PDF《增强边缘设备》

增强边缘设备 对分散型物联网的实用洞察

1 执行摘要 随着物联网的爆炸性扩展,非集中式网络有潜力降低制造商的基础架构和维护成本.

非集中化也通过消除传统集中式网络中存在的单点故障而使系统变得更加强健.通 过将网络的力量从中心转移到边缘,设备可获得更大的自主性,而且可成为拥有者和 用户之间的交易点和经济价值创造者. 为了验证基础技术愿景,IBM与三星电子联合开发了去中心化的点对点自主遥测 (ADEPT)概念证明法(PoC).这是IBM 2014年物联网调研的第二阶段. ADEPT PoC的主要目标是建立一个基础,用于展示对构建非集中式物联网至关重要 的多项能力.未来的许多商用系统将以集中/非集中混合模式存在,而ADEPT展示了 一种完全分布式的证明方法. 尽管许多商业化挑战仍然存在,但我们的PoC验证了实施非集中化物联网基础功能 以及在物联网交易和市场中实现设备自主权的可行性.ADEPT为电子行业提供了机 会,使其能够进一步探索潜在混合模式的挑战和机遇,从而利用这种模式应对持续 扩展的互联网所要求的复杂性和多样性. 检验设备民主的基础 私有和公共行业的企业都必须准备好在即将到来 的巨大物联网(IoT)中开展业务.物联网系列调研 的第一份报告《设备民主:拯救物联网的未来》 指出,在物联网不可避免地扩展到数千亿台设备 时,去集中化有助于应对成本、隐私和寿命方面 的挑战.1 这份后续报告介绍了我们如何通过三 个目标检验上述概念: ? 验证去集中化系统对增强当前的集中化解决方 案的未来愿景;

? 展示在不采用集中控制措施时物联网的基础 任务;

? 允许设备自主地参与市场事务.

2 通过与三星电子结成合作伙伴,并通过与开源社区协作,ADEPT成功地展示了采用 三星多功能产品实现的四个应用案例: ? 自主重新订购清洁剂的W9000 Samsung洗碗机(B2C) ? 自主重新订购维护配件的W9000 Samsung洗碗机(B2C) ? 自主商谈用电量的W9000 Samsung洗碗机(B2C) ? 自主显示广告内容的三星大格式显示屏(LFD)(B2B) 通过允许设备在市场 - 金融和非金融市场 - 上自主交互并且应对市场的变化,物 联网将创建一种 物联经济 .几乎每个设备和系统都有可能成为拥有者和用户之间 的交互点和经济价值创造者.这些能力对于实现共享经济、能源效率和分布式存储 等方方面面都至关重要. 随着我们进入数千亿台设备互联的时代, 混合物联网将不断演进, 而 边缘 将为中 心提供补充. 边缘的设备能力不断提高,可在物联网 中自主运行. 边缘将成为新的经济价值的前沿,从而 创造一种物联经济.

3 通知 拥有者 鉴别不可信的设备 支付 交换能源、带宽 和计算能力 共享分析数据 点对点消息收发 分布式文件共享 自主设备协调 图1. 在ADEPT PoC中,设备有权执行三项基本功能 三项基础功能 要在没有集中代理的情况下执行传统物联网解决方案的功能,任何非集中化方法都 必须支持三项基础功能(见图1): ? 点对点消息收发 ? 分布式文件共享 ? 自主设备协调 ADEPT PoC采用三种开源协议实施了这些功能:用于消息收发的Telehash、用于文 件共享的BitTorrent,以及用于实现自主设备协调功能的区块链协议Ethereum,这些 功能包括设备注册、认证、基于接近度和基于一致意见的交互规则、合约与检查表.

4 点对点消息收发 业界对点对点网络产生了巨大的兴趣,因为这些网络为分布式计算提供管理良好的平 台.如今,这种网络支持大量的特性,包括附近对等网络的选择、冗余存储、高效数 据搜索/定位、数据永久保留或保障、分层命名、信任和认证,以及匿名访问.2 对等网络可共享计算资源,而不依赖中心云或服务器,从而优化资源利用率,降低与 中心服务订阅相关的成本.具有不同能力和资源的对等网络可进一步增强系统的整体 稳定性和性能,而不依赖第三方. 非集中化物联网中的点对点消息收发必须支持: ? 不可信、加密消息收发与传输 ? 保障交付的低延时 ? 通过 连跳 将消息转发给其他互连设备 分布式散列表(DHT)可满足这些消息收发要求,使各对等网络能够使用散列表并通过 DHT中存储的成对(密钥、 值)搜索网络中的其他对等网络.3 每个设备可以生成自己唯 一的基于公共密钥的地址(散列元素值), 从而能够和其他终端进行加密消息的收发. 对于ADEPT来说,在考虑的多种消息协议中,新出现的开源消息协议Telehash最符 合我们对点对点消息收发提出的目标.Telehash是Kademlia协议的开源DHT实施方 式.4 我们对协议的选择基于其目前的能力,以及我们在PoC中实施协议的能力.在 我们的非集中化物联网演示中,Telehash主要用于在设备之间发送通知,而不使用中 央服务器. 非集中化物联网中的点对点消息 收发必须支持:不可信、加密消 息和传输;

保障交付的低延时;

存储消息并通过 连跳 将消息 转发给其他互连设备.

5 自主设备协调框架 检查表 认证 注册 合同 ? 协议 ? 付款 ? 易货 交流规则 ? 基于接近性的规则 (物理、社交和时间) ? 基于一致意见的规则 (选择、验证和黑名单) 图2. 自主设备协调框架允许设备间的交易,包括从简单的注 册到复杂的检查表 分布式文件共享 在非集中化物联网中,分布式文件共享提供了文件分发,例如传播软件/固件更新, 传输设备分析报告和大量文件的媒体内容.这种分布式文件共享也可采用DHT通 过分布式点对点网络而安全地实现.BitTorrent是为ADEPT文件共享而选择的著名 DHT文件共享协议.在我们的非集中化IoT演示中,BitTorrent主要用于内容分发,而 不使用中央服务器. 自主设备协调 由于不需要第三方角色和权限裁决人,自主设备协调方法使设备拥有者能够定义并 管理自己的交互活动.简单的设备协调功能包括注册和认证.更复杂的交互要求拥有 者或用户定义交流规则.这些规则可能基于接近性(物理、社交或时间)、基于一致意 见(选择、验证或黑名单),或者由其他设备的刺激而触发. 另一种设备协调形式是合同 - 关于行动或控制的简单协议,即更复杂的金融合同, 涉及到付款或易货合同,允许设备通过交换资源获得服务.数字检查表允许设备进 行自身维护,目的是预防故障. 为了在我们的PoC中的设备网络间实施这种自主设备协调,我们选择了区块链技术平 台(见图2).5

6 构建基于区块链的物联网 区块链 - 非集中化金融系统的基础技术平台. 比特币 - 是网络参与者共享的长交易分类账. 区块链的完整副本保留网络中完成的每个交易的记录.每个区块链参与者可维护自己 的分类账副本,但存储的数据量根据能力、需求和偏好的不同而有所差异.分类账中 的每个区块包含上一个区块的 散列 . 这使得区块能够追溯到第一个( 起源 )区块.从计算角度讲,一旦创建之后,修改 区块极为困难,而且不现实,尤其是后续区块链条已经生成.较短链条中的区块自动 由较长的链条替换 - 所有参与者都采用尽可能最长的链条. 将区块链概念应用于物联网世界提供了多种可能性.一旦产品完成最终组装,产品就 可由制造商注册到通用的区块链中, 表示产品寿命的开始. 一旦售出后, 经销商或最终 客户可以将产品注册到地区的区块链中(社区、城市或州).在注册后, 产品在整个生命 周期内在区块链中始终作为唯一的实体. 在区块链中维护产品信息、 历史、 产品修订、 保修细节和寿命终结信息的可能性意味着区块链本身可成为可信的产品数据库. 例如,设想这样一个世界:智能设备能够检测组件故障,检查区块链中的保修状态, 向签约的服务提供商下服务订单,并且让服务提供商独立地验证保修申请 - 同样从 区块链中获取信息,这些全都自主实现.在这样的世界中,我们将重新设计并简化主 数据管理系统、售后系统及订单处理与管理的方式. 将区块链概念应用于物联网创造 了多种可能性,包括维护产品信 息、历史、产品修改、保修细节和 产品寿命终结, 这样, 区块链本身 可能成为可信的产品数据库.

7 注册新设备 验证远程用户 与其他设备交 换能力 通过运行检查表 保证汽车安全 通用数字分类账 图3 区块链作为多项物联网交易的分布式交易分类账 基于区块链的非集中化物联网可成为设备间交易处理的真正革命性的方法(见图3). 需要注意的是,旨在限制货币流通的比特币在区块链挖掘过程中的难度越来越大,然而,在我们的物联网区块链愿景中,这种限制并不是必要的.对于基于区块链的物联 网的ADEPT实施,我们选择了Ethereum协议的初始版本.6 Ethereum改进了比特 币的传统区块链方法、其引入的Turing完整脚本语言和约束性合同的创建能力,这些 对我们的PoC极具吸引力.

8 交易验证 设备级分析 自主设备协调框架 区块链 消息 文件传输 相关对等列表 市场管理与分析工具 对等交易所 标准对等设备 轻对等设备 图4. 在从轻对等设备向标准对等设备、对等交易所转变的过程中,设备能力日益增强 三种设备类型 在物联网中,设备的计算能力、网络能力、存储空间千差万别,无论是交流电还是电 池驱动,也无论是固定还是移动形式.设备是整个生态系统的一部分,需要不同级别 的信任度.由于同等设备间发生的交易日益增多,设备间的信任度也不断演变.不信 任的对等设备间的交互可能逐渐变成半信任或者完全信任的关系. 因此,设备间需要的交易验证范围取决于多种因素:设备类型、交互性质、设备间关 系的类型,以及设备拥有者对设备在具体情况下能做什么和不能做什么的限制.根据 这些考虑.我们确定了设备的三个总体分类,并且定义了每类设备的非集中化物联网 能力(见图4).

9 物联网中的不同设备支持不同等级的ADEPT功能,这取决于设备的性能和存储能 力.最低级的是轻对等设备:这些设备如可穿戴设备和灯具开关,执行基础的物联网 功能,例如消息收发.最高等级是服务器或云环境中的对等交易所,可实现更复杂的 市场交易,例如对等设备服务. 由于这些设备成为非集中化网络的对等设备,每个设备都能通过可认可的方式作为 对等设备,保留与不同对等设备关系的信息,并且明确地识别采用不同协议的对等设 备.这些行为通过安全对等设备清单的方式实现. 轻对等设备 轻对等设备是指具有低内存和低存储能力的设备,例如支持轻应用的传感器和设备. 目前,轻对等设备的代表包括Raspberry Pi、Beaglebone和Arduino板. 轻对等设备执行消息收发,保留包含其区块链地址和余额的轻钱包,并且执行最基 本的数据共享:例如,根据业务或功能需求,接收固件更新,或者向另一个对等设备 发送交易汇总文件.要获取区块链交易,轻对等设备将变为可信对等设备. 基于能力不同, 边缘的设备在非集 中化物联网中执行不同的角色.

10 标准对等设备 据我们预计,在未来几年中,大多数产品的处理能力和存储能力会随着通用计算组件 的成本下降而增加.对制造商和最终消费者来说,更高的计算能力和存储容量的递增 成本也非常高. 例如,未来的洗碗机和冰箱将配备更高的存储和处理能力,从而能够满足指定时间段 内的区块链要求 - 不仅包括区块链本身,也包括可信环境中的轻对等设备.这些产 品预计在未来几年内会成为标准. 从核心来讲,标准对等设备非常类似轻对等设备,但根据其能力,它一直作为区块链 的一部分.这可能包括其自身最近的交易,而且包括生态系统中与其签约的其他更轻 的设备的交易.标准对等设备也可以支持轻对等设备执行文件传输.这些设备有能 力存储并转发消息,并且对其自身和对等设备执行轻型分析. 对等交易所 对等交易所是具有巨大计算和存储能力的高端设备.在非集中化物联网中,它们也是 由组织或商业实体拥有并运行的对等设备,并且能够托管市场.对等交易所支持分析 解决方案、支付交易所、欺诈监测、交易和法律合规套装以及供需匹配解决方案等市 场组件,并为支持和与其他业务解决方案互操作提供了集成能力. 对等交易所不仅支持交易验证, 而且通过为市场上不同设备提供 交易流动性信息而支持金融互换 等功能.

11 市场管理与分析工具 服务生命 周期 市场安全 与隐私 商业智能 供需匹配 内容管理 区块链管理 商务 对等/设备 生命周期 对等交易所 图5. 对等交易所托管的市场在设备之间提供交易流动 对等交易所也是区块链完整副本的潜在存储库,并提供了区块链分析服务.在城市 或者社区可能有数百万物联网设备的场景中,区块链的大小可能快速增加.即使配备 高级处理器和存储器的标准对等设备本身也可能无法将区块链信息以及它们所服务 的对等设备信息保留长达几天时间.然而,由于区块链作为可信的信息来源并保留了 所有产品交易,在地区或社区级别回看这些交易非常重要,有时需要回溯到产品生命 周期的开端. 例如,太阳能微型电网可能已启用十年,或者智能路灯已经登记了许多年.在需要维 护和支持时,区块链的接入可验证初次登记或安装细节. 对等交易所在某种程度上类似于当前金融交易所扮演的角色,在市场中执行供需平 衡的任务.因此,一个社区中一组资产所提供的资源可能转换为另一个社区中买方的 对等交易所. 之后,对等交易所不仅仅作为提供内存和技术支持的大型服务器或云.它们成为新的 经济机遇的生命线 - 新 丝绸之路 - 使得 设备民主 中描述的资产流动成为可 能(见图5).7

12 将物联网转换为物联经济 通过允许设备在市场上自主交流,并且支持复杂的市场交易,物联网预计能够提高物 理资产和设备的利用率和利润率.通过将每部设备转变为拥有者和用户之间的交易点 和经济价值创造者,物联网将创造新的实时数字经济和新的价值来源.我们将这种转 型称为 物联经济 . 为了展示非集中化物联网的可行性及其在创造新的数字经济中扮演的角色,ADEPT PoC应用案例场景涉及大量设备和市场交易.IBM与三星公司合作,在已推出的三星 产品上实施了一组B2C和B2B应用案例. B2C ADEPT应用案例展示了洗衣机如何成为自主设备 - 能够管理自身耗材供应, 执行自助服务和维护,甚至与其他设备谈判(无论在家中还是在外边),进而优化能源 消耗.这些应用案例扩展到其他场景中,例如微商解决方案可采用一组普通的家用电 器而构建. 所有这些功能的实现都不需要集中的控制器在设备之间进行编排或调停(见图6). B2B ADEPT应用案例展示了采用LFD的非集中化广告市场,用于分享和发布内容........