郝向宇，柳耀勇，肖青，習(xí)熹，任曉明

(1.芯昇科技有限公司，江蘇 南京 210018；2.中國移動研究院，北京 100053)

0 引言

根據(jù)統(tǒng)計和預(yù)測，2020 年全年中國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量達(dá)到40 億，到2025 年將增長至80.1 億次，5 年增長2倍左右。全球物聯(lián)網(wǎng)市場支出將從2020 年7 420 億美元增長至2024 年的1.138 萬億美元，復(fù)合年均增長率為11.3%[1]。大量的連接數(shù)意味著數(shù)據(jù)價值作用凸顯，我國推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個關(guān)鍵方式是合理利用價值化數(shù)據(jù)，加快推進(jìn)數(shù)據(jù)價值化進(jìn)程是發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)要求[2]。但數(shù)據(jù)要素的價值實現(xiàn)依賴于對數(shù)據(jù)資源的深度整合開發(fā)和利用，而“數(shù)據(jù)孤島”妨礙了數(shù)據(jù)的整合、共享與互通。

為了解決“數(shù)據(jù)孤島”的問題，推動數(shù)據(jù)的整合共享與利用，推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國內(nèi)諸多專家進(jìn)行了多方的研究與探索[3-7]。然而，研究方向集中在大數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化等顯性方面，而從數(shù)據(jù)源頭出發(fā)進(jìn)行物與物的數(shù)據(jù)共享互聯(lián)有助于實現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用場景。

物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展帶來了終端的多樣性，這也造成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化，碎片化的應(yīng)用恰恰與區(qū)塊鏈的去中心化思想一致，利用區(qū)塊鏈能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)碎片化應(yīng)用的需求。終端與數(shù)據(jù)作為物聯(lián)網(wǎng)的兩大基石，通過數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的交換能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)的價值，終端與數(shù)據(jù)的安全、可靠、可信是靠芯片發(fā)揮關(guān)鍵的作用。芯片與區(qū)塊鏈的結(jié)合，能夠從數(shù)據(jù)源頭構(gòu)建更安全可信的物聯(lián)網(wǎng)。芯片自主安全的目標(biāo)需要開源的RISC-V 內(nèi)核，其在性能、DSP 指令、緩存配置、算法執(zhí)行性能上能夠滿足區(qū)塊鏈應(yīng)用的要求，進(jìn)而通過區(qū)塊鏈與RISC-V 實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的作用，推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)與RISC-V

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)切乱淮畔⒓夹g(shù)的重要組成部分，是分布式網(wǎng)絡(luò)、加密技術(shù)、智能合約等多種技術(shù)集成的新型數(shù)據(jù)庫軟件，通過數(shù)據(jù)透明、不易篡改、可追溯，有望解決網(wǎng)絡(luò)空間的信任和安全問題，推動互聯(lián)網(wǎng)從傳遞信息向傳遞價值變革，重構(gòu)信息產(chǎn)業(yè)體系[8]。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，由每個區(qū)塊連接而成，如圖1 所示，每個區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭中的Hash 參數(shù)為前一區(qū)塊哈希，該哈希參數(shù)使得各個區(qū)塊首尾相連形成鏈狀結(jié)構(gòu)。所有的鏈上信息都包含在區(qū)塊體中。若中間某區(qū)塊中交易信息被修改，則其后所有區(qū)塊頭的Hash 都需要修改，因此鏈塊式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會使塊數(shù)據(jù)難以篡改。

圖1 區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

1.2 RISC-V

RISC-V 是由加州大學(xué)伯克利分校(UCB)提出的一種開源精簡指令集架構(gòu)[9]，作為一個新生的開源指令集架構(gòu)，它具有精簡、模塊化設(shè)計、開源等優(yōu)點，可以根據(jù)需求定制自定義customer 指令[10]，大大簡化了處理器的設(shè)計，也因此涌現(xiàn)了很多優(yōu)秀的開源設(shè)計。RISC-V 的與眾不同之處在于它的模塊化，它的核心是以RV32I 的基礎(chǔ)ISA，模塊化來源于可選的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，硬件可以包含或不包含擴(kuò)展[11]。這種特性使得RISC-V 具備了袖珍化、低功耗的特點，對于嵌入式應(yīng)用至關(guān)重要。對于物聯(lián)網(wǎng)的作用非比尋常，使得RISC-V 為物聯(lián)網(wǎng)帶來顯著的靈活性和成本優(yōu)勢[12]。

2 區(qū)塊鏈賦能物聯(lián)網(wǎng)

2.1 區(qū)塊鏈融入物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系中，“云管端”是廣泛被認(rèn)可的架構(gòu)?！霸啤敝傅氖窃朴嬎悖ㄟ^引入云計算構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化和開放性的綜合平臺；“管”指的是信息傳送通道，是真正意義上的多網(wǎng)融合；“端”指的是與管道連接的終端設(shè)備，作為服務(wù)載體覆蓋最終客戶[13]。

區(qū)塊鏈的加入使得傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)“云管端”變成“云鏈管端”，如圖2 所示。區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)云上數(shù)據(jù)可信存儲、可信交互、可信計算。通過可信的方式幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值，有利于數(shù)據(jù)交易、金融監(jiān)管的參與，同時通過確保數(shù)據(jù)的可信，解決企業(yè)數(shù)據(jù)共享與控制的矛盾，構(gòu)建對等、統(tǒng)一的多邊協(xié)作生態(tài)。

圖2 結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)后的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

區(qū)塊鏈功能融入至物聯(lián)網(wǎng)形成區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)能力，如圖3 所示。

圖3 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)融合架構(gòu)圖

在此架構(gòu)下現(xiàn)階段區(qū)塊鏈技術(shù)存在3 個痛點：

(1)區(qū)塊鏈解決了鏈上數(shù)據(jù)的可信，沒有解決終端測數(shù)據(jù)可信的問題。數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)使用的閉環(huán)暫未形成，在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的階段需要帶有區(qū)塊鏈的功能。

(2)數(shù)量級不足，區(qū)塊鏈相比于物聯(lián)網(wǎng)，區(qū)塊鏈服務(wù)器的數(shù)量遠(yuǎn)不及終端的數(shù)量，若要匹配相應(yīng)的能力，需要大量服務(wù)器，成本較高。

(3)區(qū)塊鏈沒有有效地與終端結(jié)合，終端的多樣性使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景是非常復(fù)雜的，區(qū)塊鏈目前難以支撐多樣化的場景。

2.2 區(qū)塊鏈功能下沉

基于上述痛點問題需要將區(qū)塊鏈功能下沉，通過區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)、芯片三者結(jié)合的方式(即區(qū)塊鏈芯片)解決痛點。區(qū)塊鏈芯片承載區(qū)塊鏈功能提供數(shù)據(jù)價值化服務(wù)，嵌入芯片的終端作為區(qū)塊鏈節(jié)點，簡化流程，提高效率，芯片保證上鏈數(shù)據(jù)的可信。

眾所周知，區(qū)塊鏈?zhǔn)窍鄬?fù)雜的流程，對于服務(wù)器的性能也有較高的要求。物聯(lián)網(wǎng)終端的芯片具有物聯(lián)網(wǎng)的低功耗、輕量化的特點，其算力與性能較低，存儲空間較小。若作為區(qū)塊鏈節(jié)點承擔(dān)區(qū)塊鏈的能力就需要對區(qū)塊鏈的核心功能針對物聯(lián)網(wǎng)場景進(jìn)行輕量優(yōu)化。優(yōu)化方式如下：

(1)區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)流程針對物聯(lián)網(wǎng)場景進(jìn)行簡化，優(yōu)化掉不必要的流程。例如通過優(yōu)化智能合約的方式來降低其部署和執(zhí)行帶來的消耗。

(2)物聯(lián)網(wǎng)終端在業(yè)務(wù)中通常上傳數(shù)據(jù)頻次很低，例如智能燃?xì)獗砻刻焐蠄髷?shù)據(jù)次數(shù)在個位數(shù)，不需要高的TPS(系統(tǒng)吞吐量，即每秒系統(tǒng)處理的數(shù)量)。因此針對物聯(lián)網(wǎng)場景，不需要在TPS 上增加成本，弱化對于高TPS 的追求，注重可信和安全問題。

(3)對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。保留與認(rèn)證和溯源有關(guān)的必須字段，刪除共識算法非必要字段。比特幣結(jié)構(gòu)相比于Fabric 與以太坊在結(jié)構(gòu)上更加精簡，這里以比特幣區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)無需采用工作量證明這種共識算法，可以對其有關(guān)字段進(jìn)行刪除，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖4 所示。

圖4 簡化后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(4)區(qū)塊鏈儲存的區(qū)塊設(shè)計相應(yīng)的規(guī)則能夠定期刪除，保證區(qū)塊的大小不占用太大空間，滿足芯片存儲空間的能力。同時為了保證數(shù)據(jù)可溯源，將刪除的區(qū)塊備份至服務(wù)器中。

判斷連續(xù)分布的區(qū)塊是否滿足預(yù)設(shè)的刪除條件，將滿足預(yù)設(shè)條件的區(qū)塊生成新的區(qū)塊，刪除滿足條件的區(qū)塊，將生成的功能區(qū)塊加入鏈中，形成優(yōu)化后的鏈，如圖5 所示。

圖5 區(qū)塊根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則定期刪除

2.3 終端作為區(qū)塊鏈節(jié)點

根據(jù)上述區(qū)塊鏈功能優(yōu)化后下沉到終端測，終端具備區(qū)塊鏈能力，能夠作為區(qū)塊鏈節(jié)點。其邏輯架構(gòu)如圖6所示。

圖6 終端作為區(qū)塊鏈節(jié)點架構(gòu)圖

通過芯片的區(qū)塊鏈功能實現(xiàn)去中心化，終端成為節(jié)點，在物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)公有鏈終端接入的理想應(yīng)用效果。下沉到芯片層面更有利于更廣泛的推廣。在這個架構(gòu)中區(qū)塊鏈的節(jié)點不再是單一的服務(wù)器，終端成為輕量級的帶有區(qū)塊鏈功能的節(jié)點，提高物與物的聯(lián)結(jié)效率。通過豐富的終端節(jié)點支撐物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜、多樣化的應(yīng)用場景。

3 RISC-V 對區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的作用

3.1 區(qū)塊鏈功能對于終端芯片提出的要求

在此架構(gòu)下，區(qū)塊鏈功能與特點對終端芯片提出了較高的要求，區(qū)塊鏈的能力由芯片實現(xiàn)。

終端作為區(qū)塊鏈節(jié)點，需要端側(cè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)起或響應(yīng)。在數(shù)據(jù)層面需要數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲；在網(wǎng)絡(luò)層面需要支持P2P 組網(wǎng)，支持跨節(jié)點命令調(diào)用與多節(jié)點數(shù)據(jù)同步；在共識層面需支持防“崩潰失效”的共識算法；在合約層需支持至少一種編程語言的智能合約，支持容器技術(shù)；在安全層面支持多種數(shù)字密碼技術(shù)，如Hash 運算、數(shù)字簽名、Merkle 樹、商用密碼算法、Key-Value 數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行加密解密，驗證其合法性。綜上，區(qū)塊鏈功能的實現(xiàn)對于終端芯片的計算能力、存儲功能以及安全性具有較高的要求。

3.2 RISC-V 架構(gòu)助力區(qū)塊鏈功能在芯片側(cè)實現(xiàn)

對于上述要求，RISC-V 通過高性能、自定義指令集的優(yōu)勢能夠更加容易承載區(qū)塊鏈的能力。還有強(qiáng)大的芯片架構(gòu)優(yōu)勢，利用開源特別的安全設(shè)計，將安全的源頭抓在芯片中。具體表現(xiàn)在：

(1)極簡、模塊化

RISC-V 具有極簡、模塊化、可拓展的特點，物聯(lián)網(wǎng)側(cè)芯片具有個性化和差異化的特性，其對功耗要求較低，面積較小。這使得針對區(qū)塊鏈功能的定制成為了可能。

(2)可擴(kuò)展性

物聯(lián)網(wǎng)碎片化的場景應(yīng)用使得對于芯片的功能豐富度有較高的需求。RISC-V 的可擴(kuò)展性能夠滿足碎片化場景對芯片功能的豐富度要求，具有很高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)安全系數(shù)高

RISC-V 中開源的RTL 代碼以及無預(yù)測性內(nèi)存訪問使得芯片安全系數(shù)提高，保證安全性能。

(4)硬件性能優(yōu)秀

RISC-V 模塊化的ISA(指令集架構(gòu))來源于可選的擴(kuò)展，根據(jù)應(yīng)用程序需要讓硬件包含擴(kuò)展。編譯器在得知擴(kuò)展后可以生成硬件條件下最佳代碼，使得代碼讀寫容易，不增加硬件開銷。通過簡單又具有影響力的機(jī)制，降低成本，提高性能。

(5)適用于物聯(lián)網(wǎng)

新興領(lǐng)域會有一席之地。特別在物聯(lián)網(wǎng)范疇，目前ARM 具有較高的市場占有率，應(yīng)用開源的RISC-V 能夠?qū)RM 起到代替作用，能夠保證自主安全，解決芯片“卡脖子”的問題。

上述的幾個特點保證了芯片性能、儲存能力、安全性以及穩(wěn)定性，進(jìn)而能夠使芯片滿足輕量化區(qū)塊鏈功能的實現(xiàn)。

4 應(yīng)用預(yù)測

芯片承載區(qū)塊鏈功能使得終端成為區(qū)塊鏈節(jié)點進(jìn)而實現(xiàn)物與物的數(shù)據(jù)交互，提升效率，擴(kuò)大區(qū)塊鏈應(yīng)用范圍，實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，在應(yīng)用層面能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的突破。

4.1 車路協(xié)同

車路協(xié)同的目標(biāo)是實現(xiàn)車與車、車與路、車與人動態(tài)的全方位的實時信息交互，通過無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來統(tǒng)籌實現(xiàn)車輛有序安全控制與道路協(xié)同聯(lián)動控制，從而實現(xiàn)車路人三者合理協(xié)同，保障交通安全的同時提高通行效率，形成和諧、安全、高效的道路交通體系[14]。通過終端芯片算力、通信技術(shù)以及區(qū)塊鏈功能保證車與路之間高效及時的協(xié)同，具體表現(xiàn)在：

(1)實時加入無需注冊

車是移動的，路是固定的，車與路的協(xié)同若需要認(rèn)證注冊，效率則會低下。當(dāng)車作為終端節(jié)點加入到鏈中時，利用區(qū)塊鏈的特性無須聯(lián)網(wǎng)即可成為用戶。通過芯片內(nèi)置非對稱的公鑰與私鑰，將公鑰公開至互聯(lián)網(wǎng)，汽車進(jìn)行連接時，其他用戶只需通過公鑰索引便能夠建立連接，通過合理的共識與智能合約實現(xiàn)通信。類似于公有鏈，能夠自由加入與退出，參與鏈上的數(shù)據(jù)讀寫。

(2)打破傳統(tǒng)安全透明

傳統(tǒng)的賬戶與密碼是在用戶名與密碼匹配驗證成功后才能開始對話。車路協(xié)同系統(tǒng)包含了大量的數(shù)據(jù)，隨著汽車的不斷加入，數(shù)據(jù)生態(tài)會越來越大。芯片與區(qū)塊鏈先連接再認(rèn)證，為車路聯(lián)網(wǎng)帶來可信不可篡改的同時保證透明度與真實性、車主的合法身份、汽車行駛數(shù)據(jù)與人的行為安全。

(3)無需網(wǎng)絡(luò)即可使用

現(xiàn)代非蜂窩連接技術(shù)的發(fā)展通過區(qū)塊鏈的方式能夠讓用戶通過藍(lán)牙、Wi-Fi 等方式實現(xiàn)車路協(xié)同連接。利用終端作為節(jié)點入鏈?zhǔn)沟眉磿r通信無須注冊即可加入，無法篡改截獲信息，能夠使每一輛車先連接再認(rèn)證，不需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接即可實現(xiàn)。這就使得車路協(xié)同早日實現(xiàn)得到了充分的技術(shù)保證。

4.2 機(jī)器物與物的聯(lián)動

目前現(xiàn)有場景中物與物聯(lián)動模型設(shè)備之間的連接與通信是通過中心化的網(wǎng)絡(luò)和通信代理得以實現(xiàn)的。在物聯(lián)網(wǎng)場景中，終端類型復(fù)雜且數(shù)量龐大，這極大增加了組網(wǎng)與運維成本，同時可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和穩(wěn)定性也相對較低。在終端(物)承載區(qū)塊鏈功能后，將芯片自身的計算和存儲能力通過節(jié)點擴(kuò)散到物聯(lián)網(wǎng)各個環(huán)節(jié)中。通過P2P 組網(wǎng)技術(shù)與混合通信協(xié)議處理設(shè)備間的通信，有效解決單一節(jié)點崩潰失效殃及整個網(wǎng)絡(luò)的問題。

特別在工業(yè)場景中，機(jī)器與機(jī)器之間的聯(lián)動，相比于傳統(tǒng)的中心化控制方式，通過區(qū)塊鏈的分布式協(xié)作與RISC-V 高效處理能力能夠更高效地完成任務(wù)且具有更高的寬容度與寬泛的感知范圍，如圖7 所示。

圖7 物與物的中心化控制與分布式協(xié)作

區(qū)塊鏈的安全特性保證了機(jī)器間交互與通信安全，去中心化的分布方式保證了其獨立性，遠(yuǎn)離第三方的干預(yù)。合理的共識算法與智能合約保證機(jī)器與機(jī)器間能夠協(xié)同工作，快速解決分歧。通過Pegged Sidechain(楔入式側(cè)鏈技術(shù))提供在層次結(jié)構(gòu)中加入不同行為塊的可能[15-16]，進(jìn)而可以使得同一機(jī)器根據(jù)不同預(yù)定義的行為參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成不同的操作行為。通過該方式能夠顯著降低成本的同時提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

本文針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及特點進(jìn)行分析，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及終端的多樣性與區(qū)塊鏈的功能特性一致，區(qū)塊鏈的功能能夠解決當(dāng)前存在于物聯(lián)網(wǎng)的一系列問題，物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)“云管端”架構(gòu)變?yōu)椤霸奇湽芏恕?，總結(jié)出現(xiàn)階段區(qū)塊鏈還存在端側(cè)數(shù)據(jù)不可信、區(qū)塊鏈服務(wù)器相比于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量不足、沒有與終端有效結(jié)合的問題。提出區(qū)塊鏈功能下沉到端側(cè)即芯片中的設(shè)想，通過對區(qū)塊鏈功能的輕量化設(shè)計，使得芯片具備區(qū)塊鏈功能，使得終端能夠作為區(qū)塊鏈節(jié)點提高物與物的聯(lián)結(jié)效率。RISC-V 在芯片承載區(qū)塊鏈功能上發(fā)揮了舉足輕重的作用，區(qū)塊鏈功能要求芯片具備必要的性能。RISC-V 的高性能、自定義指令集、模塊化、高安全系數(shù)、適用于物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢使得區(qū)塊鏈功能下沉到端側(cè)能夠得以實現(xiàn)。最后展望了能夠通過該方案實現(xiàn)具體的應(yīng)用場景，該方式是對區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的補充而不是替代，相比于服務(wù)器終端的性能依然存在較大的差距。因此，也揭示了未來準(zhǔn)備進(jìn)一步研究的方向。