蘋(píng)果HomeKit、Google Weave主張歧異 將沖擊無(wú)線通訊芯片設(shè)計(jì)

　　在眾業(yè)者如火如荼推展家庭物聯(lián)網(wǎng)的當(dāng)下，DIGITIMES Research發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果對(duì)其協(xié)力系統(tǒng)商在家用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)HomeKit的支援提出多項(xiàng)要求，協(xié)力系統(tǒng)商為滿足這些要求，必須變更原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、向蘋(píng)果購(gòu)買(mǎi)特殊芯片、并采行較現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高出許多的加密演算，加密演算大幅增加原有產(chǎn)品內(nèi)主控芯片運(yùn)算負(fù)荷，進(jìn)而明顯拖慢運(yùn)作并快速耗盡電力，此將迫使芯片商發(fā)展新主控芯片。

　　相對(duì)的，Nest Labs為主所發(fā)起的Thread協(xié)定，或Google提出的Weave協(xié)定，乃至產(chǎn)業(yè)用的ZigBee，或消費(fèi)性Wi-Fi、藍(lán)牙等，多采行一般加密演算，即128位元AES(Advanced Encryption Standard)加密，幾乎不用改變現(xiàn)行設(shè)計(jì)。

　　DIGITIMES Research研判，Weave協(xié)定最差情況下需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上追加一顆IEEE 802.15.4射頻芯片及天線，如此仍必須更動(dòng)現(xiàn)行設(shè)計(jì)，但此變更屬小幅變更，且有許多芯片商均能供應(yīng)IEEE 802.15.4射頻芯片，系統(tǒng)商不會(huì)受太多限制。

　　展望后續(xù)發(fā)展，無(wú)線通訊芯片業(yè)者期望主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)定早日浮現(xiàn)，如此將可開(kāi)發(fā)、推展更專(zhuān)注支援新協(xié)定的芯片，目前芯片商已針對(duì)HomeKit加密運(yùn)算吃重問(wèn)題研擬新芯片，估計(jì)未來(lái)新芯片也將有更多因應(yīng)協(xié)定需求的設(shè)計(jì)。

　　首波通過(guò)HomeKit認(rèn)證的5項(xiàng)產(chǎn)品

　　協(xié)定改變硬體系統(tǒng)與芯片設(shè)計(jì)

　　2015年5月Google I/O年會(huì)期間，Google提出Brillo家庭物聯(lián)網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)與Weave應(yīng)用協(xié)定，并在8月推出官方Wi-Fi路由器Google OnHub率先支援Brillo、Weave技術(shù)。

　　而2014年6月WWDC(Worldwide Developers Conference)年會(huì)期間，蘋(píng)果隨iOS 8.0提出HomeKit構(gòu)想，HomeKit是以O(shè)S X、iOS為主的應(yīng)用程式框架，且能與協(xié)力業(yè)者的硬體配件互通，此互通協(xié)定稱(chēng)為HAP(HomeKit Accessory Protocol)。

　　時(shí)隔一年，2015年6月WWDC年會(huì)期間，蘋(píng)果揭露首波支援HomeKit的協(xié)力業(yè)者硬體，共5家業(yè)者的產(chǎn)品通過(guò)認(rèn)證，部分報(bào)導(dǎo)認(rèn)為以1年發(fā)展時(shí)間而言，僅5家業(yè)者的產(chǎn)品通過(guò)，似乎過(guò)少。

　　Google的Weave協(xié)定與蘋(píng)果的HAP協(xié)定，兩者均倚賴現(xiàn)行無(wú)線網(wǎng)路來(lái)運(yùn)作傳遞，HAP已確定以低能源藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy;BLE)或TCP/IP為基礎(chǔ)來(lái)運(yùn)作傳遞，TCP/IP在家庭中也意味著有線的乙太網(wǎng)路(Ethernet)或無(wú)線的Wi-Fi。

　　HomeKit配件協(xié)定建構(gòu)在TCP/IP或BLE之上

　　Weave方面尚未由官方揭露協(xié)定堆疊(stack)架構(gòu)，但Google官網(wǎng)已表示W(wǎng)eave協(xié)定可相容過(guò)往Nest生態(tài)圈的硬體產(chǎn)品(compatible with Nest)。事實(shí)上在Google尚未購(gòu)并Nest Labs前，Nest Labs即已提出Weave協(xié)定，Weave協(xié)定以IEEE 802.15.4(即ZigBee)或IEEE 802.11(即Wi-Fi)為基礎(chǔ)來(lái)運(yùn)行傳遞。

　　Google購(gòu)并Nest Labs后發(fā)起名為T(mén)hread Group的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，由聯(lián)盟提出Thread協(xié)定技術(shù)，并負(fù)責(zé)協(xié)定技術(shù)的改版、推廣與認(rèn)證。Thread協(xié)定以IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)來(lái)運(yùn)行，由此可見(jiàn)Thread協(xié)定與Nest Weave協(xié)定、Google Weave協(xié)定高度關(guān)聯(lián)。

　　業(yè)界已對(duì)協(xié)定內(nèi)容要求表示意見(jiàn)，且對(duì)現(xiàn)行硬體系統(tǒng)商、芯片商已產(chǎn)生影響，但HAP與Weave的影響程度卻不同，以下本文將針對(duì)其差異與未來(lái)影響進(jìn)行探討。

　　Thread網(wǎng)路層協(xié)定架構(gòu)圖

　　HomeKit要求特殊芯片與加密

　　在首波通過(guò)HomeKit認(rèn)證的硬體產(chǎn)品面市后，業(yè)者開(kāi)始表達(dá)對(duì)支援HomeKit的開(kāi)發(fā)困難與挑戰(zhàn)，Elgato公司為首波5家通過(guò)業(yè)者之一，Elgato提到HAP協(xié)定規(guī)定必須采非對(duì)稱(chēng)密碼系統(tǒng)，并使用Curve25519的橢圓曲線加密演算法(Elliptic curve cryptography;ECC)，對(duì)現(xiàn)行無(wú)線通訊芯片而言為一大負(fù)荷。

　　為了支援HAP的加密演算傳輸，現(xiàn)行無(wú)線通訊芯片的韌體程式空間占用量增加，芯片的運(yùn)算負(fù)荷也增加，雖然耗占量仍在可接受范圍，不需要換用更高容量的芯片，但運(yùn)算負(fù)荷卻明顯影響硬體運(yùn)作速度與耗電。

　　在HomeKit產(chǎn)品的驗(yàn)證測(cè)試中，有的產(chǎn)品達(dá)40秒的延遲，有的甚至達(dá)7分鐘。業(yè)者表示若為遙控門(mén)鎖應(yīng)用，40秒時(shí)間寧可親自去開(kāi)門(mén)都較遙控快速。延遲問(wèn)題尤以藍(lán)牙芯片的產(chǎn)品較嚴(yán)重，Wi-Fi芯片的產(chǎn)品則沖擊較小。此外若以藍(lán)牙通訊進(jìn)行HomeKit遙控，因高負(fù)荷的加密演算使產(chǎn)品的電力快速消耗，很快即要更換產(chǎn)品內(nèi)的電池。

　　另外，2015年7月的矽谷嵌入式系統(tǒng)研討會(huì)(Embedded Systems Conference Silicon Valley;ESC SV)期間電子工程專(zhuān)輯(EE Times)報(bào)導(dǎo)揭露，凡設(shè)計(jì)與生產(chǎn)支援HomeKit的硬體產(chǎn)品，需向蘋(píng)果購(gòu)買(mǎi)與使用1顆特殊的辨識(shí)芯片(ID chip)，許多硬體商對(duì)此抱怨，因?yàn)楸仨氉兏F(xiàn)有設(shè)計(jì)及增加成本。

　　蘋(píng)果未說(shuō)明辨識(shí)芯片的功能、用途，有人猜測(cè)該芯片甚至可以讓云端的蘋(píng)果總部知道裝置的所在地理位置，言下之意硬體業(yè)者對(duì)安全性抱持高度懷疑。電子工程專(zhuān)輯也向蘋(píng)果詢問(wèn)芯片的功能與價(jià)格，但未有回應(yīng)。

　　附帶一提的是，通過(guò)HomeKit認(rèn)證也需通過(guò)蘋(píng)果原有的MFi((Made for iPhone/iPod/iPad)認(rèn)證，蘋(píng)果會(huì)發(fā)予產(chǎn)品貼紙，貼紙上有8位數(shù)的數(shù)字，終端消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品后，必須在App上輸入該組數(shù)字方能啟用產(chǎn)品的HomeKit功能。

　　Curve25519簡(jiǎn)述

　　一般而言，消費(fèi)性電子領(lǐng)域所用的藍(lán)牙、Wi-Fi無(wú)線通訊，乃至產(chǎn)業(yè)用的ZigBee等無(wú)線通訊，多僅使用對(duì)稱(chēng)加密系統(tǒng)(不需要公眾金鑰)及128位元AES加密演算法，僅有對(duì)安全性要求較高的企業(yè)或機(jī)構(gòu)會(huì)采行非對(duì)稱(chēng)加密系統(tǒng)，并采行2048位元長(zhǎng)度的公眾金鑰及RSA(Rivest-Shamir-Adleman)加密演算法。

　　RSA加密演算法的好處在于省存儲(chǔ)器空間、省運(yùn)算力，但缺點(diǎn)是安全防護(hù)強(qiáng)度與金鑰長(zhǎng)度呈正比，2010年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology;NIST)已建議停用1024位元的RSA，理由是安全性逐漸堪慮。

　　在非對(duì)稱(chēng)加密系統(tǒng)中，ECC演算較RSA演算吃重，但好處是可用較短的金鑰達(dá)到相近的安全防護(hù)程度，一般而言256位元長(zhǎng)度的ECC金鑰，等同于3072位元長(zhǎng)度RSA金鑰的安全效果。

　　而蘋(píng)果HomeKit所用的Curve25519為多種ECC的一種，由數(shù)學(xué)家Daniel J. Bernstein于2005年所提出，但至2013年才開(kāi)始受重視，Curve25519的金鑰長(zhǎng)度為128位元，但防護(hù)力接近3072位元的RSA金鑰(仍有部分學(xué)者對(duì)于128位元ECC金鑰的防護(hù)力類(lèi)同于2048位元RSA抱持懷疑)。

　　4種加密演算法與5種安全層級(jí)的對(duì)應(yīng)

　　2014年12月藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)制定推行機(jī)構(gòu)Bluetooth SIG推出4.2版藍(lán)牙，此版在安全性標(biāo)準(zhǔn)中新加入可選用橢圓曲線演算，而蘋(píng)果為Bluetooth SIG(Special Interest Group)董事之一，估此一安全增訂與HomeKit相關(guān)。

　　■ 新加密拖慢效能非首例

　　因?yàn)椴尚行录用苎菟惴ǘ黠@拖慢芯片運(yùn)作效率，HomeKit并非是首例，在2003年以前Wi-Fi芯片采對(duì)稱(chēng)式的WEP(Wired Equivalent Privacy)加密標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)采行RC4(Ron Rivest)演算法。

　　2003年Wi-Fi聯(lián)盟提出新的WPA(Wi-Fi Protected Access)加密標(biāo)準(zhǔn)，為對(duì)稱(chēng)式密碼、AES演算，雖然已售出的Wi-Fi路由器可由終端消費(fèi)者透過(guò)韌體更新方式升級(jí)成WPA，但因?yàn)榕f芯片運(yùn)算效能有限，也未有針對(duì)AES演算的硬體加速設(shè)計(jì)，因而升級(jí)后明顯拖慢無(wú)線收發(fā)表現(xiàn)，因此最終仍以購(gòu)買(mǎi)新路由器(改采新芯片)以解決問(wèn)題。

　　■ 橢圓曲線演算非首例

　　蘋(píng)果并非是第一個(gè)采行橢圓加密演算的業(yè)者，2003年大陸提出其國(guó)家Wi-Fi加密標(biāo)準(zhǔn)WAPI(WLAN Authentication and Privacy Infrastructure)，該標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)稱(chēng)密碼系統(tǒng)上采SM4(由大陸中科院呂述望教授提出，原稱(chēng)SMS4，2012年改名為SM4)演算，在非對(duì)稱(chēng)密碼系統(tǒng)上采ECC演算。

　　2003年大陸向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交WAPI，期望申請(qǐng)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但I(xiàn)SO于2004年通過(guò)IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)稱(chēng)方面采AES演算，非對(duì)稱(chēng)方面采RSA演算，并在2006年退回大陸的WAPI提案，2009年再次提交，但2011年大陸自行撤回，ISO也隨即撤銷(xiāo)WAPI相關(guān)審議。

　　■ 蘋(píng)果高標(biāo)要求非首例

　　對(duì)消費(fèi)性電子應(yīng)用采非對(duì)稱(chēng)密碼系統(tǒng)及Cureve25519演算，似有小題大作之感，但高標(biāo)要求非首例，2010年4月蘋(píng)果提出其移動(dòng)廣告平臺(tái)iAd，同年8月華爾街日?qǐng)?bào)報(bào)導(dǎo)香奈兒(Chanel)退出該平臺(tái)，之后10月Business Insider也報(bào)導(dǎo)愛(ài)迪達(dá)(Adidas)對(duì)蘋(píng)果的廣告審核過(guò)嚴(yán)感到不滿因而取消廣告計(jì)劃。

　　■ 部分芯片商決議改進(jìn)芯片

　　目前通過(guò)蘋(píng)果HomeKit認(rèn)可的芯片主要為德州儀器(TI)、博通(Broadcom)、Marvell，對(duì)于運(yùn)算過(guò)久導(dǎo)致遙控反應(yīng)緩慢，博通與Marvell已表示將推出新的無(wú)線通訊芯片加以因應(yīng)，有可能加速現(xiàn)有處理器的運(yùn)算速度(Marvell現(xiàn)行芯片已采用Cortex-M3)，或可能加入硬體加速演算電路，若為后者可進(jìn)一步減少電力損耗。

　　HomeKit伙伴博通、Marvell將因應(yīng)推出加速版芯片

　　推敲Weave的無(wú)線通訊芯片要求

　　相對(duì)于蘋(píng)果的HAP協(xié)定，Google提出的是Weave協(xié)定，若Weave協(xié)定與原有的Nest Weave相容，或與Thread技術(shù)相近，則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僅可使用IEEE 802.15.4。

　　無(wú)論使用802.15.4或802.11，原有加密標(biāo)準(zhǔn)均為對(duì)稱(chēng)式密碼系統(tǒng)，并使用128位元AES演算法，部分芯片業(yè)者甚至提供更高規(guī)的256位元AES加密演算，或以選用方式提供超標(biāo)功能。

　　因此，最差狀況為“Weave采行與Thread相同的要求”，如此對(duì)系統(tǒng)硬體商而言也必須更動(dòng)設(shè)計(jì)，必須加入具有802.15.4無(wú)線射頻芯片，甚至追加設(shè)置天線(如果使用的頻段不是2.4GHz，而是915MHz或868MHz時(shí))，而相關(guān)運(yùn)算與韌體程式，可由原有系統(tǒng)的主控芯片負(fù)擔(dān)。

　　雖由主控芯片負(fù)擔(dān)，但一般而言不會(huì)產(chǎn)生如HomeKit支援開(kāi)發(fā)時(shí)的狀況，即不會(huì)過(guò)于耗電或產(chǎn)品反應(yīng)效率明顯拖慢，理由在于，無(wú)論ZigBee、Thread等以802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的網(wǎng)路協(xié)定，特別是ZigBee，僅以8位元微控制器的運(yùn)算效能便可以實(shí)現(xiàn)，硬體需求度相當(dāng)?shù)?，現(xiàn)行主控芯片多有余裕可因應(yīng)，而Thread也相當(dāng)強(qiáng)調(diào)省電特性。

　　若要追加芯片，則現(xiàn)有諸多芯片商均有提供802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線射頻芯片，如恩智浦(NXP)、德州儀器、Silicon Labs、飛思卡爾(Freescale，已由恩智浦購(gòu)并)、Marvell、Microchip、GreenPeak等，不勝枚舉。

　　相反的，Weave支援的最佳的狀況為“現(xiàn)有Wi-Fi即可執(zhí)行傳遞”，如此終端消費(fèi)者有機(jī)會(huì)自行更新Wi-Fi路由器的韌體以獲得Weave協(xié)定功能，不需重購(gòu)路由器。

　　無(wú)線芯片企盼明確整合方向

　　在蘋(píng)果未提出HomeKit、Google未提出Weave前，無(wú)線通訊芯片即已吹起整合、復(fù)合(combo)發(fā)展趨勢(shì)，例如將Wi-Fi的無(wú)線射頻芯片(Physical;PHY、Radio Frequency;RF)與Wi-Fi的基頻芯片(MAC/BB)合一，形成系統(tǒng)單芯片，藍(lán)牙也有類(lèi)似的趨勢(shì)，或?qū)i-Fi與藍(lán)牙整合成單一芯片，或加入調(diào)頻調(diào)協(xié)器(FM tuner)、近場(chǎng)通訊(Near Field Communication;NFC)控制器等。

　　但芯片商提出的多功能整合，一方面運(yùn)用摩爾定律的電路微縮精進(jìn)，有更多的電路面積可發(fā)揮運(yùn)用，另一方面多由芯片商推猜系統(tǒng)商可能的需求與應(yīng)用情境，以決定新加入、整合的功能。

　　然而實(shí)際上，系統(tǒng)商因芯片商停供舊芯片，新芯片的價(jià)格、功耗、體積與舊芯片相仿，但內(nèi)建更多功能，例如同時(shí)具備古典藍(lán)牙(Bluetooth Classic)與低能源藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy或Bluetooth Smart)的通訊能力，系統(tǒng)商依然只使用古典藍(lán)牙，而關(guān)閉(disable)或閑置(idle)低能源藍(lán)牙的功能電路。

　　以實(shí)例而言，Apple Watch智能表內(nèi)用及博通的BCM43342芯片，該芯片具備Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC、FM等4種功能，但截至2015年8月蘋(píng)果多未強(qiáng)調(diào)Apple Watch的收音機(jī)功能，有可能永遠(yuǎn)關(guān)閉不用。

　　而HomeKit與Weave的出現(xiàn)，若日后逐漸成為主流大宗的家庭物聯(lián)網(wǎng)協(xié)定，則有可能改變與引領(lǐng)無(wú)線通訊芯片的新整合、設(shè)計(jì)方向，例如加入硬體加速電路，加快輕橢圓曲線演算，同時(shí)精省用電。或者未來(lái)的Wi-Fi路由器芯片可能整合IEEE 802.15.4射頻電路、基頻電路，使Wi-Fi路由器能支援ZigBee、Thread、Weave等協(xié)定的通訊。

　　若有明確的新大宗應(yīng)用路線出現(xiàn)，芯片商將減少以推猜方式發(fā)展其整合芯片，而由應(yīng)用引領(lǐng)整合路線，或也可能針對(duì)某一明確應(yīng)用專(zhuān)精發(fā)展，精簡(jiǎn)其電路功能與設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少電路面積，使每個(gè)晶圓可切割出更多顆芯片，以更大量、平價(jià)滿足市場(chǎng)需求，如100Mbps、1Gbps乙太網(wǎng)路芯片即在后期、成熟發(fā)展時(shí)采此路線。

　　最后，現(xiàn)實(shí)狀況是物聯(lián)網(wǎng)主流協(xié)定尚未浮現(xiàn)，目前芯片業(yè)者不敢貿(mào)然推出更專(zhuān)注支援某協(xié)定的芯片，多以既有芯片因應(yīng)需求，而制定協(xié)定的業(yè)者聯(lián)盟，即便推出改版協(xié)定，也盡可能不去沖擊、更動(dòng)現(xiàn)有硬體，盡可能只以韌體程式量來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如藍(lán)牙4.1版、4.2版均標(biāo)榜現(xiàn)有藍(lán)牙芯片只要更新韌體便能支援。

　　若系統(tǒng)商要求更高的芯片整合度，則在一個(gè)芯片封裝內(nèi)拼湊多個(gè)裸晶，裸晶間以傳統(tǒng)打線方式，或較先進(jìn)的矽穿孔(Through-Silicon Via;TSV)方式加以連接，換言之為系統(tǒng)性封裝(System in Package;SiP)，蘋(píng)果Apple Watch表內(nèi)的S1、三星的ARTIK等均采此路線。

　　此屬規(guī)模需求未出現(xiàn)，但又有高整合度的妥協(xié)作法。芯片商期望HomeKit、Weave/Thread等能快速普及，讓無(wú)線通訊芯片的新發(fā)展有更明確的技術(shù)、市場(chǎng)指引。

　　Apple Watch表內(nèi)S1采SiP封裝實(shí)現(xiàn)