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(gè)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)。與其它電子支付方式相比，它有三點(diǎn)主要優(yōu)勢(shì)：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(duì)點(diǎn)解決方案中引入了一種新的共識(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(huì)提供，該基金會(huì)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(gè)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(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(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)保證的安全性。

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(gè)包含所有交易的區(qū)塊所組成的網(wǎng)絡(luò)就形成了。

每個(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)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(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(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，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(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。該項(xiàng)目于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)的方法，使其適用于任何需要小額交易的場(chǎng)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(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”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(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)用戶必須想法批準(zhǔn)其它交易。發(fā)出交易的所有用戶都對(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。基于Hash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)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)泄露私鑰的更多部分并篡改簽名。

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(huì)將與意法半導(dǎo)體合作開發(fā)一個(gè)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(huì)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(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。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(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(chǎng)（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(qǐng)等服務(wù)的可能性。荷蘭小城哈勒姆市是第一個(gè)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(huì)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(duì)“智能出行”（也稱為智慧出行）的測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)試床。ITIC的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試床網(wǎng)絡(luò)，它使用物理（真實(shí)）測(cè)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(gè)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(cè)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。