相关数据。有两种提供原始数据的设备：

1） 具有较弱计算/通信能力的轻设备上传的数据，例如之前提到的 NB-IoT 设备。数据会被自动收集并通过代理发送到区块链。这些设备不运行区块链应用程序。授权用户管理这些终端设备，终端设备的配置过程由另一个基于区块链的服务（设备管理服务）安全地记录下来。虽然数据需要在被记录在块链中之前通过额外的保护过程（加密和认证）进行处理和保护，但它为专门为功率较低的设备设计，更加灵活。

2） 由高性能终端设备上传的数据。这些设备能够运行的区块链程序，例如基于Wi-Fi 的树莓派。在这类设备中，数据被收集并直接以交易的形式发送。

3） 我们将开发独特的基于 ID 的标签/设备。 这种标签被附加到产品上，并将数据自动发送到区块链网络。 标签连接到产品后，附加的动作将触发自动记录，并将随机数分配给产品。 标签一旦剥离产品，跟踪记录即可结束，标签等待再次触发，直到下一次被附带。 跟踪记录记录在区块链网络中。

标签的 ID 在区块链网络中是永久的和唯一的，随机数用于每个跟踪过程。

（b）用户任意形式的数据。 用户可以访问系统并将数据上传到区块链。 数据与用户绑定。 数据形式更加灵活，并不局限于感应器数据。 数据可以是明文也可以是密文。

*数据可以以原始数据（加密或不加密）的形式直接记录，并可以以后转移到交易中，或直接记录在交易中。