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区块链和物联网技术堆栈

闭上眼睛,想象一下未来物联网 — 你看到什么了?大多数人认为,在这个世界里,所有的设备都是相互连接的,可以无缝地相互交谈,并且“智能”放人足够让我们生活自动化,同时保持数据的私有性。不幸的是,今天物联网的景象与我们期待的未来远景相去甚远,而物联网行业的创新则相对停滞。使用传统的基于云的方法,我们成功地将所有内容连接到互联网,但在互操作性、自动化和数据隐私方面遇到了技术和操作上的障碍。克服这些障碍,充分挖掘物联网的潜力,需要一种新的分散化的方法:区块链技术。

区块链和物联网的交集在2018年迅速增长,目前仍在增强势头。这个新兴产业已经转变成一个充满活力的生态系统:公司致力于开发区块链解决方案,并集成于供应链、可再生能源、交通和其他物联网支持的产业。尽管将所有这些公司捆绑成“区块链&物联网”很简单,但它们实际上在范围/方法上有所不同,并且针对区块链和物联网技术堆栈的不同层次:

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· 物联网设备:连接设备的物理层,用于捕获数据并将其传输到区块链,使其在各种应用程序中可用。比如:Bosch· 连接性:能够将数据从物联网设备传输到区块链;物联网设备支持一种或多种类型的连接网络||。 比如:AT&T· 区块链平台:促进DApps构建和运行的环境——包括基础设施(计算,存储,网络资源),协议(共识,权限,其他网络规则)和服务(促进DApps的工具/模块)|| 示例:IoTeX· 分散式应用程序(DApps):基于区块链基础架构面向用户的软件,使用数据,用户输入和智能合约执行特定功能|| 例子:HAB在本文中我们深入探讨区块链和物联网技术堆栈的多个层次,并描述了这些层最终如何组合在一起形成端到端的物联网解决方案。物联网(IoT)设备联网的物联网设备作为物理世界和数字世界之间的桥梁,可以极大地扩展许多应用程序的范围和影响。而非物联网应用程序只处理来自用户生成的操作,即支持IoT的应用程序可以从物联网设备上推送/拉取数据,并将物联网设备作为网络中的节点运行。到2023年,预计将有1000亿物联网设备以数字方式记录我们这个世界的物理历史。物联网设备通常有一种或多种类型的传感器/跟踪器(如位置、温度、速度、光线、空气质量),这些传感器/跟踪器在特定时间点以数字方式记录人、资产或环境的物理质量。目前有数十亿的物联网设备用于各种目的数据收集,包括部署在难以触及区域的电池供电传感器,以及配备先进传感器(如陀螺仪、加速度计)的智能手机。除了它们捕获的数据类型之外,物联网设备还根据其计算/存储资源、连接性和功耗进行进一步区分:

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硬件和芯片设计的进步正在将AI/ML推向边缘,可信执行环境(trusted execution environment, TEE)正被更多的设备用于确保数据的完整性和保密性。区块链行业在物联网硬件方面也有雄心勃勃的计划——加密钱包被嵌入各种设备,路由器被用作挖掘,许多协议正在开发中,用于区块链驱动的m200万支付。随着物联网设备的智能化和安全性的提高,新的用户对设备和设备对设备的能力将会出现,智能设备将作为受信任的第三方自动化集成。

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连接性所有的物联网设备都内置支持一个或多个连接标准的芯片,这些标准具有不同的数据速率、范围、功耗水平和成本。连接是在设备之间传递信息的方式,连接支持边缘设备、网关和服务器的双向通信。每个物联网用例都是独一无二的,因此了解各种连接类型的特性和兼容性对于优化性能和最小化成本至关重要。例如,使用电池供电传感器的用例将优先考虑功耗而不是速度,而视频流用例将优先考虑速度而不是范围。以下概述了常见的连接性标准系列(注意:大多数标准都有多个变体):

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这些连接性标准在物联网解决方案中可以进行单独也可以进行集体使用。为了将数据采集和智能延伸到边缘,边缘设备的组合(使用BLE、LPWAN)通常与功能更强大的网关(使用WiFi、cell)配对。在确定合适的连接技术组合时,需要考虑许多权衡,例如带宽、功耗、范围和成本。我们在下面提供了一些示例实现:低带宽+低功耗+高范围目标:使用低功耗设备远距离发送少量数据示例:从沙漠中的远程传感器发送数据到最近的网关连接选项:LPWAN (LoRa, Sigfox, NB-IoT)高带宽+低功耗+低范围目标:使用低功耗设备在短距离内发送大量数据示例:将流数据从多个传感器发送到附近的网关连接选项:蓝牙或WiFi高带宽+高功耗+高范围目标:使用全功率设备远距离发送大量数据示例:当你在户外/没有WiFi的时候,用手机发送视频连接选项:蜂窝或卫星区块链平台在过去的几年里,区块链平台的数量和功能都有了巨大的增长。这种创新主要集中在基础平台层,因为需要有一个强大的基础来支持未来的应用程序。所有的区块链平台都是独一无二的,但是它们都有一个共同的目标,即通过提供更好的技术、用户体验或治理来吸引开发人员使用它们的平台。在深入研究之前,让我们先回顾一下——究竟什么是区块链平台,它们是如何区别的?在高层次上,平台使开发人员能够在相同的技术环境(如iOS / Android移动应用程序)中构建、部署和维护软件应用程序。云平台(如AWS)提供工具、服务和基础设施(如S3、EC2),降低了传统应用程序开发人员的进入壁垒。与传统应用程序不同,区块链驱动的DApp运行在分散式P2P网络上,所有节点通过维护可验证的分布式账本“达成一致”。在区块链协议中定义了网络达成一致意见和管理网络的其他规则。正如我们下面所解释的,区块链协议、基础设施资源和服务是区块链平台的核心组件。

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区块链平台的组件

· 基础设施是硬件和软件资源的集合,它们为运行DApp提供了基础。而不是建立和维护自己的区块链基础设施,即大多数DApp开发者利用区块链即服务(BaaS)来降低复杂性、成本和工作量。BaaS不仅提供计算和存储资源,还允许开发人员加入和参与现有的节点网络。大多数平台都有不同的基础结构元素来支持特定的计算属性(例如,、无状态、有状态、HPC)、存储和网络。·协议定义并编码控制区块链的规则系统。在设计协议时,需要考虑许多权衡,这些权衡会极大地影响安全性、可伸缩性和分散。主要的设计决策包括如何达成共识,如何处理事务(例如,排序,块高度),以及谁可以加入网络(例如,许可的vs.公开的)。一些协议还支持第二层架构(例如子链)和私有事务。这些协议设计选择和它们的实现方式是区块链平台的最大区别。· 服务是开发人员可以在其DApp中使用的可选工具。服务提高了区块链平台的可用性,并且可配置以满足各种DApp的特定需求。平台还可以集成第三方服务,并使其对开发人员可用。即使某个特定的服务是由平台提供的,如果它是DApp的核心组件,开发人员也可以选择自己构建它。区块链平台会预先做出设计决策,以适应特定目的的技术。例如,IoTeX是一个为物联网设计和优化的区块链平台。IoTeX的区块链设计目标是为物联网应用程序构建健壮而轻量级的协议定制,包括内部的rollo – dpos协商机制、隐私保护技术、主链+子链架构,以及对低功耗物联网设备的支持。

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分散的应用程序(DApp)由于潜在用例范围广泛,应用层将是区块链和物联网技术栈中最多样化的。与智能手机上的应用程序非常相似,区块链驱动的DApp是协调数据、用户输入和编程逻辑。除了独立的功能之外,DApp通常还配备了允许它们与其他应用程序交互和使用第三方服务的接口。DApp的另一个关键特性是使用代币(可以是它们自己的代币,也可以是平台的代币)来促进节点之间的价值交换,并管理加密货币经济动机。虽然DApp在设计和用途上各不相同,但一般都包含三个核心组件:用户界面(UI):前端设计(如移动、桌面),使用户能够与应用程序交互。可以创建不同的视图来可视化区块链上的数据,收集新的用户输入,或者向其他节点发送代币/数据。业务逻辑:可编程的智能合约在DApp中定义和执行业务规则,使区块链数据可用。例如,开发人员可以构建简单的智能合约来自动从物联网设备捕获数据。可以使用更复杂的智能合约对多方工作流进行编码和自动化。软件开发工具包(SDK):内置的工具和协议,使DApp能够与其他公共第三方应用程序和服务进行交互,而不是在内部构建。例如,使用映射数据的DApp可能有一个到谷歌映射的内置接口。区块链适用于许多用例,但它并不适合每种类型的用例。对于每一种技术,都需要考虑权衡。目前,区块链应用程序提供了高数据完整性,但传统应用程序更快、更便宜。随着区块链的成熟,运行DApp的速度和成本将赶上传统的应用程序。在此之前,将安全性和信任置于速度和成本之上的用例将是区块链的早期采用者。在IoTeX伙伴关系页面上可以找到正在进行中的区块链和IoT用例的例子,最优区块链用例的特征如下:

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区块链和物联网的未来路径区块链、物联网、连接性技术作为独立产业不断发展,但这三种技术的交叉可能更令人兴奋。并不是所有的物联网用例都适用于区块链,但是这些用例确实解决了当今一些最大的社会和企业问题。在消费者方面,区块链和IoT将提供数据隐私解决方案,并将数据所有权(和价值)从企业转移回消费者手中。在企业方面,区块链和物联网将在原本不受信任的各方之间建立信任,带来全新的参与模式和商业机会。随着这些技术的成熟,我们将开始看到更多的“致命用例”的机会,尤其是在物联网行业。我们现在正处于区块链可伸缩性、隐私性和互操作性方面重大技术突破的尖端。这些对基础层的增强将极大地改善DApp的用户体验,目前DApp由于可用性差而难以采用。最后将是设计加密货币经济激励结构,这种结构可以有效地将各个行业的消费者行为和商业模式编成法典。物联网的未来将是分散化的,其发展前途无可限量。

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