1. PolarChain 技術框架圖
2. Polar OS
眾所周知，IT 資訊科技的基礎框架中包含三大組成部分 – 計算處理、儲存、以及網路。以 IoT 的未來發展潛力來看，IT 領域的計算處理能力將隨著 IoT 業務的普及化而不斷提升；而在網路及儲存層面，則可以直接受益於 OS（Operating System）作業系統的進化迭代。作為專案核心技術，Polar OS 是一款基於 Linux 定製精簡和強化的作業系統，可為 POC、POW、POS 類公鏈提供一個可信任的執行環境。
物聯網預計將在接下來的幾年時間中，逐步走近數十億消費者身邊，滲透進城市和企業所使用的各種裝置。這樣的發展速度，也給物聯網系統的安全要求提出了巨大的挑戰。遍佈世界的物聯網裝置已經引起了駭客的注意，這就迫使我們在利用 p2p 技術的同時，要保證端對端系統的安全，以此來為使用者及整個 IoT 行業提供資料安全保障。下圖是星際位元 OS 系統的技術架構圖。
2. Polar OS 安全協議
Interplanetary File System 星際檔案系統(IPFS) 是點對點（peerto-peer，簡稱p2p）檔案共享系統，旨在從根本上改變資訊在全球範圍內的傳播方式。IPFS 本質是分散式的檔案系統，旨在用同一個檔案系統來連線所有的計算裝置。這和傳統的伺服器/客戶端的檔案系統有著極大的不同，基於 IPFS 協議構建的網站是完全分散式的，沒有源伺服器，而且可以完全在客戶端的瀏覽器上執行。
IPFS 是很多領先技術的結合體，例如 Kademlia DHT（Distributed HashTables）分散式雜湊表這種資料結構被用來執行檔案的分發工作，以便有效地協調，實現節點之間的有效訪問和查詢。透過分散式雜湊表，節點可以儲存和共享資料，而無需中央協調；利用 Merkle DAG （Merkle 樹和有向無環圖 Directed Acyclic Graph 的混合體）確保在 p2p 網路上交換的資料塊是正確的、沒有受到損害的和未被修改的。在 IPFS 中，雜湊值（hash value）替代了傳統網際網路體系中的 URL，利用獨一無二的雜湊值，我們能夠輕易驗證儲存於 IPFS 網路中資訊的真偽及完整性（IPFS 上的所有內容能夠被唯一地標識，因為每個資料塊有獨一無二的雜湊值。此外，資料是防篡改的，因為資料的更改會改變雜湊值）。Hash Value 的簡潔性使得 IPFS 成為區塊鏈系統中理想的儲存層。
利用 IPFS 作為儲存協議的同時，我們使用 libp2p 作為 p2p 工程的底層協議構建了 p2p 網路，以確保可以輕鬆應對各種複雜的網路環境。libp2p作為整個網路層，可以實現發現節點、連線節點、發現資料、傳輸資料的功能。利用 js-libp2p，千千萬萬的節點被連線起來，只要透過瀏覽器即可以實現節點之間的通訊。而 libp2p 在 IoT 領域的最大優勢是，它可以支援不同傳輸層之間的通訊，不必擔心其它的因素。透過 DHT 及 MDNS，libp2p 可以進行節點發現，並透過 pubsub 進行資訊傳輸，十分符合 IoT 裝置所處的應用場景。
3. Polar OS 資料安全
利用 p2p 網路、IPFS 協議等，我們實現了整個作業系統的安全性。接下來，我們將詳細介紹如何實現網路中資料的真實性及完整性，最後我們將展示如何在無信任的環境中達成節點中的共識。
在大多數 IoT 和 P2P 的應用場景中，需要了解儲存資料的位置及所有權，以進行協調及運算執行。區塊鏈技術天賦的屬性，使得鏈上資料能夠防止被篡改，被複制，這也使得區塊鏈變成理想的資訊儲存介質。Ericsson提出了使用以區塊鏈為基礎的系統，進行數字資產的溯源；而 Viant 則利用區塊鏈技術進行對供應鏈的溯源追蹤。以太坊是一種加密貨幣，由圖靈完備可程式語言構建而成。而以太坊網路的智慧合約是可以一次性以確定性和不可否認的方式執行的程式。藉助智慧合約，我們可以構建在特定條件下執行的程式。一個示例用法是 Town Crier。可程式設計區塊鏈的一個最大弱點是在平臺上執行的程式必須是確定性的，因為程式的結果必須是可公開驗證的，這就使得服務依賴於易受攻擊的單一來源。比如，我們不能在 EVM 上執行web crawler。由於 crawler 的結果差異很大，不同的人會得到不同的網站。Town crier 則使用 Intel 的 SGX，利用可信的方式傳遞感測器資料，識別故障節點。
虛擬化技術是將計算機的各種實體資源(CPU、記憶體、磁碟空間、網路介面卡等)資源池化，並使用 軟體進行智慧化排程，由此打破實體結構間不可分割的障礙，使使用者可以比原本配置更好的方式應用硬體 資源。邊緣計算中計算、儲存、網路資源均採用了虛擬化技術。邊緣計算中，裝置就近將資料整合並儲存 到最近的移動邊緣平臺(虛擬資源池)上，多個第三方應用和功能共享平臺層，極大地方便了移動邊緣計 算實現統一的資源管理;同時網路虛擬化技術提升了資料傳輸的智慧化程度，減少傳輸時間，使得網路傳輸進一步最佳化。
4. 共識演算法
在上述的討論中，我們已經提供了驗證 IoT 資料的真實性和完整性的解決方案。然而，僅僅依靠這些技術，我們仍無法解決 IoT 網路中出現的共識問題。因為總會存在一些故障節點（由於電源故障，bug 或其它原因導致）。作惡節點是導致網路遭受 sybil 攻擊的原因之一，為了應對這一系列問題，我們需要行之有效的共識演算法。值得一提的是，目前通用的 PoW 共識演算法並不適用於 IoT 的商業應用場景。大多數接入 IoT 網路的裝置都有算力及儲存能力的侷限性，而 PoW 帶來的極高能耗是不符合這一場景特性的。不誇張地說，單一的共識演算法並無法適應 IoT 多種多樣的應用場景，我們應該做的，是將共識演算法模板化，以適應不同的應用場景。
在 IoT 的應用場景中，裝置不斷離開和連線到網路的現象是極為頻繁的，我們無法保證在特定時間內某個裝置可以確定被訪問到。同樣，IoT 裝置對環境的敏感性使得這一問題更加凸顯，很多裝置會時不時失靈。
解決這類的問題一般要採用故障容錯演算法(CFT)來構建同步容錯系統。最常用的方式就是透過 Paxos 協議及其變種來實現的狀態機複製（state machine replication）。Paxos 演算法是由 Lamport 提出的，該機制將節點分為兩類，領袖（提議者）和追隨者（接受者），整個演算法的大致流程如下所示：
Paxos 演算法是由 Lamport 提出的，該機制將節點分為兩類，領袖（提議者）和追隨者（接受者），整個演算法的大致流程如下所示：
• 客戶端傳送請求給領袖節點、
• 領袖節點傳送提議給每一個追隨者
• 追隨者進行運算，返回給領袖結果
• 透過判斷返回的結果，領袖節點傳送合適的值給追隨
• 追隨者返回自己的判斷，接受/不接受領袖的傳送的值
• 如果絕大多數的追隨者接受這一值，則全部網路將選擇其為最終的結果。
Paxos 演算法能夠大大簡化共識達成的流程，但是在分散式系統中，作惡節點如果成為領袖，結果將是災難性的。尤其是在 IoT 的應用場景下，我們需要多方無信任節點的共識。
Lamport 在 The Byzantine Generals Problem 曾經討論過這一問題，如何在任意節點都可能作惡的情況下，達成系統共識。他提出一種演算法，能夠在廣泛意義上解決拜占庭問題，但是這種演算法的成本過高也並不實用。而Practical Byzantine Fault Tolerance 這篇論文則提出了一種切實有效的解決辦法。PBFT 演算法在多程序系統中，同時滿足了 safety 和 liveness 的要求。Paxos 和 PBFT 的最大區別在於，PBFT 在主要節點作惡的情況下仍然能夠執行。但是 PBFT 演算法要求網路中的每一個節點都要進行通訊，這對於整個網路的可拓展性是極大的限制。為了解決這一問題，我們提出了硬體協助的金鑰共享機制（hardware-assisted secret sharing）。在這一機制中，我們不將資訊傳送至每個節點，而是傳送至主節點(the primary node),而後者將對其進行集合、傳輸處理。不過，如果主節點作惡的話，它將把錯誤的資訊傳送給其它不作惡的節點。我們採用了其它的一些機制來避免這一問題。首先，我們可以藉助公鑰機制保證資訊不被篡改。對於 IoT 應用場景來說，更合適的方法是藉助 TEE（Trusted Execution Environment）可信應用環境。要使用 TEE 安全有效地傳送訊息，我們需要使用安全區域（Secure Enclave）來儲存用於通訊的秘密。即使受損節點可以無限期地執行，故障節點也無法檢索這些機密。 完整的實現機制，可以參閱 Scalable Byzantine Consensus via Hardware-assisted Secret Sharing。
雲技術可實現按使用者需求使用資源，網路和服務部署的靈活性和可擴充套件性高。邊緣計算需要滿足多用 戶共享網路邊緣計算和儲存資源，但伺服器容量相比起雲端計算處理中心的伺服器容量較小，因此需要引入雲化的軟體架構，將軟體功能按照不同能力屬性分層解耦部署，實現有限資源條件下任務處理更具高可靠性、高靈活性與高效能。
PolarChain 未來商業場景
1. 影片加速
智慧影片加速業務主要是透過縮短內容的開始時間和減少影片停止時間，提升使用者的體驗質量（QoE），並保證無線網路資源的最大利用。
2. CDN
隨著移動網際網路技術的快速發展,行動網路資料流量呈現出爆發式增長的趨勢.根據 2017 年思科 VNI 報告,到 2021 年,全球移動資料流量將達到每月 49EB,移動影片流量將佔全球移動資料流量的 78%。 內容提供商每日都會上傳成千上萬個影片內容,這樣的內容大量儲存在提供商的集中式資料庫中,然後從源格式轉換為最終傳遞格式,分發到位於網路不同位置的多個流伺服器中,並進行進一步傳遞。儘管進行了內容分發工作,但內容到使用者的距離依舊很遠,特別是在移動環境境中,由於緩衝問題和抖動,個別使用者可能會遇到服務中斷。因此, PolarChian 透過將 CDN 服務擴充套件到移動邊緣來提供分散式快取,可以增強使用者的 QoE,並減少回程網和核心網的使用。
3. 物聯網
物聯網作為下一個推動世界高速發展的“重要生產力”,近年來得以迅速發展。“物聯網”概念是在“網際網路”概念的基礎上,將其使用者端延伸和擴充套件到任何物品與物品之間,進行資訊交換和通訊的一種網路概念。物聯網是指透過各種資訊感測裝置,實時採集任何需要監控、連線、互動的物體或過程等各種需要的資訊,與網際網路結合形成的一個巨大網路。
PolarChian 可以更輕鬆地整合和規範化資料。智慧裝置上的 I/0 裝置可以輕鬆連線傳統工業系統和 PolarChian 網路。閘道器可以使用 Wi-Fi、WWAN 和乙太網與終端進行連線和通訊。另外,閘道器的處理能力支援中間裝置對來自所有不同協議(從 ModBus、BACnet 到 Zigbee 等)的資料進行彙總、轉換和標準化,再透過閘道器將資料傳送到核心網上。PolarChian 可以對連線的終端進行邊緣分析,將決策轉移到邊緣,提供實時操作,還可以幫助管理網路問題,透過決定資料是否移動到邊緣來解決網路頻寬問題。
4. 車聯網
車聯網(Internet of Vehicle)一般認為是由車輛位置、速度和路線等資訊構成的巨大互動網路。車聯網服務不斷髮展,並且在接下來的幾年內仍會保持持續擴張的態勢。 為了有一個穩健的發展基礎,必須先滿足連通性的要求,而這將導致互聯車輛中感測器和處理器傳輸資料流量的急劇增加。 連線需求可能會根據所提供的服務有所不同,包括不同的延遲級別、資料接近度、計算成本和頻寬可用性。
PolarChain 技術可以用於將車聯網雲擴充套件到高度分佈的移動基站環境中,並且使資料和應用能夠在車輛附近部署。 應用程式可以執行在PolarChain 伺服器上,這些伺服器部署在 LTE 基站站點上,如小的單元站點或聚集的站點位置,以提供路邊功能。PolarChain 技術為互聯車輛所依賴的新一類應用提供了一個平臺,當互聯車輛移動或與路邊感測器通訊時,資料與應用依舊能夠處於靠近互聯車輛的地方。PolarChain 還能為應用程式提供託管服務,為應用程式提供更低的延遲。 PolarChain 應用程式可以直接從車輛和路邊感測器中的應用程式接收本地訊息,對其進行分析,然後將(具有極低延遲)危險警告和其他等待時間敏感資訊傳播到該區域的其他車輛,這使附近的汽車可以在幾毫秒內接收資料,從而允許駕駛員立即做出反應。
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