IOTA技术将会如何改变物联网设计？

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。”

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。

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。”

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。

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。

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。
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。

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。

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

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

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