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IOTA技术将会如何改变物联网设计?

时间:2019-12-18 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
IOTA是基于一种名为Tangle的新的分布式分类帐,它克服了当前区块链设计的低效率,在去中心化的点对点解决方案中引入了一种新的共识方法。随着联网设备的不断增长以及设备间互操作性的增强,IOTA和Tangle的可能应用将越来越多。尤其在工业4.0的复杂基础设施中,因其独有的特性,IOTA愈加引发人们的兴趣。

智慧城市提供的服务越来越多,而其中适当收费的服务也逐渐增多。随着城市物联网基础设施的不断增加,当地企业自然而然地想要利用物联网。在此发展过程中,人们期望可以使用合适的电子货币支付小额费用和小额购买,即进行小额支付。于是便出现了IOTA,这是一种基于分类账(ledger)的技术,专为物联网而设计,以实现小额支付。NIOEETC-电子工程专辑

分类帐系统有好几种,其中最著名的是支持比特币的区块链技术。区块链具有的一些基本特征,使它可以在物联网环境中支持小额支付;但也有一些缺点,阻碍了它在物联网生态系统中提供这个功能。NIOEETC-电子工程专辑

电子支付系统必须在安全性、个性化和便利性方面做得更好。而IOTA恰恰在这些方面具备优势。与其它电子支付方式相比,它有三点主要优势:模块化、去中心化且无交易税问题。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA基于一种名为Tangle的新的分布式分类帐,它克服了当前区块链设计的低效率,在去中心化的点对点解决方案中引入了一种新的共识方法。例如,这种方法允许使用该技术进行各种转账,而无需支付任何佣金,以支付各种生活开支,从停车费到洗车费,甚至支付一份三明治的费用。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA由IOTA基金会提供,该基金会与意法半导体(STM)合作,将强大、持续且经济的物联网功能提升到了一个新高度。他们的合作范围包括将IOTA Tangle集成到ST的32位MCU生态系统中。该解决方案将使具有IOTA功能的产品和服务易于集成,开发人员能够轻松、快速地创建IoT解决方案并设计原型(如X-CUBE-IOTA1)。NIOEETC-电子工程专辑

什么是区块链?

要了解IOTA和Tangle的创新性,需要回顾一下区块链的工作原理。在区块链网络中,注册会员被构造为包含交易(transactions)的区块(block),多个区块链接形成区块链(blockchain),而区块间的验证则由公认的许可机制来完成。区块链技术是这种网络中的一个技术子集,其主要特征包括:注册会员不可更改、透明、交易可追溯,以及密码技术保证的安全性。NIOEETC-电子工程专辑

区块链由一个接一个包含多个交易信息的区块组成。所有交易的管理由节点来完成,由其负责查看、控制和批准交易。通过这种方式,一个包含所有交易的区块所组成的网络就形成了。NIOEETC-电子工程专辑

每个区块同时保存所有交易及每笔交易的整个历史记录,这些信息只有在网络节点批准的情况下才能被更改。因此,可以说数据几乎是不可更改的(图1)。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA19120901.jpg图1:区块链结构。其基本元素包括节点、交易、区块、分类帐以及Hash。分类账是一种公共注册会员,它以最大的透明度和不可更改的方式,“标注”这些以有序方式或连续的方式进行的交易。Hash则是一种加密算法,用于唯一且安全地标识每个区块。NIOEETC-电子工程专辑

Magazine191218.jpgNIOEETC-电子工程专辑

IOTA技术

IOTA的创新基于Tangle,这是一种不同的方法,它使得在纯物联网和区块链生态中扩展网络成为可能。NIOEETC-电子工程专辑

这个想法最初是在一组黑客论坛中由一些年轻的计算机科学家提出。Dominik Schiener是背后支持这种IoT设计想法的科学家之一。该项目于2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener资助。在很短的时间内,它就达到了超过80亿美元的资本价值。加密货币的实现通常麻烦而且复杂,但该项目却采用一种轻量级的方法,使其适用于任何需要小额交易的场景。NIOEETC-电子工程专辑

区块链保证了去中心化系统中的交易验证,并确保了机器和人之间的数据传输与交换系统的安全性与自主性。IOTA没有采用区块链,而采用了基于有向无环图(DAG,Direct Acyclic Graph)的数据结构“tangle”。它与区块链没有太大差别,但是它使系统可以扩展,而且更快速、甚至更安全。NIOEETC-电子工程专辑

DAG结构假定用户与验证者相同,DAG由许多顶点和节点组成,其中每个节点都从一个顶点指向另一个顶点,图2为一个DAG结构示例。奇怪的是,采用Tangle,随着创建的交易数量增加,性能也提高了。这其中重要的是,每笔交易的“权重”都为正整数(图2)。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA19120902.png图2:DAG布局示例。上图中,方框/节点(如A、B)代表交易,每个方框角落的数字代表其权重,方框中心的数字代表累计权重。NIOEETC-电子工程专辑

上图的主要目的是发出交易;同时用户必须想法批准其它交易。发出交易的所有用户都对网络安全作出贡献。为了使节点发出有效的交易,它必须解析类似于比特币区块链的加密算法。需要注意,IOTA网络是异步的。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA使用基于Hash的签名而不是椭圆曲线(ECC)加密。基于Hash的签名不仅比ECC快很多,而且还大大简化了通用协议(签名与验证)。IOTA使用Winternitz密码签名,其三元Hash函数为Curl。基于Hash的签名就是基于所谓的“一次性签名”(OTS)。顾名思义,单个密钥对只能使用一次;否则,攻击者可能会泄露私钥的更多部分并篡改签名。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA的三元逻辑使用了三个符号(0、1和2),实现它的相关硬件电路必须能够管理三种不同的电气状态。也可以采用更方便和有趣的变体,0、1和-1,这可以用trit来表示,一个trit对应于二进制逻辑中的一位。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA与IoT

随着联网设备的不断增长以及设备间互操作性的增强,IOTA和Tangle的可能应用将越来越多。尤其在工业4.0的复杂基础设施中,因其独有的特性,IOTA愈加引发人们的兴趣。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA基金会将与意法半导体合作开发一个软件包,以实现将IOTA轻松集成到ST开发板上。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA基金会合作伙伴管理总监Holger Köther表示:“专用硬件在物联网市场应用中起着不可或缺的作用,与ST这样的伙伴合作是令人兴奋的,因为可以增强IoT作为创新促进者的作用。”NIOEETC-电子工程专辑

X-CUBE-IOTA1扩展软件包在STM32上运行,包含启用IOTA功能的中间件。扩展包改善了不同STM32mic控制器的便携性。该软件还提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG开发板上使用IOTA中间件的实现实例,如图3所示。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA19120903.png图3: X-CUBE-IOTA1功能框图NIOEETC-电子工程专辑
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意法半导体系统研究与应用副总裁Alessandro Cremonesi表示:“通过X-CUBE-IOTA1扩展软件包可以启用STM32Cube软件技术的IOTA功能,开发人员可以轻松地在其物联网设备中添加IOTA特性和功能,从而利用STM32的开放式开发环境创建有价值的应用。”NIOEETC-电子工程专辑

除了意法半导体,博世(Bosch)也与IOTA合作,将用于物联网的新数据采集设备集成到IOTA数据市场(IOTA Data Marketplace)中。博世将使用一系列开源软件协议将其XDK开发套件与IOTA连接起来。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA技术的潜力也获得了微软和思科等大型科技公司的青睐。一些公司、政府机构和大学已经开始探索将Tangle网络用于诸如选举系统、证书申请等服务的可能性。荷兰小城哈勒姆市是第一个开始采用基于IOTA的方法管理法律文件的政府组织。NIOEETC-电子工程专辑

最近,IOTA基金会与国际运输创新中心(ITIC)签署了一项合作协议,共同创建针对“智能出行”(也称为智慧出行)的测试系统或测试床。ITIC的目标是创建一个测试床网络,它使用物理(真实)测试方法或基于虚拟和增强现实,能够培育和验证基于人工智能(AI)的可持续出行服务。NIOEETC-电子工程专辑
IOTA的Tangle架构作为一个基础架构,被传感器用来交换获取的消息和数据。未来还可能在私人住宅中放置此类传感器,在这种情况下,建筑物的所有者将成为处理环境监测的机构的服务供应商。NIOEETC-电子工程专辑

IOTA的创建本质上是为了确保交易可以在没有任何佣金的情况下进行。只有这样,物联网才允许新的发展,即使是在交易方面。NIOEETC-电子工程专辑

(参考原文:How IOTA technology Will Transform IoT Design ,by Maurizio Di Paolo Emilio)NIOEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanNIOEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 NIOEETC-电子工程专辑

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