На информационно-аналитическом портале TAdviser, который регулярно публикует не только новости из мира ИТ и Телекома, но и обзорные технологические статьи, и который я очень всем рекомендую, опубликована написанная мной статья «Блокчейн в IoT«.

***

Блокчейн в IoT

Тенденции

Согласно исследованию компании Gartner, основными трендами развития информационных технологий в 2018 году будут следующие:

Развитие экосистем смартфонов и носимых устройств.
Облачные технологии
1. Инфраструктуры вычислений и хранения (IaaS, Paas), такие как AWS, Azure
2. Облачное ПО для бизнеса (SaaS)
3. Услуги для бизнес-экосистем предоставляемые через стандартные API
«Уберизация» всего, бизнес в социальных сетях и социальных платформах.
Искусственный интеллект (ИИ) на основе «больших данных» в режиме онлайн.
1. Аналитика ИИ: аналитика с использованием машинного обучения
2. Вещи с ИИ: автономные самообучающиеся вещи (автомобили, роботы, подключённые домашние приборы, сенсоры)
3. Интерфейсы с ИИ: компьютерное зрение, голосовые интерфейсы, виртуальная и дополненная реальность (VR/AR), цифровые помощника и двойники: Alice, Siri, Google, Alexa
IoT/IIoT Интернет вещей и промышленный интернет для Индустрии 4.0: интегрированная цепочка поставок в режиме онлайн, планирование ресурсов предприятий (ERP), операционные и промышленные цифровые помощники (digital twins).
Blockchain: цифровые активы и «валюты», деловые взаимодействия без доверия сторон (trustless interactions), «умные контракты» и Децентрализованные Автономные Организации (DAO).

Все эти тенденции взаимосвязаны и взаимообусловлены, и часто случается, что польза одной тенденции проявляется только при наличии другой, как в случае Blockchain и IoT.

По мнению компании Gartner, все преимущества искусственного интеллекта ИИ (AI, Artificial Intelligence), Интернета вещей (IoT/IIoT), и технологий распределённого реестра Blockchain будут наиболее эффективны только при их синергии. Это приведёт к появлению «интеллектуальных сущностей» (Intelligent Entities), как аппаратных, так и программных, которые могут взаимодействовать между собой.

Рисунок 1. Синергия AI, IoT и Blockchain (источник: Gartner).

Децентрализация

До последнего времени, мир был устроен по принципу централизации управления, централизации распределения ресурсов, централизации денежного обращения, централизации надзорных и регулирующих органов. Это касается также и области информационных технологий.

История знает немало примеров неэффективности и недолговечности централизованной модели государственного устройства. Дело даже не в «коррупционной составляющей» (хотя, и она всегда присутствует при любой централизованной власти), а просто в банальной неэффективности централизации в условиях долгосрочного стабильного развития. Централизация может быть весьма эффективна при решении срочных, критичных, кратковременных задач, однако, в долгосрочном плане, она малоэффективна, поскольку плохо поддаётся процессам модернизации, запросы на которую идут, как правило, снизу.

Например, Великий Новгород динамично развивался в 12-16 веках из-за отсутствия централизованной власти и существовавшей в нём системе «сдержек и противовесов», отработанной веками. «Централизатор» Иван Грозный разрушил эту систему и Новгород пришёл в упадок.

Централизованная модернизация Петра Великого в 17-18 веках на первых порах очень эффективно проводилась, однако быстро сошла «на нет» после физической смерти её «центрального органа» – самого Петра. Российская экономика после правления «эффективного менеджера» Петра I снова вошла в стадию кризиса и технологической отсталости, несмотря на многие прогрессивные деяния, произведённые в конце XVIII века Екатериной II. Последующее правление нового «централизатора» Николая I привели к стагнации экономики и развития страны в целом.

Подъем же российской экономики в конце 19-го — начале 20-го века, был во многом обусловлен децентрализованной системой земского управления в результате реформ Александра II. Победившая в 1917 году централизованная большевистская власть сломала хребет экономическому росту в России. Большевики вновь вынуждены были ввести децентрализацию экономики (НЭП), как меру для её стабилизации.

Стабильный и высокий экономический рост США во многом объясняется децентрализованной системой управления. Каждый штат США в части законодательной и исполнительной власти мало отличается от государств Европы, в каждом из них действуют собственные законы и, по сути, самостоятельные, но взаимно интегрированные экономики.

Даже Китай, который часто ошибочно воспринимается как верх централизации, в экономическом смысле весьма похож на США, особенно после начала реформ Дэн Сяопина, который начал их именно с децентрализации управления экономикой.

Можно найти массу других примеров в экономике и истории, которые свидетельствую о неэффективности централизации и, наоборот, эффективности децентрализации.

Таким образом, на исторических примерах мы видим, что децентрализованная система работает хорошо, а централизованная – быстро становится тормозом развития, несмотря на кратковременный успехи.

Для ИТ сиё также справедливо. Приведём ряд примеров.

Долгое время дата-центры строились, в основном, в виде больших зданий, содержащих много инженерной инфраструктуры (питание, охлаждение), рассчитанные на большое количество вычислительного оборудования. Считалось, что так можно снизить затраты и повысить эффективность. Однако, здесь проявился эффект «больницы для врачей» (а не для пациентов). То, что было удобно для ИТ-инженеров, оказалось не очень удобно для пользователей. Например, крупный дата-центр необходимо резервировать по схеме катастрофоустойчивости. То есть, затраты необходимо умножать на два. А то и на три, поскольку часто применяется схема резервирования «2 + 1», два взаимо-поддерживающих дата-центра локально, и один резервный – удалённо. Это приводит к росту затрат и высокой стоимости облачных сервисов. А также к перегрузке операторских сетей, через который приходится «гонять» большие объёмы трафика от периферии к центру и наоборот.

Однако, в последние годы появилась архитектура распределённого программно-конфигурируемого дата-центра SDDC (Software Defined Distributed Data Center), состоящего из многих разнесённых географически дата-центров, которые объединены в один логический дата-центр. Такой распределённый дата-центр сам себя резервирует, и причем более эффективно, чем схемы DR (Disaster Recovery) для централизованных дата-центров.

Сейчас трендом развития телекома является технология MEC (Mobile Edge Computing – для мобильных сетей, и MultiAccess Edge Computing – для конвергентных сетей). Эта технология предусматривает установку множества небольших модульных и контейнерных дата-центров на границе сети, куда перемещаются виртуализированные модули управления базовыми станциями. Архитектура централизованных облачных дата-центров этого делать не позволяет, или, во всяком случае, приводит к высоким затратам и техническим сложностям.

Как видим, лозунг «от централизации к децентрализации» справедлив во многих областях.

Децентрализация и IoT

Большинство облачных сервисов, в том числе приложений IoT, на сегодняшний день, имеют централизованную систему управления, например, фотохостинг, облачные системы хранения, денежные транзакции (банковская система) и многие другие.

Основным препятствием развития Интернета Вещей является централизация облачных сервисов. Огромные массивы данных, собираемых с датчиков и сенсоров IoT, приходится, во-первых, передавать в центральное облако (перегрузка транспортных сетей связи), во-вторых, обрабатывать в централизованном облаке (требуются огромные мощности серверов и систем хранения), в-третьих, необходимо передавать обратно полученные результаты (задержки при управлении онлайн).

Поэтому, появилась новая технология – Fog Computing[1] (т.н. «туманные вычисления»), которая устраняет указанные недостатки.

Таким образом, децентрализация вычислений – неотвратимая тенденция развития Интернета вещей.

Блокчейн в IoT.

С другой стороны – блокчейн также основан на принципе децентрализации. Поэтому, он очень органично вписывается в архитектуру Интернета Вещей.

В условиях значительного роста IoT, появилось несколько критичных проблем, которые необходимо решить, чтобы решения IoT можно было без проблем масштабировать, и адаптировать к быстрому росту подключённых вещей. Кроме того, проблемы безопасности и защиты данных также достаточно остры как в отношении устройств IoT, так и в отношении данных, которые они собирают. Вот некоторые из этих проблем:

Масштабирование: в централизованных облачных платформах IoT наблюдается очень плотный трафик передачи сообщений. Здесь кроется самое «узкое место» в масштабировании решений IoT для большого числа устройств.
Безопасность: большой объем данных, собранных от миллионов устройств остро ставит вопрос информационной безопасности как для отдельных пользователей, так и для предприятий и организаций. Как показали происходящие DoS-атаки [2] на устройства IoT, большое число недорогих устройств, подключённых к Интернет непосредственно – это главная проблема обеспечения безопасности в IoT.
Недостаточная проработка стандартов для данных и унификация данных: мир идёт к открытым стандартам данных, но унифицированного подхода пока нет. Есть ряд протоколов, но нет единой платформы для соединения между собой устройств от всех возможных производителей. Совместимость устройств – это основная задача, которую нужно решить, для повсеместного распространения решений IoT.
Стоимость: решения IoT как правило предусматривают множество подключённых устройств и сетевого оборудования, их соединяющего, а также аналитических платформ, которые обрабатывают данные IoT. Все это уже стоит довольно дорого и последующий рост будет только увеличивать эту стоимость.
Архитектура: централизованные облачные платформы остаются «узким местом» в комплексных решениях IoT. Любая неисправность или ошибка в этом месте может повлиять на всю сеть.

Проблемы существующих сетей IoT.

Несмотря на то, что согласно различным прогнозам роста количества подключённых устройств IoT достигнет 100 млрд. к 2025, 2022, или даже к 2020 году[3], реальное количество устройств IoT – примерно на порядок меньше [4].

Компания IBM[5] выделяет следующие проблемы роста IoT:

Рисунок 2. Проблемы роста IoT (Источник: IBM).

Не отлаженные бизнес-модели
Недостаток функционала
Отсутствие перспектив
Недостаток защиты информации
Высокая стоимость

По мнению IBM, мир информационных технологий переходит от замкнутых изолированных моделей взаимодействия устройств, к облачным централизованным моделям, работающим по принципу доверительности и аутентификации, и далее – к полностью распределённым моделям, работающим по принципу полного отсутствия доверительности, где каждая транзакция должна подтверждаться индивидуально сообществом распределённых узлов. По сути, это и есть модель блокчейн.

Рисунок 3. Трансформация моделей взаимодействия устройств (источник: IBM).

Самой большой проблемой будет не просто построение полностью децентрализованной сети IoT, а её глобальное масштабирование при условии поддержки защищённых, безопасных и недоверительных (trustless) транзакций. То есть, глобальная сеть IoT будет состоять из миллиардов и десятков миллиардов взаимосвязанных (peer-to-peer) устройств, не всем из которых можно доверять, а многие из них могут быть даже зловредными. То есть требуется какая-то модель подтверждения и консенсуса. Такую модель как раз и способен предоставить блокчейн.

Блокчейн способен обеспечить структуру для обработки транзакций и координации взаимодействующих устройств, где каждое устройство выполняет свою собственную роль, формируя «Интернет Децентрализованных и Автономных Вещей». Блокчейн в такой структуре будет выполнять роль универсального цифрового реестра (universal digital ledger), для выполнения транзакций различных типов между устройствами, таких как:

Регистрация новых устройств
Аутентификация удалённых пользователей
Взаимодействие по распределению электроэнергии между домашними приборами
Проверка безопасности транспортных средств
И многое другое

Рисунок 4. Блокчейн как универсальноый цифровой реестр (источник: IBM).

Блокчейн и IoT: как это работает

Уже существующая сеть распределённого реестра криптовалюты Bitcoin на базе блокчейна уже покрывает практически всю планету, и имеет тысячу узлов (nodes) для проверки валидности транзакций (майнинга). Это взаимосвязанная сеть (peer-to-peer), которая позволяет программным приложениям обмениваться транзакциями между собой используя инфраструктуру Интернет и почти мгновенно. По данным статистики средняя скорость транзакций биткойна в 55% инфраструктуры сети составляет от 400 до 800 мс (не используя выделенную логическую сеть FIBRE^[6] для быстрого обмена биткойн-транзакциями, где их скорость не превышает 50 мс).

Блокчейн, кроме финансовых транзакций, имеет возможность обрабатывать и т.н. «умные контракты» (smart contract), в качестве которых могут выступать следующие виды транзакций:

Передача прав собственности
Автоматическое назначение (settlement) финансовых деривативов
Отчисления по интеллектуальной собственности
Межбанковское взаимодействие
Коллективные онлайн-игры
Интернет вещей (IoT).

Например, можно рассмотреть транзакцию («умный контракт») когда собственник автомобиля А, хочет продать его собственнику В и одновременно перерегистрировать этот автомобиль на собственника В, без обращения к централизованной уполномоченным организациям (ГИББД, страховым компаниям и прочим посредникам). При этом выполняются следующие действия:

Автомобиль с криптографическим ключом (сейчас эту роль выполняет VIN), имеет жёстко закодированный публичный ключ, который активируется при получении сообщения, подписанного соответствующим частным ключом, находящимся в ведении собственника А.
Публичный ключ автоматически обновляется с использованием механизма блокчейн, и новый собственник В перечисляет собственнику А определённое количество биткойнов, также через блокчейн.
Транзакция (умный контракт), в которой происходит обновление публичного ключа автомобиля (перерегистрация на собственника В) и оплата стоимости автомобиля в биткойнах, фиксируется в сети узлов блокчейн и заносится в его реестр. Теперь все знают, что автомобиль принадлежит собственнику В, и деньги за него уплачены собственнику А.

Не следует думать, что вышеуказанный процесс исключает существующий процесс регистрации автомобиля в ГИБДД, или противоречит ему. Они могут сосуществовать друг с другом, причём процесс регистрации в ГИБДД будет существенно упрощён, если эта организация будет принимать запись в распределённом реестре блокчейн в качестве основания для перерегистрации автомобиля с А на В в собственных базах данных.

Применения блокчейна в IoT и смарт-системах.

Вместе с Интернетом Вещей, концепция блокчейна прокладывает дорогу для разнообразных инноваций. Например, технология блокчейна может использоваться для изучения истории владения и использования персональных устройств. Он может использоваться для транзакций и координации устройств в системе. Технология блокчейна ведёт к независимости устройств IoT, записывая в распределённый реестр обмен данными между устройствами, приложениями и пользователями, давая им возможность осуществлять транзакции.

Многие известные фирмы и стартапы разрабатывают различные кейсы использования блокчейна вместе с IoT. Одной из главных целей кейсов является подключение домашних устройств к облаку и устройствам электроснабжения (домашняя автоматизация).

Некоторые из этих фирм:

IBM – одна из самых первых компаний, объявивших о возможностях блокчейна для Интернета Вещей. Она создала разнообразные партнёрства в этой области. В 2015 году она опубликовала отчёт по исследовательскому проекту под названием ADEPT (Autonomous Decentralized Peer-to-Peer Telemetry) для IoT с использованием технологии блокчейна.

IBM также сотрудничает с компанией Samsung в части разработки пробной системы proof-of-concept для следующего поколения Интернета Вещей. Платформа ADEPT состоит из трёх элементов Etherium[7], Telehash[8] и BitTorrent[9]. При помощи этой платформы, устройства могут автоматически извещать о проблемах в работе и загружать апдейты программ для их решения без вмешательства человека. Причём, эти устройства также имеют возможность коммуникации с близлежащими устройствами, чтобы оптимизировать расход заряда батарей и повысить энергоэффективность.

Filament

Компания Filament[10] разработала сенсорное устройство под названием TAP, который даёт возможность развёртывания безопасной беспроводной многодиапазонной сети в течение нескольких секунд. Эти устройства предназначены для построения беспроводной сети для Интернета Вещей по технологии LoRa, и позволяют собирать данные с датчиков и сенсоров IoT в масштабе большого города, осуществляя передачу данных с узла на узел, до достижения конечного устройства, где осуществляется хранение и обработка данных, либо приведение в действия исполнительного механизма на конечном устройстве IoT.

Рисунок 5. Узел Tap компании Filament

Устройство может напрямую коммуницировать с другим устройством ТАР на расстоянии до 15 км и может подключаться непосредственно к телефону, планшету или компьютеру. Блокчейн позволяет устройствам компании Filament осуществлять взаимодействие при помощи смарт-контрактов, с независимой доверительностью транзакций. Компания получила более 5 млн. долларов инвестиций от венчурных фондов Bullpen Capital, Verizon Ventures и Samsung Ventures.

Ken Code – электронная розетка (ePlug)

ePlug – продукт, разработанный компаний Ken Code[11]. ePlug представляет собой небольшое электронное устройство, вмонтированное в электрическую розетку или выключатель.

Рисунок 6. Устройство ePlug.

Устройство может применяться в ячеистых сетях (Meshnet), распределённых вычислительных системах, в системах шифрования данных, в сетях WiFi с проблемным покрытием (dead zone Wi-Fi), в таймерах, USB-портах, сенсорах прикосновения, освещённости и движения для безопасности. Устройство использует логин на базе блокчейна для безопасности. При вводе соответствующего интернет-адреса или URL, владелец ePlug получает экран ввода логина, который обрабатывается в блокчейн-платформах, таких как OneName.io и KeyBase.io для аутентификации и доступа к ePlug.

Компания Blockchain of Things разработала систему Catenis Enterprise IoT для предприятий, с полносвязной архитектурой устройств, которая исключает появление единых точек отказа и направленных (векторных) атак на устройства[12].

Рисунок 7. Catenis Enterprise IoT (Источник: Blockchain of Things).

Выводы

Внедрение блокчейна в области IoT нельзя назвать быстрым. Большинство технологических качеств блокчейна пока не слишком известны, и интеграция с криптографическими распределёнными реестрами пока представляет технические сложности. Однако, создание многочисленных научно-практических стартапов в этой области, таких как Blockchain of Things Catenis, даёт основание полагать, что применение блокчейна для Интернета Вещей ожидает быстрое развитие в ближайшем будущем.

Ссылки:

[1] http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Туманные_вычисления_(Fog_computing)

[2] https://searchsecurity.techtarget.com/news/252439237/Device-wars-Researchers-track-new-IoT-botnet-

[3] https://shalaginov.com/2017/01/26/iot-100-миллиардов-кто-больше

[4] https://shalaginov.com/2017/05/15/прогноз-по-росту-интернета-вещй-iot

[5] http://www-935.ibm.com/services/multimedia/GBE03620USEN.pdf

[6] http://bitcoinfibre.org/

[7] http://www.tadviser.ru/index.php/Продукт:Ethereum_(криптовалюта)

[8] http://telehash.org/

[9] https://ru.wikipedia.org/wiki/BitTorrent_(протокол)

[10] https://filament.com/

[11] http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/8eaecc33-f37d-41fc-bfa9-99e3eaf7d28a_ePlug-Whitepaper.pdf