智慧城市提供的服務越來越多，而其中適當收費的服務也逐漸增多。隨著城市物聯網基礎設施的不斷增加，當地企業自然而然地想要利用物聯網。在此發展過程中，人們期望可以使用合適的電子貨幣支付小額費用和小額購買，即進行小額支付。于是便出現了IOTA，這是一種基于分類賬（ledger）的技術，專為物聯網而設計，以實現小額支付。

分類帳系統有好幾種，其中最著名的是支持比特幣的區塊鏈技術。區塊鏈具有的一些基本特征，使它可以在物聯網環境中支持小額支付；但也有一些缺點，阻礙了它在物聯網生態系統中提供這個功能。

電子支付系統必須在安全性、個性化和便利性方面做得更好。而IOTA恰恰在這些方面具備優勢。與其它電子支付方式相比，它有三點主要優勢：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，它克服了當前區塊鏈設計的低效率，在去中心化的點對點解決方案中引入了一種新的共識方法。例如，這種方法允許使用該技術進行各種轉賬，而無需支付任何傭金，以支付各種生活開支，從停車費到洗車費，甚至支付一份三明治的費用。

IOTA由IOTA基金會提供，該基金會與意法半導體（STM）合作，將強大、持續且經濟的物聯網功能提升到了一個新高度。他們的合作范圍包括將IOTA Tangle集成到ST的32位MCU生態系統中。該解決方案將使具有IOTA功能的產品和服務易于集成，開發人員能夠輕松、快速地創建IoT解決方案并設計原型（如X-CUBE-IOTA1）。

什么是區塊鏈？

要了解IOTA和Tangle的創新性，需要回顧一下區塊鏈的工作原理。在區塊鏈網絡中，注冊會員被構造為包含交易（transactions）的區塊（block），多個區塊鏈接形成區塊鏈（blockchain），而區塊間的驗證則由公認的許可機制來完成。區塊鏈技術是這種網絡中的一個技術子集，其主要特征包括：注冊會員不可更改、透明、交易可追溯，以及密碼技術保證的安全性。

區塊鏈由一個接一個包含多個交易信息的區塊組成。所有交易的管理由節點來完成，由其負責查看、控制和批準交易。通過這種方式，一個包含所有交易的區塊所組成的網絡就形成了。

每個區塊同時保存所有交易及每筆交易的整個歷史記錄，這些信息只有在網絡節點批準的情況下才能被更改。因此，可以說數據幾乎是不可更改的（圖1）。

圖1：區塊鏈結構。其基本元素包括節點、交易、區塊、分類帳以及Hash。分類賬是一種公共注冊會員，它以最大的透明度和不可更改的方式，“標注”這些以有序方式或連續的方式進行的交易。Hash則是一種加密算法，用于唯一且安全地標識每個區塊。

IOTA技術

IOTA的創新基于Tangle，這是一種不同的方法，它使得在純物聯網和區塊鏈生態中擴展網絡成為可能。

這個想法最初是在一組黑客論壇中由一些年輕的計算機科學家提出。Dominik Schiener是背后支持這種IoT設計想法的科學家之一。該項目于2015年由David Sonstebo、Sergey Ivanglo、Serguei Popov和Schiener資助。在很短的時間內，它就達到了超過80億美元的資本價值。加密貨幣的實現通常麻煩而且復雜，但該項目卻采用一種輕量級的方法，使其適用于任何需要小額交易的場景。

區塊鏈保證了去中心化系統中的交易驗證，并確保了機器和人之間的數據傳輸與交換系統的安全性與自主性。IOTA沒有采用區塊鏈，而采用了基于有向無環圖（DAG，Direct Acyclic Graph）的數據結構“tangle”。它與區塊鏈沒有太大差別，但是它使系統可以擴展，而且更快速、甚至更安全。

DAG結構假定用戶與驗證者相同，DAG由許多頂點和節點組成，其中每個節點都從一個頂點指向另一個頂點，圖2為一個DAG結構示例。奇怪的是，采用Tangle，隨著創建的交易數量增加，性能也提高了。這其中重要的是，每筆交易的“權重”都為正整數（圖2）。

圖2：DAG布局示例。上圖中，方框/節點（如A、B）代表交易，每個方框角落的數字代表其權重，方框中心的數字代表累計權重。

上圖的主要目的是發出交易；同時用戶必須想法批準其它交易。發出交易的所有用戶都對網絡安全作出貢獻。為了使節點發出有效的交易，它必須解析類似于比特幣區塊鏈的加密算法。需要注意，IOTA網絡是異步的。

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，而且還大大簡化了通用協議（簽名與驗證）。IOTA使用Winternitz密碼簽名，其三元Hash函數為Curl。基于Hash的簽名就是基于所謂的“一次性簽名”（OTS）。顧名思義，單個密鑰對只能使用一次；否則，攻擊者可能會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符號（0、1和2），實現它的相關硬件電路必須能夠管理三種不同的電氣狀態。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trit對應于二進制邏輯中的一位。

IOTA與IoT

隨著聯網設備的不斷增長以及設備間互操作性的增強，IOTA和Tangle的可能應用將越來越多。尤其在工業4.0的復雜基礎設施中，因其獨有的特性，IOTA愈加引發人們的興趣。

IOTA基金會將與意法半導體合作開發一個軟件包，以實現將IOTA輕松集成到ST開發板上。

IOTA基金會合作伙伴管理總監Holger K?ther表示：“專用硬件在物聯網市場應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，因為可以增強IoT作為創新促進者的作用。”

X-CUBE-IOTA1擴展軟件包在STM32上運行，包含啟用IOTA功能的中間件。擴展包改善了不同STM32mic控制器的便攜性。該軟件還提供了在NUCLEO-F429ZI或NUCLEO-F746ZG開發板上使用IOTA中間件的實現實例，如圖3所示。

圖3： X-CUBE-IOTA1功能框圖

意法半導體系統研究與應用副總裁Alessandro Cremonesi表示：“通過X-CUBE-IOTA1擴展軟件包可以啟用STM32Cube軟件技術的IOTA功能，開發人員可以輕松地在其物聯網設備中添加IOTA特性和功能，從而利用STM32的開放式開發環境創建有價值的應用。”

除了意法半導體，博世（Bosch）也與IOTA合作，將用于物聯網的新數據采集設備集成到IOTA數據市場（IOTA Data Marketplace）中。博世將使用一系列開源軟件協議將其XDK開發套件與IOTA連接起來。

IOTA技術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、政府機構和大學已經開始探索將Tangle網絡用于諸如選舉系統、證書申請等服務的可能性。荷蘭小城哈勒姆市是第一個開始采用基于IOTA的方法管理法律文件的政府組織。

最近，IOTA基金會與國際運輸創新中心（ITIC）簽署了一項合作協議，共同創建針對“智能出行”（也稱為智慧出行）的測試系統或測試床。ITIC的目標是創建一個測試床網絡，它使用物理（真實）測試方法或基于虛擬和增強現實，能夠培育和驗證基于人工智能（AI）的可持續出行服務。

IOTA的Tangle架構作為一個基礎架構，被傳感器用來交換獲取的消息和數據。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境監測的機構的服務供應商。

IOTA的創建本質上是為了確保交易可以在沒有任何傭金的情況下進行。只有這樣，物聯網才允許新的發展，即使是在交易方面。