智慧城市提供的服務越來越多,其中可用於收費的服務也逐漸增多。隨著城市物聯網(IoT)基礎設施不斷擴展,當地企業自然而然地也開始加以利用。在這個發展過程中,人們期望可以使用合適的電子貨幣支付小額費用和小額購買,即進行小額支付。於是便出現了IOTA,這是一種基於「分類帳」(ledger)的技術,專為IoT而設計,可用於實現小額支付。

分類帳系統有好幾種,其中最著名的是支援比特幣(Bitcoin)的區塊鏈(blockchain)技術。區塊鏈具有一些基本特徵,使它可以在IoT環境中支援小額支付;但也有一些缺點,阻礙了它在IoT生態系統中的這項功能。

電子支付系統必須在安全性、個性化和便利性方面做得更好。而IOTA恰恰在這些方面具備優勢。相較於其它電子支付方式,它有三項主要的優勢:模組化、去中心化且無交易稅問題。

IOTA基於一種名為Tangle的新型分散式分類帳,克服了當前區塊鏈設計的低效率,在去中心化的點對點解決方案中導入了一種新的共識方法。例如,這種方法允許使用該技術進行支付生活開支的各種轉帳,而無需支付任何手續費,例如從停車費到洗車費或甚至是買一份三明治。

IOTA由IOTA基金會(IOTA Foundation)提供,該基金會與意法半導體(ST)合作,將強大、持續且經濟的IoT功能提升到了一個新高度。他們的合作範圍包括將IOTA Tangle整合至ST的32位元MCU生態系統中。該解決方案將使具有IOTA功能的產品和服務易於整合,讓開發人員能夠輕鬆、快速地創建IoT解決方案並設計原型(如X-CUBE-IOTA1)。

什麼是區塊鏈?

要瞭解IOTA和Tangle的創新性,需要回顧一下區塊鏈的工作原理。在區塊鏈網路中,註冊會員被構造為包含交易(transactions)的區塊(block),多個區塊連結形成區塊鏈(blockchain),而區塊間的驗證則由公認的許可機制來完成。區塊鏈技術是這種網路中的一個技術子集,其主要特徵包括:註冊會員不可更改、透明、交易可追溯,以及密碼技術確保安全性。

區塊鏈由一個接一個包含多個交易資訊的區塊組成。所有交易的管理由節點來完成,由其負責查看、控制和批准交易。透過這種方式,一個包含所有交易的區塊所組成的網路就形成了。

每一個區塊同時保存所有交易及每筆交易的整個歷史記錄,這些資訊只有在網路節點核准的情況下才能被更改。因此,可以說資料幾乎是不可更改的(圖1)。

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圖1:區塊鏈的結構。其基本元素包括節點、交易、區塊、分類帳以及Hash。分類帳是一種公共註冊會員,它以最大的透明度和不可更改的方式,「標注」這些以有序或連續方式進行的交易。Hash則是一種加密演算法,用於唯一且安全地辨識每個區塊。

IOTA技術

IOTA的創新基於Tangle,這是一種不同的方法,使其得以在純IoT和區塊鏈生態中擴展網路。

這個想法最初是在一組駭客論壇中由一些年輕的電腦科學家提出。Dominik Schiener是背後支持這種IoT設計想法的科學家之一。該專案於2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener資助。在很短的時間內,它就達到了超過80億美元的資本價值。加密貨幣的實現通常麻煩而且複雜,但該專案卻採用一種輕量級的途徑,使其適用於任何需要小額交易的場景。

區塊鏈確保了去中心化系統中的交易驗證,以及機器和人之間的資料傳輸與交換系統的安全性與自主性。IOTA並未採用區塊鏈,而是採用一種基於有向無環圖(DAG,Direct Acyclic Graph)的資料結構“tangle”。它與區塊鏈沒有太大差別,但是它使系統可以擴展,而且更快速、甚至更安全。

DAG結構假定使用者與驗證者相同,DAG由許多頂點和節點組成,其中每個節點都從一個頂點指向另一個頂點,圖2為一個DAG結構示例。奇怪的是,採用Tangle,隨著創建的交易數量增加,性能也提高了。這其中重要的是,每筆交易的「權重」(weight)都是正整數(圖2)。

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圖2: DAG佈局示例。上圖中,方框/節點(如A、B)代表交易,每個方框角落的數字代表其「權重」,方框中心的數字代表累計權重。

上圖的主要目的是發出交易;同時使用者必須設法批准其它交易。發出交易的所有使用者都對網路安全作出貢獻。為了使節點發出有效的交易,它必須解析類似於比特幣區塊鏈的加密演算法。值得注意的是,IOTA網路是非同步的。

IOTA使用基於Hash的簽名而不是橢圓曲線(ECC)加密。基於Hash的簽名不僅比ECC快很多,而且還大大簡化了通用協議(簽名與驗證)。IOTA使用Winternitz密碼簽名,其三元Hash函數稱為Curl。基於Hash的簽名就是基於所謂的「一次性簽名」(OTS)。顧名思義,單個金鑰對只能使用一次;否則,攻擊者可能會洩露私密金鑰的更多部份並篡改簽名。

IOTA的三元邏輯使用了三個符號(0、1和2),實現它的相關硬體電路必須能夠管理三種不同的電氣狀態。也可以採用更方便和有趣的變體,0、1和-1,這可以用trit來表示,一個trit對應於二進位邏輯中的一位元。

IOTA與IoT

隨著連網裝置的不斷成長以及其間的互通性增強,IOTA和Tangle的可能應用將越來越多。尤其在工業4.0的複雜基礎設施中,因其獨有的特性,IOTA愈加引發人們的興趣。

IOTA基金會將與意法半導體合作開發一個套裝軟體,以便輕鬆將IOTA整合到ST開發板上。

IOTA基金會合作夥伴管理總監Holger Köther表示:「專用硬體在IoT市場應用中起著不可或缺的作用,與ST這樣的夥伴合作是令人興奮的,因為可以增強IoT作為創新促進者的作用。」

X-CUBE-IOTA1擴展套裝軟體在STM32上運行,包含啟用IOTA功能的中介軟體。這一擴展促進了不同STM32mic控制器的可攜性,軟體還提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG開發板上使用IOTA中介軟體的建置實例,如圖3所示。

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圖3:X-CUBE-IOTA1功能架構圖

意法半導體系統研究與應用副總裁Alessandro Cremonesi表示:「透過X-CUBE-IOTA1擴展軟體啟用STM32Cube軟體技術的IOTA功能,開發人員可以輕鬆地在其IoT裝置中添加IOTA特性和功能,從而利用STM32的開放式開發環境創建有價值的應用。」

除了意法半導體,博世(Bosch)也與IOTA合作,將用於IoT的新資料獲取裝置整合到IOTA資料市場(IOTA Data Marketplace)。博世將使用一系列開源軟體協定將其XDK開發套件與IOTA串連起來。

IOTA技術的潛力也獲得了微軟(Microsoft)和思科(Cisco)等大型科技公司的青睞。一些公司、政府機構和大學已經開始探索將Tangle網路用於諸如選舉系統、證書申請等服務的可能性。荷蘭小城哈勒姆市(Haarlem)是第一個開始採用基於IOTA的方法管理法律檔案的政府組織。

最近,IOTA基金會與國際運輸創新中心(ITIC)簽署了一項合作協定,共同創建針對「智慧出行」(intelligent mobility)的測試系統或測試站。ITIC的目標是創建一個測試床網路,它使用實體(真實)測試方法或基於虛擬和擴增實境(AR),能夠培育和驗證基於人工智慧(AI)的可持續行動服務。

IOTA的Tangle架構還可作為一個基礎架構,讓感測器用於交換獲取的消息和資料。未來還可能在私人住宅中放置此類感測器,讓建築物的所有者成為提供處理環境監測服務的供應商。

IOTA的創建本質上在於確保交易可以在沒有任何服務費用的情況下進行。唯有如此,IoT才可能實現新的發展,即使是在交易方面。

(參考原文:How IOTA technology Will Transform IoT Design,by Maurizio Di Paolo Emilio)