物联芯物联网芯片白皮书V21.docx
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物联芯物联网芯片白皮书V21.docx
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物联芯物联网芯片白皮书V21
物联芯白皮书
物联芯中国芯
基于区块链的物联网芯片解决方案V1.0
2018年1月
2018/1/13Saturday
1.摘要
本文主要介绍了物联芯的发展初衷、产品架构、技术特点、产品优势以及行业应用方向。
物联芯是一款采用区块链技术打造的物联网芯片,旨在提升物联网终端设备的安全,降低物联网终端的计算成本,打造统一的人工智能的支付标准,为当前盛行的物联网、共享经济进行技术支撑,使传统行业可以应用上区块链,将传统的智能设备的安全等级上升到一个新的高度。
区块链是采用分布式记账,通过去中心化的结构,建立一套安全可靠、技术可信的账本体系。
目前,区块链技术还是集中在以X86核心的PC架构为主,通过区块链技术,已经可以让数以万计的PC电脑享受分布式账本带来的安全、便捷的支付服务。
但对于物联网行业,众多的物联网终端设备,绝大部分没有采用任何区块链技术。
物联芯项目开发的初衷就是让传统物联网终端设备插上区块链技术的翅膀,享受到区块链带给物联网行业的福利。
物联芯是由深圳物联芯智能科技有限公司发起的项目,联合了国内外物联网行业、区块链行业的技术资源、资本、人脉资源,计划打造一颗完全由中国人研发的基于区块链的物联网芯片。
项目立项之初,咨询了国内外知名的专家、学者、企业家以及电子行业以及智能化行业人士。
我们认为,基于区块链的物联网芯片具有无穷的应用场景、广阔的发展空间。
因此,特制定此白皮书,希望招纳一帮志同道合的小伙伴,为这颗中国芯贡献力量!
2.概述
2.1.项目背景
物联网(loT),简单来说,物联网是让日常物品连接到互联网并且互相通讯,目的是让用户有更智能、高效的体验。
物联网让一切设备互联,包括可穿戴设备、家用电器、衣服鞋帽等等,所有一切都争先恐后想连到“云端”。
总体来看,我们将全面进入万物互联时代,物联网正逐渐改变我们的生活。
在未来,我们和电子设备之间的交互方式将会被颠覆,只要你想,就完全可以设计一个基于物联网的“智能家庭”。
物联网的发展速度非常迅猛,它让原本了无生机的物体通过“联网”获得强大的生命,使物体都具有学习能力,可以感知用户的行为并做出相应地调整,这正是物联网最大魅力所在。
图1.无处不在的物联网
根据工信部的数据,2014年我国物联网产业规模达到了6000亿元人民币,同比增长22.6%,2015年产业规模达到7500亿元人民币,同比增长29.3%。
预计到2020年,中国物联网的整体规模将超过1.8万亿元。
物联网作为通信行业新兴应用,在万物互联的大趋势下,市场规模将进一步扩大。
随着行业标准完善、技术不断进步、国家政策扶持,中国的物联网产业将延续良好的发展势头,为经济持续稳定增长提供新的动力。
移动互联向万物互联的扩展浪潮,将使我国创造出相比于互联网更大的市场空间和产业机遇。
图2.2011-2020年中国物联网整体规模及增长预测(亿元)
图3.全球物联网设备数量
2.2.传统物联网的痛点
2.2.1.安全
随着4G、5G以及NB-IoT的应用,物联网联网能力越来越强,各种RFID芯片、智能穿戴设备、各种传感器,必将形成一个万物互联的高度智能网络。
据统计,目前,全球物联网终端已经达达到数十亿台,这数十亿台物联网终端设备来自于众多的物联网终端生产商。
在追求高效率的情况下,以及相关电子信息行业缺乏高度的安全意识,导致这些物联网设备安全性很低,全球范围内出现了较多物联网安全问题,比如:
■2014年,芝加哥企业数据安全公司Trustwave成功入侵了一台由日本建材和住宅设备巨头骊住(Lixil)生产的机器马桶,能通过蓝牙连接操纵马桶盖的开启和关闭,甚至能让马桶向用户下身喷射水流。
■2014年,曾有10万多台联网设备被黑,包括冰箱、家用路由器和智能电视等,发送了大量的垃圾邮件。
■2017年6月,大量家用摄像头被黑,家里的任何动静都在网上实时直播,个人隐私安全遭受极大挑战。
图4.新闻报道摄像头安全事件
综上所述,当前的物联网终端安全性有待提高,具体问题表现在:
◆高度的中心化云端服务导致安全问题
大多数物联网终端数量都上十万,如此多的“用户”直接向云端请求和提交数据,安全和性能问题非常明显,主要体现在云端系统管理员私自伪造数据,黑客攻击云端伪造数据,黑客中途伪造数据等。
图4.云端通讯及安全模型
高度中心化云端服务导致稳定问题
高度中心化的云端服务系统,完全依赖于云端服务器稳定性、网络稳定性,终端服务很容易因为云端系统升级或维护而停止服务。
◆数据“裸奔”
由于大多数物联网芯片的计算能力较弱,很多终端设备之间的通讯均为“裸奔”状态,任何懂电子信息的技术人员只需要经过简单分析即可获取传输的数据内容,同时,可以中断信号,篡改信号甚至伪造信号,直接引起设备的安全问题。
图5.通讯安全模型
2.2.2.物联网成本问题
为支撑数以万计的物联网终端,相关运营厂商往往需要投入大量的云端架设成本,这样会导致两个明显问题:
■每个厂家都需要布置独立的云端系统(安全防护、负载均衡、数据存储等),成本投入高;
■不同厂家的云端资源无法共享,资源浪费巨大;
2.2.3.物联网支付问题
随着物联网的快速发展,支付领域不再仅限于人与人支付,将会更多涉及到人与物支付、物与物支付,因此,未来的无人设备、智能设备越来越多,目前基于第三方支付的中心化系统将是物联网支付的一大瓶颈,因此,多中心记账的支撑系统将为物联网提供支持,比如城域网支付、特定行业系统支付。
2.2.4.物联网标准
由于物联网终端厂家众多,大多数物联网终端电路、通讯均没有统一的标准。
且目前主流的通讯协议,也存在版本不同导致协议不兼容的问题,直接导致了很多终端设备无法进行多层次适配。
2.3.我们的目标
物联芯致力于打造一套基于区块链的物联网芯片的完整解决方案,通过芯片的开发、生产、普及运营,实现多方一体的区块链标准。
主要实现的内容包括:
图6.物联芯产品架构
物联芯重点需要解决物联网的安全、成本、支付以及标准的问题,具体体现在:
1.安全:
通过云端和物联网终端共同共识方式,达到物联网终端高安全要求。
2.成本:
通过各个终端厂商共同维护公共账本,降低单方面记账的稳定性和安全性问题,降低物联网云端成本。
3.支付:
通过去中心化或多中心化记账方式,实现智能设备行业几乎零成本支付,而且就近节点记账。
4.标准:
通过区块链协议级的应用,将通讯数据做成相应资产方式,并将具体通讯内容作为附加字段进行通讯,可实现多种终端的应用通讯标准。
3.产品架构
3.1.产品结构
为适应不同的商业应用场景需要,物联芯采用了三层架构:
1、由各晶圆组成的底层硬件电路层;2、由ARM及各通讯驱动组成的系统底层;3、通过基于ARM交叉编译的超级区块链共识层。
3.2.硬件层
物联芯采用的是16nm制程工艺,每个内核中都有三级缓存。
2个DDR3内存控制器分列两端边缘。
在处理器底部的是容量为512KB的二级缓存,其右侧上方的是两个加载存储单元(LSU)和1个条件寄存器单元(CRU),1个分支寄存器单元(BRU),以及1个指令拾取单元(IFU)。
每个内核都有64KB的L1指令缓存和64KB的L1数据缓存。
其他处理单元还包括指令调度单元(ISU)、整数单元(FXU)、十进制整数单元(DFU)等。
根据基于Linux内核驱动数据库,物联芯还将提供加密加速器,以支持AES加密算法和美国国家安全局(美国官方密码学组织)开发的SHA-2算法(哈希函数几乎应用在所有的代码和微代码领域)。
3.3.系统中间层
系统中间层,采用了ARM架构,ARM架构过去称作进阶精简指令集机器(AdvancedRISCMachine,更早称作:
AcornRISCMachine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。
由于节能的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。
物联芯采用了32位的超级区块链结构,采用交叉编译的方式以支持节点共识。
中间层提供的主要对外接口有:
TTL接口、I2C接口、IO、WIFI、BT、Zigbee接口,为底层母版提供丰富的接口方式。
注意:
由于ARM架构的存储空间有限,对于物联芯而言,不采用传统的全节点方式或观察节点方式,主要采用SPV(简单支付验证)。
SPV是“SimplifiedPaymentVerification”(简单支付验证)的缩写。
中本聪论文简要地提及了这一概念,指出:
不运行完全节点也可验证支付,用户只需要保存所有的blockheader就可以了。
用户虽然不能自己验证交易,但如果能够从区块链的某处找到相符的交易,他就可以知道网络已经认可了这笔交易,而且得到了网络的多少个确认。
SPV验证过程:
1.从网络上获取并保存最长链的所有blockheader至本地;
2.计算该交易的hash值tx_hash;
3.定位到包含该tx_hash所在的区块,验证blockheader是否包含在已知的最长链中;
4.从区块中获取构建merkletree所需的hash值;
5.根据这些hash值计算merkle_root_hash;
6.若计算结果与blockheader中的merkle_root_hash相等,则交易真实存在。
7.根据该blockheader所处的位置,确定该交易已经得到多少个确认。
SPV的优点:
极大地节省存储空间。
减轻终端用户的负担。
无论未来的交易量有多大,blockheader的大小始终不变,只有80字节。
当只保存blockheader时,每年新增的存储需求约为4兆字节,100年后累计的存储需求仅为400兆,即使用户使用的是最低端的设备,正常情况下也完全能够负载。
3.4.超级区块链层
◆SuperBlockChainProtocol:
超级区块链协议,采用XDR(ExternalDataRepresentation)外部数据表示法在OSI模型的表示层中传输。
XDR允许把数据包装在独立于介质的结构中使得数据可以在异构的计算机系统中传输。
◆Account:
账户权限模块,采用独立的账户体系Accounts、权重阙值Thresholds以及Signers或Multi-partysignature方式,实现对交易的控制。
◆DistributedLedgerServices:
分布式账本服务是超级区块链的核心,包括账本、共识、P2P以及事务、操作、资产、合约、历史几个部分。
➢账本:
账本由账本头和交易体组成。
账本头包括区块序号、区块HASH以及账本关闭时间、资产总量、费率、费率池以及交易数量和操作数量等内容。
交易体是交易实际内容,由交易HASH、交易双方信息及内容、交易摘要以及分页令牌和数字签名组成。
➢共识:
物联芯基于超级区块链,采用FBA共识机制,是第一个可证的安全共识机制,由斯坦福教授DavidMazières开发(Kademlia,基于UDP的重叠网络传输协议)。
共识机制同时拥有四大关键属性:
分散控制、灵活信任、低延迟、渐进安全。
MECHANISM
DECENTRALIZEDCONTROL
LOWLAENCY
FLEXIBLETRUST
ASYMPTOTICSECURITY
Proofofwork
√
Proofofstake
√
maybe
maybe
Byzantineagreement
√
√
√
Tendermint
√
√
√
FBA
√
√
√
√
➢
图8.主流共识算法对比
FBA是建立在联邦拜占庭协议(FederatedByzantineAgreement:
FBA)之上的成果,是一种新的共识方法。
FBA被设计
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