协定改变硬体系统与芯片设计

 

2015年5月Google I/O年会期间，Google提出Brillo家庭物联网作业系统与Weave应用协定，并在8月推出官方Wi-Fi路由器Google OnHub率先支援Brillo、Weave技术。

 

而2014年6月WWDC(Worldwide Developers Conference)年会期间，苹果随iOS 8.0提出HomeKit构想，HomeKit是以OS X、iOS为主的应用程式框架，且能与协力业者的硬体配件互通，此互通协定称为HAP(HomeKit Accessory Protocol)。

 

时隔一年，2015年6月WWDC年会期间，苹果揭露首波支援HomeKit的协力业者硬体，共5家业者的产品通过认证，部分报导认为以1年发展时间而言，仅5家业者的产品通过，似乎过少。

 

Google的Weave协定与苹果的HAP协定，两者均倚赖现行无线网路来运作传递，HAP已确定以低能源蓝牙(Bluetooth Low Energy；BLE)或TCP/IP为基础来运作传递，TCP/IP在家庭中也意味著有线的乙太网路(Ethernet)或无线的Wi-Fi。

 

HomeKit配件协定建构在TCP/IP或BLE之上

 

 

资料来源：苹果，DIGITIMES整理，2015/9

 

Weave方面尚未由官方揭露协定堆叠(stack)架构，但Google官网已表示Weave协定可相容过往Nest生态圈的硬体产品(compatible with Nest)。事实上在Google尚未购并Nest Labs前，Nest Labs即已提出Weave协定，Weave协定以IEEE 802.15.4(即ZigBee)或IEEE 802.11(即Wi-Fi)为基础来运行传递。

 

Google购并Nest Labs后发起名为Thread Group的产业联盟，由联盟提出Thread协定技术，并负责协定技术的改版、推广与认证。Thread协定以IEEE 802.15.4为基础来运行，由此可见Thread协定与Nest Weave协定、Google Weave协定高度关联。

 

业界已对协定内容要求表示意见，且对现行硬体系统商、芯片商已产生影响，但HAP与Weave的影响程度却不同，以下本文将针对其差异与未来影响进行探讨。

 

Thread网路层协定架构图

 

 

资料来源：Thread团体，DIGITIMES整理，2015/9

 

 

HomeKit要求特殊芯片与加密

 

在首波通过HomeKit认证的硬体产品面市后，业者开始表达对支援HomeKit的开发困难与挑战，Elgato公司为首波5家通过业者之一，Elgato提到HAP协定规定必须采非对称密码系统，并使用Curve25519的椭圆曲线加密演算法(Elliptic curve cryptography；ECC)，对现行无线通讯芯片而言为一大负荷。

 

为了支援HAP的加密演算传输，现行无线通讯芯片的韧体程式空间占用量增加，芯片的运算负荷也增加，虽然耗占量仍在可接受范围，不需要换用更高容量的芯片，但运算负荷却明显影响硬体运作速度与耗电。

 

在HomeKit产品的验证测试中，有的产品达40秒的延迟，有的甚至达7分钟。业者表示若为遥控门锁应用，40秒时间宁可亲自去开门都较遥控快速。延迟问题尤以蓝牙芯片的产品较严重，Wi-Fi芯片的产品则冲击较小。此外若以蓝牙通讯进行HomeKit遥控，因高负荷的加密演算使产品的电力快速消耗，很快即要更换产品内的电池。

 

另外，2015年7月的矽谷嵌入式系统研讨会(Embedded Systems Conference Silicon Valley；ESC SV)期间电子工程专辑(EE Times)报导揭露，凡设计与生产支援HomeKit的硬体产品，需向苹果购买与使用1颗特殊的辨识芯片(ID chip)，许多硬体商对此抱怨，因为必须变更现有设计及增加成本。

 

苹果未说明辨识芯片的功能、用途，有人猜测该芯片甚至可以让云端的苹果总部知道装置的所在地理位置，言下之意硬体业者对安全性抱持高度怀疑。电子工程专辑也向苹果询问芯片的功能与价格，但未有回应。

 

附带一提的是，通过HomeKit认证也需通过苹果原有的MFi((Made for iPhone/iPod/iPad)认证，苹果会发予产品贴纸，贴纸上有8位数的数字，终端消费者购买产品后，必须在App上输入该组数字方能启用产品的HomeKit功能。

 

 

Curve25519简述

 

一般而言，消费性电子领域所用的蓝牙、Wi-Fi无线通讯，乃至产业用的ZigBee等无线通讯，多仅使用对称加密系统(不需要公众金钥)及128位元AES加密演算法，仅有对安全性要求较高的企业或机构会采行非对称加密系统，并采行2048位元长度的公众金钥及RSA(Rivest-Shamir-Adleman)加密演算法。

 

RSA加密演算法的好处在于省存储器空间、省运算力，但缺点是安全防护强度与金钥长度呈正比，2010年美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology；NIST)已建议停用1024位元的RSA，理由是安全性逐渐堪虑。

 

在非对称加密系统中，ECC演算较RSA演算吃重，但好处是可用较短的金钥达到相近的安全防护程度，一般而言256位元长度的ECC金钥，等同于3072位元长度RSA金钥的安全效果。

 

而苹果HomeKit所用的Curve25519为多种ECC的一种，由数学家Daniel J. Bernstein于2005年所提出，但至2013年才开始受重视，Curve25519的金钥长度为128位元，但防护力接近3072位元的RSA金钥(仍有部分学者对于128位元ECC金钥的防护力类同于2048位元RSA抱持怀疑)。

 

4种加密演算法与5种安全层级的对应

 

资料来源：NIST，DIGITIMES整理，2015/9

 

2014年12月蓝牙标准制定推行机构Bluetooth SIG推出4.2版蓝牙，此版在安全性标准中新加入可选用椭圆曲线演算，而苹果为Bluetooth SIG(Special Interest Group)董事之一，估此一安全增订与HomeKit相关。

 

 

 

■    新加密拖慢效能非首例

 

因为采行新加密演算法而明显拖慢芯片运作效率，HomeKit并非是首例，在2003年以前Wi-Fi芯片采对称式的WEP(Wired Equivalent Privacy)加密标准，此标准采行RC4(Ron Rivest)演算法。

 

2003年Wi-Fi联盟提出新的WPA(Wi-Fi Protected Access)加密标准，为对称式密码、AES演算，虽然已售出的Wi-Fi路由器可由终端消费者透过韧体更新方式升级成WPA，但因为旧芯片运算效能有限，也未有针对AES演算的硬体加速设计，因而升级后明显拖慢无线收发表现，因此最终仍以购买新路由器(改采新芯片)以解决问题。

 

 

■    椭圆曲线演算非首例

 

苹果并非是第一个采行椭圆加密演算的业者，2003年大陆提出其国家Wi-Fi加密标准WAPI(WLAN Authentication and Privacy Infrastructure)，该标准在对称密码系统上采SM4(由大陆中科院吕述望教授提出，原称SMS4，2012年改名为SM4)演算，在非对称密码系统上采ECC演算。

 

2003年大陆向国际标准机构提交WAPI，期望申请为国际标准，但ISO于2004年通过IEEE 802.11i标准，此标准在对称方面采AES演算，非对称方面采RSA演算，并在2006年退回大陆的WAPI提案，2009年再次提交，但2011年大陆自行撤回，ISO也随即撤销WAPI相关审议。

 

 

■    苹果高标要求非首例

 

对消费性电子应用采非对称密码系统及Cureve25519演算，似有小题大作之感，但高标要求非首例，2010年4月苹果提出其移动广告平台iAd，同年8月华尔街日报报导香奈儿(Chanel)退出该平台，之后10月Business Insider也报导爱迪达(Adidas)对苹果的广告审核过严感到不满因而取消广告计划。

 

 

■    部分芯片商决议改进芯片

 

目前通过苹果HomeKit认可的芯片主要为德州仪器(TI)、博通(Broadcom)、Marvell，对于运算过久导致遥控反应缓慢，博通与Marvell已表示将推出新的无线通讯芯片加以因应，有可能加速现有处理器的运算速度(Marvell现行芯片已采用Cortex-M3)，或可能加入硬体加速演算电路，若为后者可进一步减少电力损耗。

 

HomeKit伙伴博通、Marvell将因应推出加速版芯片

 

 

资料来源：苹果，DIGITIMES整理，2015/9

 

 

推敲Weave的无线通讯芯片要求

 

相对于苹果的HAP协定，Google提出的是Weave协定，若Weave协定与原有的Nest Weave相容，或与Thread技术相近，则可推敲出其芯片的安全需求，如前述，Nest Weave可使用IEEE 802.15.4及IEEE 802.11，而Thread仅可使用IEEE 802.15.4。

 

无论使用802.15.4或802.11，原有加密标准均为对称式密码系统，并使用128位元AES演算法，部分芯片业者甚至提供更高规的256位元AES加密演算，或以选用方式提供超标功能。

 

因此，最差状况为“Weave采行与Thread相同的要求”，如此对系统硬体商而言也必须更动设计，必须加入具有802.15.4无线射频芯片，甚至追加设置天线(如果使用的频段不是2.4GHz，而是915MHz或868MHz时)，而相关运算与韧体程式，可由原有系统的主控芯片负担。

 

虽由主控芯片负担，但一般而言不会产生如HomeKit支援开发时的状况，即不会过于耗电或产品反应效率明显拖慢，理由在于，无论ZigBee、Thread等以802.15.4标准为基础的网路协定，特别是ZigBee，仅以8位元微控制器的运算效能便可以实现，硬体需求度相当低，现行主控芯片多有余裕可因应，而Thread也相当强调省电特性。

 

若要追加芯片，则现有诸多芯片商均有提供802.15.4标准的无线射频芯片，如恩智浦(NXP)、德州仪器、Silicon Labs、飞思卡尔(Freescale，已由恩智浦购并)、Marvell、Microchip、GreenPeak等，不胜枚举。

 

相反的，Weave支援的最佳的状况为“现有Wi-Fi即可执行传递”，如此终端消费者有机会自行更新Wi-Fi路由器的韧体以获得Weave协定功能，不需重购路由器。

 

 

无线芯片企盼明确整合方向

 

在苹果未提出HomeKit、Google未提出Weave前，无线通讯芯片即已吹起整合、复合(combo)发展趋势，例如将Wi-Fi的无线射频芯片(Physical；PHY、Radio Frequency；RF)与Wi-Fi的基频芯片(MAC/BB)合一，形成系统单芯片，蓝牙也有类似的趋势，或将Wi-Fi与蓝牙整合成单一芯片，或加入调频调协器(FM tuner)、近场通讯(Near Field Communication；NFC)控制器等。

 

但芯片商提出的多功能整合，一方面运用摩尔定律的电路微缩精进，有更多的电路面积可发挥运用，另一方面多由芯片商推猜系统商可能的需求与应用情境，以决定新加入、整合的功能。

 

然而实际上，系统商因芯片商停供旧芯片，新芯片的价格、功耗、体积与旧芯片相仿，但内建更多功能，例如同时具备古典蓝牙(Bluetooth Classic)与低能源蓝牙(Bluetooth Low Energy或Bluetooth Smart)的通讯能力，系统商依然只使用古典蓝牙，而关闭(disable)或闲置(idle)低能源蓝牙的功能电路。

 

以实例而言，Apple Watch智能表内用及博通的BCM43342芯片，该芯片具备Wi-Fi、蓝牙、NFC、FM等4种功能，但截至2015年8月苹果多未强调Apple Watch的收音机功能，有可能永远关闭不用。

 

而HomeKit与Weave的出现，若日后逐渐成为主流大宗的家庭物联网协定，则有可能改变与引领无线通讯芯片的新整合、设计方向，例如加入硬体加速电路，加快轻椭圆曲线演算，同时精省用电。或者未来的Wi-Fi路由器芯片可能整合IEEE 802.15.4射频电路、基频电路，使Wi-Fi路由器能支援ZigBee、Thread、Weave等协定的通讯。

 

若有明确的新大宗应用路线出现，芯片商将减少以推猜方式发展其整合芯片，而由应用引领整合路线，或也可能针对某一明确应用专精发展，精简其电路功能与设计，进而减少电路面积，使每个晶圆可切割出更多颗芯片，以更大量、平价满足市场需求，如100Mbps、1Gbps乙太网路芯片即在后期、成熟发展时采此路线。

 

最后，现实状况是物联网主流协定尚未浮现，目前芯片业者不敢贸然推出更专注支援某协定的芯片，多以既有芯片因应需求，而制定协定的业者联盟，即便推出改版协定，也尽可能不去冲击、更动现有硬体，尽可能只以韧体程式量来实现，例如蓝牙4.1版、4.2版均标榜现有蓝牙芯片只要更新韧体便能支援。

 

若系统商要求更高的芯片整合度，则在一个芯片封装内拼凑多个裸晶，裸晶间以传统打线方式，或较先进的矽穿孔(Through-Silicon Via；TSV)方式加以连接，换言之为系统性封装(System in Package；SiP)，苹果Apple Watch表内的S1、三星的ARTIK等均采此路线。

 

此属规模需求未出现，但又有高整合度的妥协作法。芯片商期望HomeKit、Weave/Thread等能快速普及，让无线通讯芯片的新发展有更明确的技术、市场指引。

 

Apple Watch表内S1采SiP封装实现