区块链在嵌入式系统中的应用：保障物联网与边缘设备安全

（图源：MZ/stock.adobe.com；图片由AI生成）

大多数人听到区块链时，首先想到的往往是加密货币——比特币、以太坊、非同质化代币（NFT），以及交易屏幕上不断闪烁、如过山车般变化无常的行情。但剥离开这些喧嚣后，区块链实际上是一项稳定而又实用的技术：它是一种不可篡改的分布式账本，可以记录下真实信息，而无需依赖中心化的权威机构。事实证明，这项技术能为嵌入式系统领域带来巨大价值。

试想一下，我们正面对着物料清单（BOM）里的一众产品，包括运行实时操作系统（RTOS）内核的微控制器，以及无线传感器节点、工业控制器和各种智能设备。这些小家伙工作在网络边缘，内存小到以KB计，带宽也只够跟你打声招呼，然而我们还想让它们来验证用户身份、保护敏感数据、核查信息来源，甚至管理机器间交易……这对它们而言简直是苛求。

这时候，区块链就有用武之地了——不再是不明觉厉的追捧，而是一种实用工具。它是一种基于信任、透明和协作的框架，无需依赖单一服务器持续在线即可运作。那么，将分布式账本的原理引入嵌入式领域，会带来怎样的变革？让我们一探究竟。

通过区块链构建边缘信任

在现代科技中，嵌入式系统默默无闻地承担了大量工作。它们体积小巧、运行高效，而且遍布工厂车间、医院病房、家居自动化中心等各种场景，通过收集数据、做出决策，让世界运转不息。但随着它们扮演越来越多角色，背后的风险也与日俱增，毕竟我们如何才能信任它们报告的数据、接收的更新，甚至这些设备本身的身份？传统集中式安全模型正逐渐暴露出局限性，而区块链则提供了一种基于去中心化、密码学和透明度的全新方案。接下来，我们一起来探讨这项技术如何强化嵌入式设计的基础，同时解决困扰着嵌入式系统的典型难题。

增强设备身份验证

在嵌入式领域，身份验证历来都依赖预共享密钥、固件中硬编码的密码，或是通过中心化的服务器来授权访问。这些做法确实管用——直到不管用为止，因为一旦发生泄密，所有在用设备都将沦为攻击目标。

区块链颠覆了这种模式，它可以为每台设备分配加密身份，并将这些身份锚定到去中心化账本。设备无需再联系中心化设施，而是直接检查区块链就可以验明身份。例如，在智能工厂中，恶意传感器无法冒充可信设备，因为区块链账本不会说谎。

传统问题：物联网（IoT）传感器、微控制器、智能设备等嵌入式系统常年依赖预共享密钥或集中式认证服务器，容易受到泄密和难以扩展的困扰。

区块链方法：每台设备都基于公钥私钥对配置了加密身份，并将其登记到基于区块链的注册系统中。设备间通过核查区块链记录实现相互认证，而非依赖中心化设施。

保持数据完整性

嵌入式设备往往是物理世界中的电子耳目，但传感器日志容易遭到篡改。当涉及合规性或安全问题时，这种情况是不可容忍的。

通过对传感器数据进行哈希处理，并将其锚定到区块链上，设计人员就可以构建防篡改的审计追踪。无论原始数据存储在本地还是云端，其指纹都将永久受到保护。试想一下，如果疫苗冷冻柜以这种“哈希+上链”的方式记录温度数据，就可以证明这批疫苗的存储条件符合要求。

传统问题：传感器读数和日志在采集后可能遭到篡改，导致取证验证困难。

区块链方法：设备定期对数据进行哈希处理并提交至区块链，可以采用链上存储或链下锚定的方式。区块链可提供防篡改的审计追踪，并可结合默克尔树以提高效率，因为只需要将最终根节点存储在链上。

去中心化协同

设计人员以往的习惯是让物联网设备向中心节点或云服务器回传数据。但如果这些设备能够直接协调呢？

智能合约是许多区块链的可编程核心，它能让这一切都成为可能。电动汽车（EV）可以自动与充电桩协商充电计划和支付事宜；无人机编队无需等待中心化调度设施发布指令，就可以自主分配任务。这会带来怎样的结果？延迟降低、单点故障减少，以及系统韧性增强。

传统问题：嵌入式系统通常依赖集中式服务器进行协调，这会引入延迟和故障风险。

区块链方法：智能合约充当自主控制器。设备通过区块链事务直接触发操作。

可信固件更新

通过空中下载（OTA）更新系统是一把双刃剑。及时修补设备漏洞至关重要，但若攻击者劫持了更新通道，他们便掌控了整个设备群。

区块链通过将固件哈希值发布到账本，并要求设备在安装前先进行验证，从而提供了安全保障。以工业机器人为例，仅当固件哈希值与制造商批准的链上哈希值匹配时才会应用更新。这使得区块链成为可信代码的防篡改公告板。

传统问题：恶意行为者可向嵌入式系统推送未经授权的固件。

区块链方法：固件版本经过签名验证，其哈希值记录在区块链上。设备在安装更新前需通过区块链验证完整性。

供应链溯源

假冒元器件给嵌入式工程带来了经济和时间上的双重负担。它们潜入供应链，破坏系统可靠性，有时甚至危及安全。

通过区块链记录零件和交接信息，可建立溯源链。每批微控制器和每批PCB都附有记录在账本中的“出生证明”。从生产线到最终部署，每个环节都能验证真伪。一些国防承包商已在关键航空电子系统中试验这种方案，确保装进系统里的都是可信硅芯片。

传统问题：假冒的IC、传感器或PCB可以悄然流入到供应链中。

区块链方法：每批元器件在制造时就上链登记。从制造商到代理商、集成商，直至部署到设备中，都可以做到所有权和交接记录全程追踪，通过链上查询即可验证真伪。

机器间交易

嵌入式设备不仅消耗资源，更能生产并交换资源。太阳能传感器节点可以出售其数据流，智能电表也可以每消耗一度电就支付给邻居的太阳能电池板。

采用轻量级钱包或边缘网关的区块链技术可以实现机器间的微交易。设备无需依赖人工结算周期，就可以实时自动清偿债务。

传统问题：嵌入式设备虽能生成或消耗资源，但缺乏高效、可扩展的支付系统。

区块链方法：设备运行轻量级钱包或通过边缘网关进行通信，借助智能合约实现实时微支付。

智能权限控制

在医院、工厂和关键基础设施中，权限控制可谓事关重大。授予或撤销权限的中心化服务器是易受攻击的薄弱环节。

区块链可以将这些规则转化为智能合约：如果护士只在当班期间有权操作输液泵，账本将确保该策略正确执行；若技术人员的凭证被撤销，该变更将立即在全局范围内生效。设备无需等待中心化设施介入，即可执行策略。

传统问题：权限由集中式服务器管控，形成单点故障。

区块链方法：智能合约明确定义设备功能的访问与控制权限，任何变更都会立即同步到所有设备。

现实中的关键技术考量

从现实的角度来讲，大多数嵌入式设备都无法运行完整的区块链节点。它们的体积太小、功耗受限，而且要处理大量实时工作负载，并没有能力维护整个分布式账本。但这是完全可以接受的，因为轻量级客户端和边缘网关正是为填补这一空白而设计的。在典型的架构中，配备传感器的MCU器件和RTOS设备会在本地对数据进行签名，并通过轻量级协议［如消息队列遥测传输（MQTT）或开放平台通信统一架构（OPC-UA）］进行传输。边缘网关随后收集并批量处理这些记录，构建默克尔树，然后定期将生成的根哈希提交至区块链。智能合约则处理更高层次的逻辑。与此同时，链下存储系统承载着更庞大的数据负载，包括原始遥测数据、二进制文件和数据库，它们的完整性通过加密证明锚定至区块链。

由于嵌入式环境中能源和处理能力极为宝贵，必须谨慎选择共识机制。工作量证明机制的能耗巨大，通常并不适用，而权益证明、权威证明、实用拜占庭容错（pBFT）或基于有向无环图（DAG）的账本（如IOTA）等替代方案则更为实用。这些方案在维持分布式信任的同时，不会对低功耗硬件造成过重负担。

连接性同样是现实中的一大挑战，因为许多嵌入式系统都以间歇性方式或在远程环境中运行。一种可行的策略是在离线状态下将签名事务缓存到本地，并在恢复连接后进行同步。此举在没有持续网络连接的情况下也能确保连续性和安全性。

硬件限制进一步塑造了区块链嵌入式系统的设计。基于MCU构建的设备必须应对有限的CPU性能、有限的RAM以及有限的电池续航时间。工程师可通过硬件加密加速器［如高级加密标准（AES）或椭圆曲线密码学（ECC）协处理器］以及采用轻量级加密库（如Micro-ECC或WolfSSL）来缓解这些限制。

此类系统的实用架构往往结合了这些可以高效利用资源的硬件平台与轻量级区块链客户端（如IOTA客户端、以太坊轻客户端或Hyperledger Fabric SDK）。数据通信通常通过低带宽、低功耗的网络（如LoRa、Wi-Fi^®、NB-IoT或Zigbee）进行，并通过具备区块链感知能力的网关进行中转，这些网关承担着更复杂的加密和共识处理任务。

结语

信任是区块链技术应用于嵌入式系统的首要优势。这项技术使嵌入式系统能够证明自身身份、保护运行日志、保障OTA更新安全性、追溯数据和元器件的来源，甚至实现机器间商业交易，而无需依赖脆弱的集中式服务器。由此，这些小型设备在庞大、互联的生态系统中获得了惊人的自主能力。

通过在边缘端嵌入区块链原理，设计人员就可以用加密身份替代脆弱凭证，将原始传感器日志转化为防篡改的审计轨迹，并通过智能合约实现去中心化的设备协同。而权限控制本身也可以通过加密手段进行管控，无需依赖易受攻击的集中式服务。

我们构建的嵌入式设备虽小，却肩负着重任。区块链并不是万能解药，但它为现实世界提供了强大的信任基础、去中心化的架构和自动化机制，让嵌入式系统更安全、更自主、更具经济活力。