IOTA技术将如何改变物联网设计？

智慧城市提供的服务越来越多，其中可用于收费的服务也逐渐增多。随着城市物联网(IoT)基础设施不断扩展，当地企业自然而然地也开始加以利用。在这个发展过程中，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IoT而设计，可用于实现小额支付。

分类账系统有好几种，其中最著名的是支持比特币(Bitcoin)的区块链(blockchain)技术。区块链具有一些基本特征，使它可以在IoT环境中支持小额支付；但也有一些缺点，阻碍了它在IoT生态系统中的这项功能。

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。相较于其它电子支付方式，它有三项主要的优势：模块化、去中心化且无交易税问题。

IOTA基于一种名为Tangle的新型分布式分类账，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导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支付生活开支的各种转账，而无需支付任何手续费，例如从停车费到洗车费或甚至是买一份三明治。

IOTA由IOTA基金会(IOTA Foundation)提供，该基金会与意法半导体(ST)合作，将强大、持续且经济的IoT功能提升到了一个新高度。他们的合作范围包括将IOTA Tangle整合至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整合，让开发人员能够轻松、快速地创建IoT解决方案并设计原型(如X-CUBE-IOTA1)。

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)，多个区块连结形成区块链(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，以及密码技术确保安全性。

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。透过这种方式，一个包含所有交易的区块所组成的网络就形成了。

每一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核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)。

图1：区块链的结构。其基本元素包括节点、交易、区块、分类账以及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”这些以有序或连续方式进行的交易。Hash则是一种加密算法，用于唯一且安全地辨识每个区块。

IOTA技术

IOTA的创新基于Tangle，这是一种不同的方法，使其得以在纯IoT和区块链生态中扩展网络。

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。该专案于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途径，使其适用于任何需要小额交易的场景。

区块链确保了去中心化系统中的交易验证，以及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并未采用区块链，而是采用一种基于有向无环图(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。

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」(weight)都是正整数(图2)。

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。

上图的主要目的是发出交易；同时用户必须设法批准其它交易。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。值得注意的是，IOTA网络是异步的。

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函数称为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份并篡改签名。

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。

IOTA与IoT

随着连网装置的不断成长以及其间的互操作性增强，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。

IOTA基金会将与意法半导体合作开发一个软件包，以便轻松将IOTA整合到ST开发板上。

IOTA基金会合作伙伴管理总监Holger Köther表示：“专用硬件在IoT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。”

X-CUBE-IOTA1扩展软件包在STM32上运行，包含启用IOTA功能的中间件。这一扩展促进了不同STM32mic控制器的可移植性，软件还提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG开发板上使用IOTA中间件的建置实例，如图3所示。

图3：X-CUBE-IOTA1功能架构图

意法半导体系统研究与应用副总裁Alessandro Cremonesi表示：“透过X-CUBE-IOTA1扩展软件启用STM32Cube软件技术的IOTA功能，开发人员可以轻松地在其IoT装置中添加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。”

除了意法半导体，博世(Bosch)也与IOTA合作，将用于IoT的新数据采集装置整合到IOTA数据市场(IOTA Data Marketplace)。博世将使用一系列开源软件协议将其XDK开发工具包与IOTA串连起来。

IOTA技术的潜力也获得了微软(Microsoft)和思科(Cisco)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(Haarlem)是第一个开始采用基于IOTA的方法管理法律档案的政府组织。

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“智慧出行”(intelligent mobility)的测试系统或测试站。ITIC的目标是创建一个测试床网络，它使用实体(真实)测试方法或基于虚拟和扩增实境(AR)，能够培育和验证基于人工智能(AI)的可持续行动服务。

IOTA的Tangle架构还可作为一个基础架构，让传感器用于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，让建筑物的所有者成为提供处理环境监测服务的供货商。

IOTA的创建本质上在于确保交易可以在没有任何服务费用的情况下进行。唯有如此，IoT才可能实现新的发展，即使是在交易方面。

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