区块链是一个安全的、去中心化的、分布式的、有时间戳的数据结构，为金融、数据安全和隐私、农业、供应链管理、能源和医疗保健等各个领域的问题提供解决方案。区块链的名称来自它的架构——一条由块组成的链，每个块都使用加密哈希值与前一个块相连，用于验证每个块的数据完整性，并显著减少任何恶意操作引起的交易黑客攻击。块是一个数据结构，包含交易数据、时间戳和当前块及前一个块的哈希值，并允许将一组交易作为块收集和存储在分类账中。
交易由网络成员生成和交换，并根据区块链网络类型的不同，它们可能能够修改状态。区块链和物联网的人工智能融合为解决透明度和安全性不足、集中信息等各种问题提供了许多机会，如图2所示。
区块链
分类账是一种数据架构，可以存储多种类型的信息，包括区块链网络所有用户进行的所有历史交易，而每个用户都有一份分类账的副本。
区块链是一种分布式的追加式数据结构。区块链允许建立一个分布式的点对点（P2P）网络，非信任用户可以互相可验证地进行交互，无需中介实体。区块链基础设施可以被看作是一组相互连接的机制，如图3所示。
基础设施的底部是已签名的交易，这些交易被收集并存储在一个块中，这是区块链技术中最重要的机制之一。块通过在当前块中存储前一个块的唯一加密哈希值来连接。
连接到区块链网络的任何成员都被称为节点。那些在区块链中具有写入权限并验证规则的节点被称为完全节点。他们的角色是将交易分配和存储到块中，并确定交易是否有效并应该包含在区块链中。例如，Alice向Bob转账比特币，并尝试将同一比特币转账给Carol。网络的节点必须就哪些交易是有效的，并在区块链中保留这些交易，以确保没有腐败的分支和分歧。
这是共识机制/协议的目标，它可以根据区块链类型的不同而不同。工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）是最广泛使用的机制。其他共识机制包括拜占庭容错（BFT）及其变种、委托权益证明（DPoS）、幸运证明（PoL）、经过时间的证明（PoET）、联邦拜占庭协议（FBA）等。
工作量证明是一种分布式共识协议，需要解决复杂的计算过程，例如找到具有特定模式的哈希值，以防止任何人操纵系统并确保身份验证和可验证性。它用于加密货币的挖掘和验证新的交易。由于工作量证明，比特币和其他加密货币交易可以在没有中介机构的情况下安全处理。工作量证明需要大量的能源，随着越来越多的矿工进入网络，能源消耗只会上升。因此，许多区块链，如以太坊，正在逐步转向权益证明，因为它大大降低了能源消耗并提高了可扩展性。
权益证明是与工作量证明相比的一个替代共识机制，因为它在计算资源方面更有效，并降低了网络遭受攻击的风险，因为它以一种使攻击变得不那么有利可图的方式构建了补偿机制。
在基础架构的顶部是计算接口层，它允许区块链提供额外的功能。基本上，区块链存储一个状态，其中包含所有的历史交易，因此可以计算每个用户的余额。然而，对于更复杂的问题，我们必须存储通过分布式计算动态更新的高级状态，例如，一旦满足特定条件，状态就会从一个转变为另一个。这个需求催生了智能合约（SCs），它们使用区块链的节点来执行合约的条款。
治理层考虑了物理环境中的人类互动。因此，治理处理的是这些来自不同群体的参与者如何共同创造、维护或整合新方法，并改变构成区块链的输入。
智能合约被定义为“执行合约条款的计算机化交易协议”。它是由区块链网络支持的程序，用于执行或自动执行合约条款，提供交易中的额外安全性。智能合约代码存储在区块链网络上，并由唯一地址识别，成员只需向该地址发送交易即可与其进行操作。智能合约的有效执行由共识机制强制执行。
智能合约的快速发展在很大程度上促进了第二代区块链，也被称为区块链2.0。
区块链网络的分类
区块链网络可以根据对区块链数据的访问方式进行多种分类。在公共区块链（无需许可）中，任何人都可以作为新用户或节点矿工进入，并执行诸如交易或合约等操作。私有和联盟网络属于许可的区块链类型，其中一组允许的用户具有特定的特征和对网络操作的权限。私有区块链可以避免非常计算密集的PoW机制，并利用更广泛的基于惩罚的共识协议来减少Sybil攻击的风险。联盟区块链是公共和私有区块链之间的混合体。虽然可扩展性和隐私性与私有网络类似，但它们的主要区别在于一组节点可以验证交易，而私有网络中只有一个节点进行验证。表1显示了每个区块链网络在特性方面的关键特点。
公共
在公共（无需许可）区块链网络中，数据是公开的，所有成员都可以自由进入和离开系统。网络对所有用户开放，可以进行读取（或在文献中经常称为浏览）和写入（撰写）活动。在公共区块链中，成员可以将区块链代码下载到其框架中，根据自己的需求进行修改和使用。公共区块链的主要优点是去中心化和透明性，用户始终保持匿名。与联盟和私有区块链相比，公共区块链的交易时间更长。公共区块链需要至少51%的验证者共识，并使用复杂的算法来解决安全计算问题，这需要巨大的能源消耗，并且容易受到攻击，如果攻击者控制了51%的验证者。
联盟
许多组织，例如银行、行政机构和私有区块链组织提供多种类型的统一区块链。联盟区块链作为许可框架运作，所有用户都可以读取区块链上的信息。然而，只有少数经过授权和可信的用户可以写入区块链。联盟区块链网络比公共区块链更快、更轻，因为用户已经获得了预先认可的已知身份。通常，一个交易在1秒内获得批准，并且需要更少的能源。
私有
私有区块链也更快，因为它们使用已知身份和预先授权的组织成员，这导致了快速且少能源消耗的交易审批。私有区块链网络由一个组织监控，是一种许可框架，其中成员已经获得了读写任务的预先授权，并且始终在组织内部得到确认。私有网络上的交易批准时间通常不超过1秒。
下面我们提供了一种区块链网络技术分类的方法，除了传统的特性之外，还提供了额外的功能，例如对在区块链中共享的信息的拥有权和管理权的研究，我们研究了诸如状态是否应该被保存、存在多少验证节点以及它们是否可信等特性，以便根据具体问题选择适当的区块链技术。
一般来说，当不信任的多方希望进行交互并存储系统状态时，使用区块链技术是一个不错的选择。我们在图4中提供了一个流程图，以便在特定问题上促进决策过程，选择基于特定问题的区块链技术。我们考虑一个或多个写入系统状态的实体，即一个写入者对应于传统集中式数据库系统中具有写入访问权限的参与方，或者对应于区块链系统中的共识参与者。
如果没有存储数据的需求，区块链是无用的，常规数据库更适合。此外，如果只有一个验证节点（写入者），区块链不会提供额外的透明度，同时会降低性能和信息交换的速度。如果所有验证者都彼此信任，共享写入访问权限的集中式数据库是最佳选择。相反，如果他们彼此不信任，应使用权限区块链。
此外，区块链技术的选择取决于是否需要公共可验证性。如果每个人都能够读取状态，可以使用公共权限区块链。然而，如果读者群体可能需要受限制，最好选择私有权限区块链。如果验证节点集合是未知的，就像在加密货币中通常发生的那样，应采用无权限区块链网络。
区块链的特点
区块链技术在许多领域能够提供多种优势。主要特点包括：
去中心化：区块链通常是一个基于对等节点之间的点对点交互的去中心化和分布式框架，如图5所示。去中心化允许使用所有相关成员的处理能力，减少延迟并消除单点故障。
透明度：与集中式系统相比，区块链的一个主要优势是提供的增强信任和透明度，同时存储状态并为成员提供访问权限（取决于上述网络）。
不可变性：哈希函数是不可变的，并用于将当前区块与上一个区块连接起来，保持区块信息的完整性。改变区块的唯一方法是大多数用户同意该更改。
增强的安全性：使用公钥结合共识协议可以最大限度地减少攻击风险，从而增加网络的信任和安全性。与传统的集中式系统相比，缺乏可能对整个系统产生重大影响的单点故障，提供了增强的安全性。
匿名性：在公共网络的情况下，使用伪匿名身份保护用户的隐私，并提供透明且值得信赖的交易。
自治性：区块链极大地支持能够做出智能和自主决策的新设备的生产，例如自动驾驶汽车。
弱点和威胁
区块链技术很难被破坏，并且已经证明它可以处理各种类型的攻击，这归功于加密难题和共识机制。几乎不可能被黑客入侵。然而，区块链的继承安全特性使其对攻击具有弹性，但并非完全受保护。
51%攻击：这种攻击也称为多数攻击，是区块链技术中最普遍的威胁。当一群矿工控制了超过网络挖矿哈希率或计算能力的50%以上时，就会发生这种攻击，他们可以控制共识，阻止新交易得到确认，改变新交易的排序并修改区块链。此外，攻击者可以重写部分区块链并撤销已完成的交易，导致所谓的双重支付问题。矿池的快速增长（2014年GHash.io4临时达到比特币挖矿算力的51%）增加了这种攻击发生的可能性，从而可能危及比特币的完整性。
社会工程学：钓鱼是最常见的社会工程攻击，它通过使用虚假的电子邮件诱使受害者泄露私钥、登录凭据或个人信息。在钓鱼攻击中，系统没有漏洞，而是人的注意力不集中或易受欺骗，而攻击者则以可信任的实体出现在电子通信中。
软件漏洞：采用区块链的软件应用仍然容易受到许多错误和软件漏洞的影响，因此非常重要的是进行严格的测试和验证，包括渗透测试、代码审查和智能合约审计。
恶意软件：在区块链的背景下，恶意软件是一种利用上述系统中的漏洞的病毒，会导致性能问题并给计算机的资源提供无限制的访问权限。恶意软件是一种严重的威胁，根据应用程序的不同，可以是有害的挖矿程序、加密交易所黑客软件或任何能够关闭服务器或从网络用户那里窃取加密货币的代码。
拒绝服务（DoS）、中间人（MitM）或Sybil攻击也可能降低网络的运行。大多数点对点协议和物联网系统都容易受到这些类型的威胁，因为它们在很大程度上依赖通信。
资源浪费和可用性
维护区块链网络需要大量的电力。2014年，比特币挖矿所消耗的电力与爱尔兰的电力消耗相当。此外，通过更用户友好的应用程序编程接口（API）等方式提高区块链技术的可访问性，应该将其推广到除技术计算机科学以外的领域，从而有助于解决资源浪费的问题。
人工智能
人工智能是一种新兴技术，它允许机器利用大量由物联网传感器和设备创建的数据展示人类智能。这些数据用于训练模型以识别模式和异常，并进行准确的预测。通过使用自动决策能力和控制活动，如优化决策、管理仓库、减少停机时间等，设备优化运营并提供更多功能。利用基于人工智能的物联网身份验证，可以提供基于机器学习模型的增强安全解决方案。
人工智能是一种旨在深入理解和设计具有智能特征的系统，并改善决策的技术。其持续增长归功于人工智能的一个子领域，如机器学习、深度学习等，这些模型是根据大量未经处理的数据来寻找和学习关联的。深度学习（DL）模型已被广泛应用，并树立了新的标准，其中高质量的数字数据丰富，并且有强烈的经济动机来自动化预测任务。
物联网（IoT）
物联网是物理对象的网络，它们可以相互交互并与外部环境进行交互，同时实时共享大量数据，提供信息传输、分析、通信、独立和远程操作以及与其他系统的互动服务。
物联网通过利用传感器、可穿戴设备等连接设备来推动向始终连接的未来迈进，到2030年预计将达到5000亿个。
目前，物联网在许多领域中得到了应用，如图7所示。
人工智能和区块链的融合
提高数据安全性和完整性。区块链中包含的信息被认为是高度安全的，因此，人工智能算法可以获得可信赖的数据，并带来更可信的决策。
增强对机器人决策的信任。将AI系统的机器人决策过程记录在区块链上，可以使其对公众更加透明，从而获得他们的信任。
物联网与区块链整合
物联网技术可以优化自动化流程，并获取大量的数据。在过去的十年中，云计算帮助物联网提供了所需的功能，以分析信息并将其转化为实时操作和知识。尽管像云计算中使用的集中式架构极大地帮助了物联网的发展，它们的行为类似于黑匣子，网络成员不知道他们提供的信息将会被如何使用，也缺乏信任。
区块链技术能够推动物联网发展，提供一个可信赖的共享环境，其中信息可靠、透明且可追溯。安全性更加增强，因为数据源始终可以被识别，并且数据保持不变。通过这种方式，区块链的使用可以为物联网提供坚实和透明的信息。
然而，尽管区块链应用正在广泛传播，并渗透到更多的领域和行业，但仍有许多问题尚未解决。因此，区块链正在扩展并变得更加高效，但耐久性不够。
基于人工智能的物联网区块链
虽然区块链技术用于安全性，但存在许多问题，如网络规模、复杂性和交易成本。为了解决这些问题，人工智能和区块链的整合可以起到至关重要的作用。
整合可以产生一种强大的技术，可以解决与数十亿物联网设备产生的大量数据相关的许多物联网挑战，这些数据可以轻松由人工智能算法进行分析。区块链可以存储物联网设备的行动的不可变记录，并在分散的系统中提供和存储这些记录，从而实现自治操作。区块链网络能够使物联网基础设施更加安全和弹性。然而，由于计算资源的限制，区块链网络通常受到可扩展性问题和交易处理延迟的限制。
将人工智能与区块链整合可以使两种技术受益。对于人工智能来说，区块链可以提供解决方案来解决人工智能的许多问题，如透明度和可解释性，因为人工智能的工作方式类似于黑匣子。此外，区块链可以增强人工智能在数据共享方面的效果，从而允许更多的数据、增加训练数据量，并产生更高效和准确的算法。此外，通过智能合约实施人工智能可以降低风险，因为智能合约被编程为在满足条件时执行详细的操作。
对于区块链来说，人工智能能够为区块链的一些问题提供解决方案，例如共识协议。在PoW或PoS中采用人工智能可以使节点快速高效地验证交易。此外，人工智能可以解决区块链的可扩展性问题，并提高能源消耗效率，因为挖矿需要大量能源。
结论
总之，在物联网生态系统中，区块链与人工智能的融合具有巨大的变革潜力。区块链技术的安全和分散特性，以及人工智能分析和智能决策的能力，为点对点交互的透明度、安全性和信任打开了新的视野。通过解决数据完整性、缺乏透明度和集中式系统等挑战，这种强大的组合为各个领域提供了创新的解决方案。随着技术的不断发展和变得更加可访问，必须在充分利用其优势的同时，平衡其潜在的弱点和威胁。在物联网生态系统中充分利用区块链和人工智能的潜力无疑将推动进步，重塑行业，并为未来智能互联的未来做出贡献。