智慧城市提供的服務越來越多，其中可用于收費的服務也逐漸增多。隨著城市物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎設施不斷擴展，當?shù)仄髽I(yè)自然而然地也開始加以利用。在這個發(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用和小額購買，即進行小額支付。于是便出現(xiàn)了IOTA，這是一種基于「分類賬」(ledger)的技術(shù)，專為IoT而設計，可用于實現(xiàn)小額支付。
分類賬系統(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，阻礙了它在IoT生態(tài)系統(tǒng)中的這項功能。
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。相較于其它電子支付方式，它有三項主要的優(yōu)勢：模塊化、去中心化且無交易稅問題。
IOTA基于一種名為Tangle的新型分布式分類賬，克服了當前區(qū)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(shù)進行支付生活開支的各種轉(zhuǎn)賬，而無需支付任何手續(xù)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(xù)且經(jīng)濟的IoT功能提升到了一個新高度。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)品和服務易于整合，讓開發(fā)人員能夠輕松、快速地創(chuàng)建IoT解決方案并設計原型(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)塊連結(jié)形成區(qū)塊鏈(blockchain)，而區(qū)塊間的驗證則由公認的許可機制來完成。區(qū)塊鏈技術(shù)是這種網(wǎng)絡中的一個技術(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)確保安全性。
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)點來完成，由其負責查看、控制和批準交易。透過這種方式，一個包含所有交易的區(qū)塊所組成的網(wǎng)絡就形成了。
每一個區(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)絡節(jié)點核準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)塊鏈的結(jié)構(gòu)。其基本元素包括節(jié)點、交易、區(qū)塊、分類賬以及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，「標注」這些以有序或連續(xù)方式進行的交易。Hash則是一種加密算法，用于唯一且安全地辨識每個區(qū)塊。
IOTA技術(shù)
IOTA的創(chuàng)新基于Tangle，這是一種不同的方法，使其得以在純IoT和區(qū)塊鏈生態(tài)中擴展網(wǎng)絡。
這個想法最初是在一組黑客論壇中由一些年輕的計算機科學家提出。Dominik Schiener是背后支持這種IoT設計想法的科學家之一。該專案于2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener資助。在很短的時間內(nèi)，它就達到了超過80億美元的資本價值。加密貨幣的實現(xiàn)通常麻煩而且復雜，但該項目卻采用一種輕量級的途徑，使其適用于任何需要小額交易的場景。
區(qū)塊鏈確保了去中心化系統(tǒng)中的交易驗證，以及機器和人之間的數(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)可以擴展，而且更快速、甚至更安全。
DAG結(jié)構(gòu)假定用戶與驗證者相同，DAG由許多頂點和節(jié)點組成，其中每個節(jié)點都從一個頂點指向另一個頂點，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」(weight)都是正整數(shù)(圖2)。
圖2： DAG布局示例。上圖中，方框/節(jié)點(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)字代表累計權(quán)重。
上圖的主要目的是發(fā)出交易；同時用戶必須設法批準其它交易。發(fā)出交易的所有用戶都對網(wǎng)絡安全作出貢獻。為了使節(jié)點發(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。值得注意的是，IOTA網(wǎng)絡是異步的。
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(簽名與驗證)。IOTA使用Winternitz密碼簽名，其三元Hash函數(shù)稱為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份并篡改簽名。
IOTA的三元邏輯使用了三個符號(0、1和2)，實現(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對應于二進制邏輯中的一位。
IOTA與IoT
隨著連網(wǎng)裝置的不斷成長以及其間的互操作性增強，IOTA和Tangle的可能應用將越來越多。尤其在工業(yè)4.0的復雜基礎設施中，因其獨有的特性，IOTA愈加引發(fā)人們的興趣。
IOTA基金會將與意法半導體合作開發(fā)一個軟件包，以便輕松將IOTA整合到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IoT市場應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，因為可以增強IoT作為創(chuàng)新促進者的作用?！?/p>
X-CUBE-IOTA1擴展軟件包在STM32上運行，包含啟用IOTA功能的中間件。這一擴展促進了不同STM32mic控制器的可移植性，軟件還提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG開發(fā)板上使用IOTA中間件的建置實例，如圖3所示。
圖3：X-CUBE-IOTA1功能架構(gòu)圖
意法半導體系統(tǒng)研究與應用副總裁Alessandro Cremonesi表示：「透過X-CUBE-IOTA1擴展軟件啟用STM32Cube軟件技術(shù)的IOTA功能，開發(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的開放式開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建有價值的應用。」
除了意法半導體，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(IOTA Data Marketplace)。博世將使用一系列開源軟件協(xié)議將其XDK開發(fā)工具包與IOTA串連起來。
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、政府機構(gòu)和大學已經(jīng)開始探索將Tangle網(wǎng)絡用于諸如選舉系統(tǒng)、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基金會與國際運輸創(chuàng)新中心(ITIC)簽署了一項合作協(xié)議，共同創(chuàng)建針對「智慧出行」(intelligent mobility)的測試系統(tǒng)或測試站。ITIC的目標是創(chuàng)建一個測試床網(wǎng)絡，它使用實體(真實)測試方法或基于虛擬和擴增實境(AR)，能夠培育和驗證基于人工智能(AI)的可持續(xù)行動服務。
IOTA的Tangle架構(gòu)還可作為一個基礎架構(gòu)，讓傳感器用于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，讓建筑物的所有者成為提供處理環(huán)境監(jiān)測服務的供貨商。
IOTA的創(chuàng)建本質(zhì)上在于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(xiàn)新的發(fā)展，即使是在交易方面。