智慧城市提供的服務(wù)越來越多,而其中適當(dāng)收費(fèi)的服務(wù)也逐漸增多。隨著城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷增加,當(dāng)?shù)仄髽I(yè)自然而然地想要利用物聯(lián)網(wǎng)。在此發(fā)展過程中,人們期望可以使用合適的電子貨幣支付小額費(fèi)用和小額購買,即進(jìn)行小額支付。于是便出現(xiàn)了IOTA,這是一種基于分類賬(ledger)的技術(shù),專為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)小額支付。
分類帳系統(tǒng)有好幾種,其中最著名的是支持比特幣的區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈具有的一些基本特征,使它可以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中支持小額支付;但也有一些缺點(diǎn),阻礙了它在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中提供這個功能。
電子支付系統(tǒng)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(yōu)勢。與其它電子支付方式相比,它有三點(diǎn)主要優(yōu)勢:模塊化、去中心化且無交易稅問題。
IOTA基于一種名為Tangle的新的分布式分類帳,它克服了當(dāng)前區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)的低效率,在去中心化的點(diǎn)對點(diǎn)解決方案中引入了一種新的共識方法。例如,這種方法允許使用該技術(shù)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)賬,而無需支付任何傭金,以支付各種生活開支,從停車費(fèi)到洗車費(fèi),甚至支付一份三明治的費(fèi)用。
IOTA由IOTA基金會提供,該基金會與意法半導(dǎo)體(STM)合作,將強(qiáng)大、持續(xù)且經(jīng)濟(jì)的物聯(lián)網(wǎng)功能提升到了一個新高度。他們的合作范圍包括將IOTA Tangle集成到ST的32位MCU生態(tài)系統(tǒng)中。該解決方案將使具有IOTA功能的產(chǎn)品和服務(wù)易于集成,開發(fā)人員能夠輕松、快速地創(chuàng)建IoT解決方案并設(shè)計(jì)原型(如X-CUBE-IOTA1)。
什么是區(qū)塊鏈?
要了解IOTA和Tangle的創(chuàng)新性,需要回顧一下區(qū)塊鏈的工作原理。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,注冊會員被構(gòu)造為包含交易(transactions)的區(qū)塊(block),多個區(qū)塊鏈接形成區(qū)塊鏈(blockchain),而區(qū)塊間的驗(yàn)證則由公認(rèn)的許可機(jī)制來完成。區(qū)塊鏈技術(shù)是這種網(wǎng)絡(luò)中的一個技術(shù)子集,其主要特征包括:注冊會員不可更改、透明、交易可追溯,以及密碼技術(shù)保證的安全性。
區(qū)塊鏈由一個接一個包含多個交易信息的區(qū)塊組成。所有交易的管理由節(jié)點(diǎn)來完成,由其負(fù)責(zé)查看、控制和批準(zhǔn)交易。通過這種方式,一個包含所有交易的區(qū)塊所組成的網(wǎng)絡(luò)就形成了。
每個區(qū)塊同時保存所有交易及每筆交易的整個歷史記錄,這些信息只有在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)批準(zhǔn)的情況下才能被更改。因此,可以說數(shù)據(jù)幾乎是不可更改的(圖1)。
圖1:區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)。其基本元素包括節(jié)點(diǎn)、交易、區(qū)塊、分類帳以及Hash。分類賬是一種公共注冊會員,它以最大的透明度和不可更改的方式,“標(biāo)注”這些以有序方式或連續(xù)的方式進(jìn)行的交易。Hash則是一種加密算法,用于唯一且安全地標(biāo)識每個區(qū)塊。
IOTA技術(shù)
IOTA的創(chuàng)新基于Tangle,這是一種不同的方法,它使得在純物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈生態(tài)中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)成為可能。
這個想法最初是在一組黑客論壇中由一些年輕的計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出。Dominik Schiener是背后支持這種IoT設(shè)計(jì)想法的科學(xué)家之一。該項(xiàng)目于2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener資助。在很短的時間內(nèi),它就達(dá)到了超過80億美元的資本價值。加密貨幣的實(shí)現(xiàn)通常麻煩而且復(fù)雜,但該項(xiàng)目卻采用一種輕量級的方法,使其適用于任何需要小額交易的場景。
區(qū)塊鏈保證了去中心化系統(tǒng)中的交易驗(yàn)證,并確保了機(jī)器和人之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換系統(tǒng)的安全性與自主性。IOTA沒有采用區(qū)塊鏈,而采用了基于有向無環(huán)圖(DAG,Direct Acyclic Graph)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“tangle”。它與區(qū)塊鏈沒有太大差別,但是它使系統(tǒng)可以擴(kuò)展,而且更快速、甚至更安全。
DAG結(jié)構(gòu)假定用戶與驗(yàn)證者相同,DAG由許多頂點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)組成,其中每個節(jié)點(diǎn)都從一個頂點(diǎn)指向另一個頂點(diǎn),圖2為一個DAG結(jié)構(gòu)示例。奇怪的是,采用Tangle,隨著創(chuàng)建的交易數(shù)量增加,性能也提高了。這其中重要的是,每筆交易的“權(quán)重”都為正整數(shù)(圖2)。
圖2:DAG布局示例。上圖中,方框/節(jié)點(diǎn)(如A、B)代表交易,每個方框角落的數(shù)字代表其權(quán)重,方框中心的數(shù)字代表累計(jì)權(quán)重。
上圖的主要目的是發(fā)出交易;同時用戶必須想法批準(zhǔn)其它交易。發(fā)出交易的所有用戶都對網(wǎng)絡(luò)安全作出貢獻(xiàn)。為了使節(jié)點(diǎn)發(fā)出有效的交易,它必須解析類似于比特幣區(qū)塊鏈的加密算法。需要注意,IOTA網(wǎng)絡(luò)是異步的。
IOTA使用基于Hash的簽名而不是橢圓曲線(ECC)加密?;贖ash的簽名不僅比ECC快很多,而且還大大簡化了通用協(xié)議(簽名與驗(yàn)證)。IOTA使用Winternitz密碼簽名,其三元Hash函數(shù)為Curl。基于Hash的簽名就是基于所謂的“一次性簽名”(OTS)。顧名思義,單個密鑰對只能使用一次;否則,攻擊者可能會泄露私鑰的更多部分并篡改簽名。
IOTA的三元邏輯使用了三個符號(0、1和2),實(shí)現(xiàn)它的相關(guān)硬件電路必須能夠管理三種不同的電氣狀態(tài)。也可以采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(yīng)于二進(jìn)制邏輯中的一位。
IOTA與IoT
隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷增長以及設(shè)備間互操作性的增強(qiáng),IOTA和Tangle的可能應(yīng)用將越來越多。尤其在工業(yè)4.0的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施中,因其獨(dú)有的特性,IOTA愈加引發(fā)人們的興趣。
IOTA基金會將與意法半導(dǎo)體合作開發(fā)一個軟件包,以實(shí)現(xiàn)將IOTA輕松集成到ST開發(fā)板上。
IOTA基金會合作伙伴管理總監(jiān)Holger K?ther表示:“專用硬件在物聯(lián)網(wǎng)市場應(yīng)用中起著不可或缺的作用,與ST這樣的伙伴合作是令人興奮的,因?yàn)榭梢栽鰪?qiáng)IoT作為創(chuàng)新促進(jìn)者的作用?!?/p>
X-CUBE-IOTA1擴(kuò)展軟件包在STM32上運(yùn)行,包含啟用IOTA功能的中間件。擴(kuò)展包改善了不同STM32mic控制器的便攜性。該軟件還提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG開發(fā)板上使用IOTA中間件的實(shí)現(xiàn)實(shí)例,如圖3所示。
圖3: X-CUBE-IOTA1功能框圖
意法半導(dǎo)體系統(tǒng)研究與應(yīng)用副總裁Alessandro Cremonesi表示:“通過X-CUBE-IOTA1擴(kuò)展軟件包可以啟用STM32Cube軟件技術(shù)的IOTA功能,開發(fā)人員可以輕松地在其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中添加IOTA特性和功能,從而利用STM32的開放式開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建有價值的應(yīng)用。”
除了意法半導(dǎo)體,博世(Bosch)也與IOTA合作,將用于物聯(lián)網(wǎng)的新數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成到IOTA數(shù)據(jù)市場(IOTA Data Marketplace)中。博世將使用一系列開源軟件協(xié)議將其XDK開發(fā)套件與IOTA連接起來。
IOTA技術(shù)的潛力也獲得了微軟和思科等大型科技公司的青睞。一些公司、政府機(jī)構(gòu)和大學(xué)已經(jīng)開始探索將Tangle網(wǎng)絡(luò)用于諸如選舉系統(tǒng)、證書申請等服務(wù)的可能性。荷蘭小城哈勒姆市是第一個開始采用基于IOTA的方法管理法律文件的政府組織。
最近,IOTA基金會與國際運(yùn)輸創(chuàng)新中心(ITIC)簽署了一項(xiàng)合作協(xié)議,共同創(chuàng)建針對“智能出行”(也稱為智慧出行)的測試系統(tǒng)或測試床。ITIC的目標(biāo)是創(chuàng)建一個測試床網(wǎng)絡(luò),它使用物理(真實(shí))測試方法或基于虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),能夠培育和驗(yàn)證基于人工智能(AI)的可持續(xù)出行服務(wù)。
IOTA的Tangle架構(gòu)作為一個基礎(chǔ)架構(gòu),被傳感器用來交換獲取的消息和數(shù)據(jù)。未來還可能在私人住宅中放置此類傳感器,在這種情況下,建筑物的所有者將成為處理環(huán)境監(jiān)測的機(jī)構(gòu)的服務(wù)供應(yīng)商。
IOTA的創(chuàng)建本質(zhì)上是為了確保交易可以在沒有任何傭金的情況下進(jìn)行。只有這樣,物聯(lián)網(wǎng)才允許新的發(fā)展,即使是在交易方面。
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