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B10 | IOTA项目介绍

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  • 2018-09-06
简介 IOTA(埃欧塔)项目是一个专门为物联网应用场景打造的分布式账本,采用改进后的DAG(有向无环图:「有向」指所有数据顺着同一方向存储;「无环」指数据结构间不构成循


IOTA(埃欧塔)项目是一个专门为物联网应用场景打造的分布式账本,采用改进后的DAG(有向无环图:「有向」指所有数据顺着同一方向存储;「无环」指数据结构间不构成循环)并提出 Tangle(缠结)数据结构以构建一个服务于物联网(IoT)的分布式账本,用来适应物联网的应用场景要求系统能够支持小额、极高频次、极低延迟、极低甚至无费用的交易的需求。在 DAG 的结构中,不存在作为第三方的矿工,所有的交易发起者都是验证者,所有的验证者也是交易的发起者。并且参与者越多,整个系统也会变得越安全和快速,确认时间会缩短,交易完成速度也越快。
 

IOTA特性

 

  • 可扩展性:IOTA 采用事务的并行验证机制以实现高吞吐量,不限制特定时间间隔内所确认的事务数量。

 

  • 权力平等:IOTA 没有矿工。每一位参与交易的网络参与者都积极参与交易的验证。因此,IOTA 比任何区块链去中心化程度更高。

 

  • 无交易费用:IOTA 没有交易费用。

 

  • 量子免疫:IOTA 利用称为 Curl-p 的下一代三元哈希函数,具有量子免疫的(Winternitz)特征。

 
 

技术创新

 

  • IOTA 的 DAG 模式的网络流转代码可并行运转多笔交易,不像传统的链式结构只有一条主链,这极大地提升了交易的认证速度。

  • IOTA 采用无共识的模式,每一个节点在提交新的交易的同时验证之前的交易,不仅免去了挖矿的过程,也意味实现了无交易费。

  • IOTA 对每一笔交易采用文格尼茨签名的方式进行认证,因此每一个节点没有固定的私钥,每一次交易的私钥都是新生成的。

  • IOTA使用的哈希函数名为Curl,是一个三进制算法,由 Keccak (SHA-3) 的发明者设计。Curl被设计用于IoT设备,是世界上第一个三进制哈希算法。使用三进制的原因是它是处理哈希最有效的方法,相应的电路功耗低,对于使用电池供电的设备,效率更高。

  

技术构架
 

● Common Data Model:贯穿整体业务始终的数据模型,这个模型是整个业务的核心,要保持SDK、cache、历史数据、查询引擎保持一致。对于用户数据分析来讲可以定义为“主-谓-宾”或者“对象-事件”这样的抽象模型来满足各种各样的查询。以大家熟悉的APP用户模型为例,用“主-谓-宾”模型描述就是“X用户 – 事件1 – A页面(2018/4/11 20:00) ”。当然,根据业务需求的不同,也可以使用“产品-事件”、“地点-时间”模型等等。模型本身也可以根据协议(例如 protobuf)来实现SDK端定义,中央存储的方式。此处核心是,从SDK到存储到处理是统一的一个Common Data Model。

Edge SDKs & Edge Servers:这是数据的采集端,不仅仅是过去的简单的SDK,在复杂的计算情况下,会赋予SDK更复杂的计算,在设备端就转化为形成统一的数据模型来进行传送。例如对于智能Wi-Fi采集的数据,从AC端就变为“X用户的MAC 地址-出现- A楼层(2018/4/11 18:00)”这种主-谓-宾结构,对于摄像头会通过Edge AI Server,转化成为“X的Face特征- 进入- A火车站(2018/4/11 20:00)”。也可以是上面提到的简单的APP或者页面级别的“X用户 – 事件1 – A页面(2018/4/11 20:00) ”,对于APP和H5页面来讲,没有计算工作量,只要求埋点格式即可。

● Real Time Data:实时数据缓存区,这部分是为了达到实时计算的目的,海量数据接收不可能海量实时入历史数据库,那样会出现建立索引延迟、历史数据碎片文件等问题。因此,有一个实时数据缓存区来存储最近几分钟或者几秒钟的数据。这块可以使用Kudu或者Hbase等组件来实现。这部分数据会通过Dumper来合并到历史数据当中。此处的数据模型和SDK端数据模型是保持一致的,都是Common Data Model,例如“主-谓-宾”模型。

● Historical Data:历史数据沉浸区,这部分是保存了大量的历史数据,为了实现Ad-hoc查询,将自动建立相关索引提高整体历史数据查询效率,从而实现秒级复杂查询百亿条数据的反馈。例如可以使用HDFS存储历史数据,此处的数据模型依然SDK端数据模型是保持一致的Common Data Model。

● Dumper:Dumper的主要工作就是把最近几秒或者几分钟的实时数据,根据汇聚规则、建立索引,存储到历史存储结构当中,可以使用map reduce、C、Scala来撰写,把相关的数据从Realtime Data区写入Historical Data区。

● Query Engine:查询引擎,提供统一的对外查询接口和协议(例如SQL JDBC),把Realtime Data和Historical Data合并到一起查询,从而实现对于数据实时的Ad-hoc查询。例如常见的计算引擎可以使用presto、impala、clickhouse等。

● Realtime model feedback:通过Edge computing技术,在边缘端有更多的交互可以做,可以通过在Realtime Data去设定规则来对Edge SDK端进行控制,例如,数据上传的频次降低、语音控制的迅速反馈,某些条件和规则的触发等等。简单的事件处理,将通过本地的IOT端完成,例如,嫌疑犯的识别现在已经有很多摄像头本身带有此功能。

IOTA大数据架构,主要有如下几个特点

去ETL化:ETL和相关开发一直是大数据处理的痛点,IOTA架构通过Common Data Model的设计,专注在某一个具体领域的数据计算,从而可以从SDK端开始计算,中央端只做采集、建立索引和查询,提高整体数据分析的效率。

● Ad-hoc即时查询:鉴于整体的计算流程机制,在手机端、智能IOT事件发生之时,就可以直接传送到云端进入real time data区,可以被前端的Query Engine来查询。此时用户可以使用各种各样的查询,直接查到前几秒发生的事件,而不用在等待ETL或者Streaming的数据研发和处理。

● 边缘计算(Edge-Computing):将过去统一到中央进行整体计算,分散到数据产生、存储和查询端,数据产生既符合Common Data Model。同时,也给与Realtime model feedback,让客户端传送数据的同时马上进行反馈,而不需要所有事件都要到中央端处理之后再进行下发。

挑战

 
1.由于 DAG 不需要矿工,34% 的算力可以成功发起双花,影响到系统的安全。目前 IOTA 整个网络仍不成熟,交易确认并不是完全利用的 Tangle 内在特性,而是利用了「协调器」(Coordinator)来完成。所谓的「协调器」是 IOTA 基金会部署的几个全节点,全节点会构建称之为 milestone 的零值交易,被其他全节点引用。它的主要作用是在网络初期用于临时性的网络保护,避免拥有高算力的攻击者发起大规模攻击。IOTA 网络的交易受「协调器」的影响较大, 且「协调器」的具体细节并未公开。因此,IOTA 网络当前存在着 「中心化」 的问题。
虽然 IOTA 基金会希望能够在 2018 年底之前取消协调器,但存在较多不确定因素。移除协调器的决定性条件是 IOTA 技术实现更大规模应用、网络上交易的吞吐量满足基本的安全设定。这一切仍需要依赖 IOTA 生态体系的不断完善,接入更多的节点、产生更多的交易。
 
2.IOTA 的各种加密方式以及 DAG 本身的流转过程还未经过大量数据的检验,也存在理论上的安全漏洞,这一点在 2017 年 9 月 7 日,麻省理工学院(MIT)就已经在博客和论文中进行了论证,之后针对这些安全漏洞,官方做出过代码更新,但是真正的代码安全性尚存相当的不确定性。
 
3.Curl 算法和三元逻辑。IOTA 使用了自己开发的哈希算法 Curl,主要用于 IOTA 转账的 PoW。但Neha Narula 和她在麻省理工学院的团队在 Medium 上发布了「Cryptographic vulnerabilities in IOTA」的文章表示:
https://medium.com/@neha/cryptographic-vulnerabilities-in-iota-9a6a9ddc4367,IOTA的哈希算法的审核还不够完善,Curl 算法的哈希值极易发生碰撞,可以利用这一漏洞伪造数字签名。

 

共识机制

 
在 IOTA 网络中,通过底层的 DAG,使得交易自身交叉验证,因此没有矿工,取消了交易费用,实现了每一个交易的发起者都是系统账本的验证者
在 IOTA 的整个缠结(Tangle)网络中,所有交易进程如下:

  • 绿色交易代表已经被网络以高确定性(high certainty)地确认。

  • 蓝色交易是部分确认,也就是确定性较低。

  • 灰色(以及下面的黄色)方框表示还没有任何人验证过的 tip 。

所有交易的方向就是成为绿色的交易,从灰色的交易到蓝色,最后成为绿色。
 
交易确认原则:任何一个新交易的发起和加入必须确认两个之前的交易。
 
新的交易
 
为了向 Tangle 中加入一笔新的交易,用户必须从网络中随机挑选出两个 tip,并对两个 tip 进行验证。
 
验证即检查 tip 的签名,就是所谓的 PoW,并确保所选的 tip 与之前的任何交易(无论是直接相关还是间接相关)都没有冲突。
 
如果所选的 tip 是合法的,用户就对其引用,也就是加入新的交易。


例如,用户 1 加入新的交易,用户 1 选择了 tip(w)和 tip(x)验证,他在更大的范围上验证了已经验证过的交易,即阴影部分覆盖的区域。
 
另外一笔新的交易


 
用户 2 在不同的位置加入新的交易。用户 2 选择了 tip(z)和 tip(y)。如此,他就验证了已经验证过的一部分交易(如上图阴影部分所示),即 a 到 k,m 到 n,加上额外的一些没有在交易 1 验证路径上的交易(l, o, r, t, v, y 和 z)。
 
新的 Tangle 状态


交易 1 和 2 的验证路径有重合之处,可以看到,有一些交易仅被确认一次,有些交易被确认两次。被当前所有 tip 验证和确认的交易就被认为是完全确认。因此,交易 n 进入 Tangle 更深一层,现在变成了绿色。
 
缠结(Tangle)网络确认方式的特性:

 

  • 用户不需要验证所有的交易。每个用户仅需要选择和验证两笔交易(间接验证了之前的交易)。因此,他们仅验证了 Tangle 的一部分。当其他用户选择并验证不同的 tip 和路径,完整 Tangle 的协同验证就实现了。

 

  • 一旦一笔交易在 Tangle 中进入网络深层,对于最新的 tip ,无论直接或是间接路径上它都存在。这样的交易就被认为得到完全确认,并且会被每一个新的交易再验证、再确认。因此可以认为它被所有用户(和机器)确认,确定性很高。

 

  • 接收者只需要检查交易是否被已有的所有 tip 直接或间接引用(或者通过一个确定比率,如果确定性更低的话,比如 80%,也可以接受)。这时候就不需要再验证或是其他类似操作了。

 

IOTA 合作情况
 

根据 IOTA 生态基金会网站介绍:https://ecosystem.iota.org/,围绕 IOTA 分布式账本技术(DLT)的创新正在加速发展。IOTA 项目在不断拓展自身生态,与众多企业达成合作,在此简单列举:

  1. IOTA 基金会被东京政府选中参加他们的加速器计划,这个加速器计划旨在帮助 IOTA 在日本发展,并与让 IOTA 和当地企业一起合作,为进入日本和全球市场提出创新型解决方案。

  2. 罗伯特·博世风险投资有限公司(RBVC)已经购买了大量的 IOTA 代币。

  3. 在 2018 年博世联网世界大会上,大众汽车宣布他们将与 IOTA 合作开发联网汽车的去中心化技术。大众集团首席数字官 (CDO) Johann Jungwirth 多次在公共场合阐述了 IOTA 技术在交通移动性领域的应用前景和领先地位,以及双方之间合作的潜力,并且加入了 IOTA 基金会的监事会。

  4. 2018 年 4 月 18 日,ElaadNL 发布了全球首个可以支付 IOTA 的充电站。 充电器是新 ElaadNL 测试场地的一部分。该测试场地位于 Arnhems Buiten 商业园区(原 KEMA 的场地),并包含了在荷兰公共区域使用的所有类型充电站。该充电站包括快速充电器、充电岛、电池、两个充电指示灯和 IOTA 支付设备。

Token 生态系统

 
IOTA 始于 2015 年初,项目在 bitcoin 论坛里发起了公开售卖https://bitcointalk.org/index.php?topic=1262688.0。公开售卖时募集了相当于1,337 个比特币的数字货币(接受 BTC 和 JINN tokens 两种代币)。
IOTA 的总发行量为 2,779,530,283,277,761,即 (3^33-1) / 2。
 
在公开售卖时,原计划的发行量是 999,999,999.999.999。后来按照 IOTA 使用的三进制法将总发行量设置为 (3^33-1) / 2。
 
因为公开售卖时的投资者是按照总发行量的等比例获取 IOTA ,也就是说如果当时一位参与者出资为总募集资金的5%,他就能获得 IOTA 总发行量的 5%,因此总发行量的更改对投资者来说没有币值上的影响。
 
创始团队没有预留锁仓部分,即使是早期开发者和创始人,也要通过参与公开售卖才能获得 Token。
团队在德国注册了非营利性「IOTA 基金会」,但因为没有从公开售卖获得代币,基金会没有运营经费,几位创始人请求社区捐赠 ,获得了占总量 5% 的 IOTA 以支持「IOTA 基金会」运作。

 

代币主要用途:

 
IOTA 的总供应量是固定的,也就是说不能通过「挖矿」生产 IOTA 。 即使在网络中履行了PoW ,也只是在交易已有的 IOTA,而不会产生新的 Token。因为 IOTA 的交易是免费的,代币不作为交易费用。Token 的主要用作为物联网系统中价值流转的载体。

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未完待续。。。


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