智慧城市提供的服務(wù)越來(lái)越多，其中可用于收費(fèi)的服務(wù)也逐漸增多。隨著城市物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎(chǔ)設(shè)施不斷擴(kuò)展，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)自然而然地也開(kāi)始加以利用。在這個(gè)發(fā)展過(guò)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(gòu)買(mǎi)，即進(jìn)行小額支付。于是便出現(xiàn)了IOTA，這是一種基于「分類(lèi)賬」(ledger)的技術(shù)，專(zhuān)為IoT而設(shè)計(jì)，可用于實(shí)現(xiàn)小額支付。

　　分類(lèi)賬系統(tǒng)有好幾種，其中最著名的是支持比特幣(Bitcoin)的區(qū)塊鏈(blockchain)技術(shù)。區(qū)塊鏈具有一些基本特征，使它可以在IoT環(huán)境中支持小額支付；但也有一些缺點(diǎn)，阻礙了它在IoT生態(tài)系統(tǒng)中的這項(xiàng)功能。

　　電子支付系統(tǒng)必須在安全性、個(gè)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(shì)。相較于其它電子支付方式，它有三項(xiàng)主要的優(yōu)勢(shì)：模塊化、去中心化且無(wú)交易稅問(wèn)題。

　　IOTA基于一種名為T(mén)angle的新型分布式分類(lèi)賬，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(duì)點(diǎn)解決方案中導(dǎo)入了一種新的共識(shí)方法。例如，這種方法允許使用該技術(shù)進(jìn)行支付生活開(kāi)支的各種轉(zhuǎn)賬，而無(wú)需支付任何手續(xù)費(fèi)，例如從停車(chē)費(fèi)到洗車(chē)費(fèi)或甚至是買(mǎi)一份三明治。

　　IOTA由IOTA基金會(huì)(IOTA Foundation)提供，該基金會(huì)與意法半導(dǎo)體(ST)合作，將強(qiáng)大、持續(xù)且經(jīng)濟(jì)的IoT功能提升到了一個(gè)新高度。他們的合作范圍包括將IOTA Tangle整合至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)易于整合，讓開(kāi)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(cè)會(huì)員被構(gòu)造為包含交易(transactions)的區(qū)塊(block)，多個(gè)區(qū)塊連結(jié)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(lái)完成。區(qū)塊鏈技術(shù)是這種網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)技術(shù)子集，其主要特征包括：注冊(cè)會(huì)員不可更改、透明、交易可追溯，以及密碼技術(shù)確保安全性。

　　區(qū)塊鏈由一個(gè)接一個(gè)包含多個(gè)交易信息的區(qū)塊組成。所有交易的管理由節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，由其負(fù)責(zé)查看、控制和批準(zhǔn)交易。透過(guò)這種方式，一個(gè)包含所有交易的區(qū)塊所組成的網(wǎng)絡(luò)就形成了。

　　每一個(gè)區(qū)塊同時(shí)保存所有交易及每筆交易的整個(gè)歷史記錄，這些信息只有在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核準(zhǔn)的情況下才能被更改。因此，可以說(shuō)數(shù)據(jù)幾乎是不可更改的(圖1)。

　　圖1：區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)。其基本元素包括節(jié)點(diǎn)、交易、區(qū)塊、分類(lèi)賬以及Hash。分類(lèi)賬是一種公共注冊(cè)會(huì)員，它以最大的透明度和不可更改的方式，「標(biāo)注」這些以有序或連續(xù)方式進(jìn)行的交易。Hash則是一種加密算法，用于唯一且安全地辨識(shí)每個(gè)區(qū)塊。

　　IOTA技術(shù)

　　IOTA的創(chuàng)新基于Tangle，這是一種不同的方法，使其得以在純IoT和區(qū)塊鏈生態(tài)中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

　　這個(gè)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。該專(zhuān)案于2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener資助。在很短的時(shí)間內(nèi)，它就達(dá)到了超過(guò)80億美元的資本價(jià)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(jí)的途徑，使其適用于任何需要小額交易的場(chǎng)景。

　　區(qū)塊鏈確保了去中心化系統(tǒng)中的交易驗(yàn)證，以及機(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并未采用區(qū)塊鏈，而是采用一種基于有向無(wú)環(huán)圖(DAG，Direct Acyclic Graph)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“tangle”。它與區(qū)塊鏈沒(méi)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(hù)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(gè)節(jié)點(diǎn)都從一個(gè)頂點(diǎn)指向另一個(gè)頂點(diǎn)，圖2為一個(gè)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」(weight)都是正整數(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(gè)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(shí)用戶(hù)必須設(shè)法批準(zhǔn)其它交易。發(fā)出交易的所有用戶(hù)都對(duì)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(lèi)似于比特幣區(qū)塊鏈的加密算法。值得注意的是，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(xiàn)(ECC)加密?；贖ash的簽名不僅比ECC快很多，而且還大大簡(jiǎn)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)稱(chēng)為Curl?；贖ash的簽名就是基于所謂的「一次性簽名」(OTS)。顧名思義，單個(gè)密鑰對(duì)只能使用一次；否則，攻擊者可能會(huì)泄露私鑰的更多部份并篡改簽名。

　　IOTA的三元邏輯使用了三個(gè)符號(hào)(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(lái)表示，一個(gè)trit對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制邏輯中的一位。

　　IOTA與IoT

　　隨著連網(wǎng)裝置的不斷成長(zhǎng)以及其間的互操作性增強(qiáng)，IOTA和Tangle的可能應(yīng)用將越來(lái)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(huì)將與意法半導(dǎo)體合作開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件包，以便輕松將IOTA整合到ST開(kāi)發(fā)板上。

　　IOTA基金會(huì)合作伙伴管理總監(jiān)Holger K?ther表示：「專(zhuān)用硬件在IoT市場(chǎng)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。這一擴(kuò)展促進(jìn)了不同STM32mic控制器的可移植性，軟件還提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG開(kāi)發(fā)板上使用IOTA中間件的建置實(shí)例，如圖3所示。

　　圖3：X-CUBE-IOTA1功能架構(gòu)圖

　　意法半導(dǎo)體系統(tǒng)研究與應(yīng)用副總裁Alessandro Cremonesi表示：「透過(guò)X-CUBE-IOTA1擴(kuò)展軟件啟用STM32Cube軟件技術(shù)的IOTA功能，開(kāi)發(fā)人員可以輕松地在其IoT裝置中添加IOTA特性和功能，從而利用STM32的開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境創(chuàng)建有價(jià)值的應(yīng)用。」

　　除了意法半導(dǎo)體，博世(Bosch)也與IOTA合作，將用于IoT的新數(shù)據(jù)采集裝置整合到IOTA數(shù)據(jù)市場(chǎng)(IOTA Data Marketplace)。博世將使用一系列開(kāi)源軟件協(xié)議將其XDK開(kāi)發(fā)工具包與IOTA串連起來(lái)。

　　IOTA技術(shù)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(jī)構(gòu)和大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始探索將Tangle網(wǎng)絡(luò)用于諸如選舉系統(tǒng)、證書(shū)申請(qǐng)等服務(wù)的可能性。荷蘭小城哈勒姆市(Haarlem)是第一個(gè)開(kāi)始采用基于IOTA的方法管理法律檔案的政府組織。

　　最近，IOTA基金會(huì)與國(guó)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(duì)「智慧出行」(intelligent mobility)的測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)試站。ITIC的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試床網(wǎng)絡(luò)，它使用實(shí)體(真實(shí))測(cè)試方法或基于虛擬和擴(kuò)增實(shí)境(AR)，能夠培育和驗(yàn)證基于人工智能(AI)的可持續(xù)行動(dòng)服務(wù)。

　　IOTA的Tangle架構(gòu)還可作為一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)，讓傳感器用于交換獲取的消息和數(shù)據(jù)。未來(lái)還可能在私人住宅中放置此類(lèi)傳感器，讓建筑物的所有者成為提供處理環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)的供貨商。

　　IOTA的創(chuàng)建本質(zhì)上在于確保交易可以在沒(méi)有任何服務(wù)費(fèi)用的情況下進(jìn)行。唯有如此，IoT才可能實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展，即使是在交易方面。