Der Blockchain & IoT Tech Stack

Schließen Sie die Augen und stellen Sie sich das zukünftige Internet der Dinge (IoT) vor . Was sehen Sie? Die meisten sehen eine Welt, in der alle Geräte miteinander verbunden sind, nahtlos miteinander kommunizieren können und smart genug sind, um unser Leben zu automatisieren, während gleichzeitig unsere Daten privat bleiben. Leider ist die heutige IoT-Welt von dieser Zukunftsvision weit entfernt und die Innovation in der IoT-Industrie stagniert relativ gesehen. Mit traditionellen Cloud-basierten Ansätzen ist es uns zwar gelungen, alles in das Internet einzubinden, allerdings stehen wir in Bezug auf Interoperabilität, Automatisierung und Datenschutz vor technischen und betrieblichen Herausforderungen. Um diese Hindernisse zu überwinden und das volle Potenzial des IoT zu nutzen, ist ein neuer dezentraler Ansatz erforderlich: die Blockchain-Technologie.

Die Schnittmenge von Blockchain und IoT ist im Jahr 2018 rasant gewachsen und gewinnt weiter an Bedeutung. Was als aufstrebende Industrie begann, hat sich zu einem dynamischen Ökosystem von Unternehmen entwickelt, die Blockchain-Komponenten und -Lösungen für smarte Städte, Lieferketten, erneuerbare Energien, Transport und andere IoT-fähige Branchen entwickeln. Obwohl es einfach ist, alle diese Unternehmen als “Blockchain & IoT” zu bündeln, unterscheiden sie sich hinsichtlich Umfang / Ansatz und adressieren verschiedene Ebenen des Blockchain & IoT-Tech-Stacks:

• IoT-Geräte: Der physikalische Layer verbundener Geräte, die Daten erfassen und an die Blockchain übertragen, wodurch sie für verschiedene Anwendungen verwendet werden können || Beispiel: Bosch
• Konnektivität: Ermöglicht die Übertragung von IoT-Gerätedaten zur Blockchain. IoT-Geräte unterstützen eine oder mehrere Arten von Konnektivitätsnetzwerken || Beispiel: AT & T
• Blockchain-Plattform: Umgebung, die das Erstellen und Ausführen von DApps erleichtert; umfasst Infrastruktur (Datenverarbeitung, Speicher, Netzwerkressourcen), Protokoll (Konsens, Berechtigungen, andere Netzwerkregeln) und Services (Tools / Module zur Erleichterung von DApps) || Beispiel: IoTeX
• Dezentrale Anwendungen (DApps): Anwenderseitige Software, die auf einer Blockchain-Infrastruktur basiert und mithilfe von Daten, Benutzereingaben und Smart Contracts bestimmte Funktionen ausführt. || Beispiel: HAB, Weeve

In unserem letzten Blogbeitrag „Die Rolle der Blockchain in der heutigen IoT-Landschaft“ haben wir dargelegt, wie die Blockchain die Innovation in der IoT-Branche wiederbelebt und neue Funktionen erschließt. In diesem Beitrag werfen wir einen genaueren Blick auf die verschiedenen Schichten des Tech-Stack von Blockchain und IoT und beschreiben, wie diese Schichten letztendlich zu einer IoT-End-to-End-Lösung zusammengefügt werden.

Die Geräte des Internets der Dinge

Verbundene IoT-Geräte dienen als Brücke zwischen der physischen und der digitalen Welt und können die Reichweite und den Einfluss vieler Anwendungen erheblich erweitern. Während Nicht-IoT-Anwendungen nur Daten der vom Benutzer generierten Aktionen verarbeiten (d. h. das Senden von Token zwischen Nodes), können IoT-fähige Anwendungen Daten von IoT-Geräten pushen / ziehen, die als Nodes im Netzwerk fungieren. Bis 2023 wird es geschätzte 100 Milliarden IoT-Geräte geben, die die physische Geschichte unserer Welt digital erfassen werden.

IoT-Geräte verfügen im Allgemeinen über eine oder mehrere Arten von Sensoren / Trackern (z. B. Ort, Temperatur, Geschwindigkeit, Licht, Luftqualität), die zu einem bestimmten Zeitpunkt physikalische Eigenschaften einer Person, eines Vermögenswerts oder einer Umgebung digital aufzeichnen. Es gibt Milliarden von IoT-Geräten, die Daten für verschiedene Zwecke sammeln, einschließlich batteriebetriebener Sensoren, die in schwer zugänglichen Bereichen eingesetzt werden, und Smartphones mit fortschrittlichen Sensoren (z. B. Gyroskope, Beschleunigungsmesser). Zusätzlich zu den erfassten Datentypen unterscheiden sich IoT-Geräte weiterhin durch ihre Rechen- / Speicherressourcen, Konnektivität und Leistung:

Fortschritte beim Hardware- und Chip-Design treiben AI / ML und technolo-gische Smartness immer weiter voran und in mehr und mehr Geräten werden Trusted Execution Enviroments (TEE, Vertrauenswürdige Ausführungs-umgebungen) eingesetzt, um Datenintegrität und Vertraulichkeit zu gewährleisten. Auch für die IoT-Hardware hat die Blockchain-Industrie ehrgeizige Pläne: Krypto-Wallets sind in verschiedene Geräte eingebettet, Router werden zu Mining-Einheiten und viele Protokolle werden für blockchainbetriebene M2M-Zahlungen entwickelt. Mit zunehmender Smartness und Sicherheit von IoT-Geräten werden neue Benutzer-zu-Gerät- und Gerät-zu-Gerät-Funktionen entstehen, bei denen smarte Geräte als vertrauenswürdige Drittanbieter fungieren und die Automatisierung des Antriebs vorantreiben.

Konnektivität

Alle IoT-Geräte verfügen über integrierte Chips, die einen oder mehrere Konnektivitätsstandards unterstützen, die jeweils unterschiedliche Datenraten, Reichweiten, Stromverbrauch und Kosten aufweisen. Konnektivität ist das Mittel, mit dem Informationen zwischen Geräten ausgetauscht werden. Im Zusammenhang mit der Blockchain und IoT ermöglicht Konnektivität die bidirektionale Kommunikation für Edge-Geräte, Gateways und Server. Jeder IoT-Anwendungsfall ist einzigartig. Daher ist das Verständnis der Merkmale und der Kompatibilität verschiedener Konnektivitätstypen für die Optimierung der Leistung und die Minimierung der Kosten von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise wird bei einem Anwendungsfall, in dem batteriebetriebene Sensoren verwendet werden, der Energieverbrauch gegenüber der Geschwindigkeit priorisiert, während bei einem Video-Streaming-Anwendungsfall die Geschwindigkeit gegenüber der Reichweite Vorrang hat. Nachfolgend findet sich eine Übersicht der gängigen Familien von Verbindungsstandards, wobei die meisten über mehrere Varianten verfügen.

Diese Konnektivitätsstandards werden in IoT-Lösungen unabhängig und gemeinsam verwendet. Um die Reichweite der Datenerfassung und Smartness möglichst weit auszudehnen, wird meist Edge-Geräte (mithilfe von BLE und LPWAN) mit leistungsfähigeren Gateways (über WLAN und Mobilfunk) gekoppelt. Bei der Festlegung der geeigneten Kombination von Konnektivitätstechnologien, wie Bandbreite, Stromverbrauch, Reichweite und Kosten, gibt es viele zu berücksichtigende Trade-Offfs. Hier einige Implementierungsbeispiele:

Niedrige Bandbreite + Geringer Stromverbrauch + Hohe Reichweite

• Ziel: Das Versenden von kleine Datenmengen über große Entfernungen mit Geräten mit geringem Stromverbrauch
• Beispiel: Das Versenden von Daten von Remote-Sensoren in einer Wüste zum nächstgelegenen Gateway
• Verbindungsmöglichkeiten: LPWAN (LoRa, Sigfox, NB-IoT)

Hohe Bandbreite + Geringer Stromverbrauch + Niedrige Reichweite

• Ziel: Das Versenden großer Datenmengen über kurze Entfernungen mit Geräten mit geringem Stromverbrauch
• Beispiel: Das Versenden von Streaming-Daten von mehreren Sensoren an das nahegelegene Gateway
• Verbindungsoptionen: Bluetooth oder WiFiiFi

Hohe Bandbreite + Hoher Stromverbrauch + Hohe Reichweite

• Ziel: Das Versenden großer Datenmengen über große Entfernungen mit Geräten mit voller Leistung
• Beispiel: Das Versenden von Videos von einem Mobiltelefon aus, wenn man sich im Freien befinden / kein WLAN verfügbar ist
• Verbindungsoptionen: Mobilfunk oder Satellit

Blockchain-Platformen

In den letzten Jahren ist ein enormes Wachstum sowohl bei der Anzahl als auch bei den Fähigkeiten von Blockchain-Plattformen zu verzeichnen. Ein großer Teil dieser Innovation fand sich auf Ebene der grundlegenden Plattformen, da für die Unterstützung zukünftiger Anwendungen ein starkes Fundament erforderlich ist. Alle Blockchain-Plattformen sind einzigartig, haben jedoch das gleiche Ziel: Entwickler durch Bereitstellung überlegener Technologien, Benutzererfahrung und / oder Governance für ihre Plattform zu gewinnen. Bevor wir tiefer tauchen, machen wir aber einen Schritt zurück. Was genau sind Blockchain-Plattform und wie unterscheiden sie sich?

Generell ermöglichen sie den Entwicklern das Erstellen, Bereitstellen und Verwalten von Softwareanwendungen in derselben technischen Umgebung (z. B. mobile Apps für iOS / Android). Cloud-Plattformen (z. B. AWS) bieten Tools, Services und Infrastruktur (z. B. S3, EC2), die die Zugangsbarrieren für den normalen Anwendungsentwickler verringern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anwendungen werden blockchainbasierte DApps auf dezentralen Peer-to-Peer-Netzwerken (P2P) ausgeführt, bei denen alle Nodes über ein nachprüfbares verteiltes Hauptbuch (Distributed Ledger) einen Konsens erreichen. Die Methode, mit der ein Netzwerk einen Konsens erreicht, und andere Regeln / Verfahren, die das Netzwerk steuern, werden in einem Blockchain-Protokoll definiert. Wie nachstehend erläutert, sind ein Blockchain-Protokoll, Infrastrukturressourcen und Services die Kernkomponenten einer Blockchain-Plattform.

• Infrastruktur ist eine Sammlung von Hardware- und Softwareressourcen, welche die Grundlage für die Ausführung von DApps bilden. Anstatt eine eigene Blockchain-Infrastruktur (d. h. Server, Datenbanken, Netzwerk) aufzubauen und zu warten, verwenden die meisten DApp-Entwickler Blockchain-as-a-Service (BaaS), um Komplexität, Kosten und Aufwand zu reduzieren. BaaS stellt nicht nur Rechen- und Speicherressourcen zur Verfügung, sondern ermöglicht es den Entwicklern auch, sich einem vorhandenen Netzwerk von Nodes anzuschließen und daran teilzunehmen. Die meisten Plattformen verfügen über unterschiedliche Infrastrukturelemente, um bestimmte Eigenschaften der Datenverarbeitung (d. h. zustandslos, zustandsorientiert, HPC), des Speicher und des Netzwerks zu ermöglichen.
• Protokolle definieren und kodieren das Regelsystem, das eine Blockchain steuert. Beim Entwurf eines Protokolls müssen viele Kompromisse gemacht werden, welche Sicherheit, Skalierbarkeit und Dezentralisierung stark beeinträchtigen. Zu den wichtigsten Entwurfsentscheidungen zählt, wie im Netzwerk ein Konsens erreicht wird, wie Transaktionen verarbeitet werden (z. B. Reihenfolge, Blockhöhe) und wer dem Netzwerk beitreten kann (d. h. berechtigungsbasiert vs. öffentlich). Einige Protokolle unterstützen auch Layer-2-Architekturen (z. B. Subchains) und private Transaktionen. Diese Optionen zum Entwurf eines Protokolls und deren Implementierung sind die größten Unterscheidungsmerkmale von Blockchain-Plattformen.
• Services sind optionale Tools / Module, die Entwickler in ihren DApps verwenden können. Services erhöhen die Benutzerfreundlichkeit einer Blockchain-Plattform und sind konfigurierbar, um den spezifischen Anforderungen verschiedener DApps zu entsprechen. Plattformen können auch Drittanbieter-Services integrieren und sie für Entwickler verfügbar machen. Selbst wenn ein bestimmter Service von einer Plattform angeboten wird, können Entwickler den Service selbst erstellen, wenn er ein Kernbestandteil der DApp ist.

Blockchain-Plattformen treffen Entscheidungen im Voraus, um ihre Technologie für einen bestimmten Zweck anzupassen. Beispielsweise ist IoTeX eine Blockchain-Plattform, die mit dem Ziel entwickelt wurde, ein robustes und dennoch leichtes Protokoll, maßgeschneidert für IoT-Anwendungen aufzubauen. Das Blockchain-Design von IoTeX umfasst einen internen Roll-DPoS-Konsensmechanismus, Techniken zum Schutz der Privatsphäre, eine Rootchain- und Subchainarchitektur sowie die Unterstützung von IoT-Geräten mit niedrigem Stromverbrauch. Hier können Sie mehr über IoTeX erfahren.

Dezentrale Anwendungen (DApps)

Der Anwendungslayer wird aufgrund der Vielzahl möglicher Anwendungsfälle der diverseste unter den Blockchain- und IoT-Technologien sein. Ähnlich wie bei Anwendungen auf einem Smartphone handelt es sich bei blockchainbasierten DApps um Softwareanwendungen, die Daten, Benutzereingaben und programmierte Logik (d. h. Smart Contracts) koordinieren, um bestimmte Funktionen auszuführen. Abgesehen von den Standalone-Funktionen sind DApps häufig mit Schnittstellen ausgestattet, über die sie mit anderen Anwendungen interagieren und Dienste von Drittanbietern nutzen können. Ein weiteres wichtiges Merkmal von DApps ist die Verwendung von Token (entweder ihrer eigenen oder einer Plattform), um den Wertetransfer zwischen Nodes zu erleichtern und kryptoökonomische Anreize zu verwalten. Obwohl sich DApps in Design und Zweck unterscheiden, bestehen sie im Allgemeinen aus drei Kernkomponenten:

• Benutzeroberfläche (UI): Front-End-Design (z. B. mobil, Desktop), das Benutzern die Interaktion mit einer Anwendung ermöglicht. Es können verschiedene Ansichten erstellt werden, um Daten in der Blockchain zu visualisieren, neue Benutzereingaben zu sammeln oder Token / Daten an andere Nodes zu senden.
• Geschäftslogik: Programmierbare Smart Contracts definieren und setzen Geschäftsregeln innerhalb einer DApp durch, wodurch Blockchaindaten verwendbar werden. Entwickler können beispielsweise einfache Smart Contracts erstellen, um die Datenerfassung eines IoT-Gerät zu automa-tisieren. Workflows mit mehreren Parteien können mit komplexeren Smart Contracts codiert und automatisiert werden.
• Software Development Kits (SDK): Integrierte Tools und Protokolle, die es DApps ermöglichen, mit anderen öffentlichen / kostenpflichtigen Apps und Diensten von Drittanbietern zu kommunizieren, anstatt zu selbst erstellen zu müssen. Eine DApp, die Kartendaten verwendet, kann beispielsweise über eine integrierte Schnittstelle zu Google Maps verfügen.

Die Blockchain kann in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden, ist jedoch nicht für jeden Anwendungsfall optimal. Wie bei jeder Art von Technologie gibt es Kompromisse, die zu berücksichtigen sind. Blockchain-Anwendungen bieten derzeit eine hohe Datenintegrität, herkömmliche Anwendungen sind jedoch schneller und kostengünstiger. Wenn die Blockchain ausgereift ist, werden Geschwindigkeit und Kosten für die Ausführung von DApps gegenüber herkömmlichen Anwendungen aufholen. Bis dahin wird sie in Anwendungsfällen implementiert werden, bei denen Sicherheit und Vertrauen Vorrang vor Geschwindigkeit und Kosten haben. Beispiele für In-Progress-Use-Cases für Blockchain & IoT finden Sie auf der IoTeX-Partnerschaftsseite. Die Merkmale optimaler Anwendungsbereiche für Blockchain-Anwendungen sind nachstehend aufgeführt:

Der weitere Weg für Blockchain & IoT

Blockchain-, IoT- und Konnektivitätstechnologien wachsen als unabhängige Industrien, aber die Überschneidung dieser drei Technologien mag noch spannender sein. Die Blockchain eignet sich nicht für jeden IoT-Anwendungsfall, aber für einige der größten sozialen und geschäftlichen Herausforderungen von heute ist sie perfekt geeignet. Auf Seite der Verbraucher wird die Kombination aus Blockchain & IoT Datenschutz-lösungen bereitstellen und den Datenbesitz — und damit den Wert der Daten — von den Unternehmen wieder an die Verbrauchern zurückführen. Auf Unternehmensseite werden Blockchain & IoT Vertrauen zwischen sich ansonsten nicht vertrauenden Parteien schaffen und die Türen für brandneue Kundenansprachen und Geschäftsmöglichkeiten öffnen.

Mit der zunehmenden Konvergenz dieser Technologien werden wir zunehmend mehr Möglichkeiten für “Killer Use Cases” sehen, insbesondere in der IoT-Branche. Jetzt stehen wir vor großen technologischen Durchbrüchen in Bezug auf Skalierbarkeit der Blockchain, Datenschutz und Interoperabi-lität. Diese Verbesserungen des Base Layers werden die Benutzererfahrung von DApps drastisch verbessern, die derzeit aufgrund der schlechten Verwendbarkeit noch Akzeptanzschwierigkeiten haben. Das letzte Teil des Puzzles wird darin bestehen, kryptoökonomische Anreizstrukturen zu entwerfen, die Verbraucherpraktiken und Geschäftsmodelle in allen Branchen effektiv kodifizieren können. Die Zukunft des IoT wird dezentral sein — und das Beste steht uns noch bevor.

(Übersetzung des englischen Originals vom 6. Dezember 2018, erschienen auf Hacker Noon)

Über IoTeX

IoTeX ist eine auf Datenschutz und Sicherheit ausgerichtete Blockchain-Plattform, die schnell, flexibel und dadurch perfekt für das Internet der Dinge (IoT) geeignet ist. IoTeX’ Team besteht aus renommierten Forschern, erstklassigen Ingenieuren und hochkarätigen Ecosystem-Buildern. IoTeX wurde speziell für das IoT entwickelt und optimiert und nutzt modernste Datenschutz-, Konsens- und Subchain-Innovationen, um das volle Potenzial des IoT nutzen zu können. Indem es vertrauenswürdiger Daten, Interoperabilität und M2M-Automatisierung zusammenführt, verbindet IoTeX die physische und digitale Welt und ermöglicht dem Internet der Dinge und seinen Trusted Machine Economies die breite Einführung.

Webseite: https://iotex.io/

Twitter: https://twitter.com/iotex_io

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