蘋果HomeKit、Google Weave主張歧異 將沖擊無線通訊芯片設(shè)計

　　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)，蘋果對其協(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、向蘋果購買特殊芯片、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)主控芯片運算負(fù)荷，進(jìn)而明顯拖慢運作并快速耗盡電力，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。

　　DIGITIMES Research研判，Weave協(xié)定最差情況下需在系統(tǒng)設(shè)計上追加一顆IEEE 802.15.4射頻芯片及天線，如此仍必須更動現(xiàn)行設(shè)計，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)商不會受太多限制。

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

　　首波通過HomeKit認(rèn)證的5項產(chǎn)品

　　協(xié)定改變硬體系統(tǒng)與芯片設(shè)計

　　2015年5月Google I/O年會期間，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)年會期間，蘋果隨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)定稱為HAP(HomeKit Accessory Protocol)。

　　時隔一年，2015年6月WWDC年會期間，蘋果揭露首波支援HomeKit的協(xié)力業(yè)者硬體，共5家業(yè)者的產(chǎn)品通過認(rèn)證，部分報導(dǎo)認(rèn)為以1年發(fā)展時間而言，僅5家業(yè)者的產(chǎn)品通過，似乎過少。

　　Google的Weave協(xié)定與蘋果的HAP協(xié)定，兩者均倚賴現(xiàn)行無線網(wǎng)路來運作傳遞，HAP已確定以低能源藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy;BLE)或TCP/IP為基礎(chǔ)來運作傳遞，TCP/IP在家庭中也意味著有線的乙太網(wǎng)路(Ethernet)或無線的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)定可相容過往Nest生態(tài)圈的硬體產(chǎn)品(compatible with Nest)。事實上在Google尚未購并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)來運行傳遞。

　　Google購并Nest Labs后發(fā)起名為Thread 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)來運行，由此可見Thread協(xié)定與Nest Weave協(xié)定、Google Weave協(xié)定高度關(guān)聯(lián)。

　　業(yè)界已對協(xié)定內(nèi)容要求表示意見，且對現(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，以下本文將針對其差異與未來影響進(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HomeKit認(rèn)證的硬體產(chǎn)品面市后，業(yè)者開始表達(dá)對支援HomeKit的開發(fā)困難與挑戰(zhàn)，Elgato公司為首波5家通過業(yè)者之一，Elgato提到HAP協(xié)定規(guī)定必須采非對稱密碼系統(tǒng)，并使用Curve25519的橢圓曲線加密演算法(Elliptic curve cryptography;ECC)，對現(xiàn)行無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)行無線通訊芯片的韌體程式空間占用量增加，芯片的運算負(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，但運算負(fù)荷卻明顯影響硬體運作速度與耗電。

　　在HomeKit產(chǎn)品的驗證測試中，有的產(chǎn)品達(dá)40秒的延遲，有的甚至達(dá)7分鐘。業(yè)者表示若為遙控門鎖應(yīng)用，40秒時間寧可親自去開門都較遙控快速。延遲問題尤以藍(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(Embedded Systems Conference Silicon Valley;ESC SV)期間電子工程專輯(EE Times)報導(dǎo)揭露，凡設(shè)計與生產(chǎn)支援HomeKit的硬體產(chǎn)品，需向蘋果購買與使用1顆特殊的辨識芯片(ID chip)，許多硬體商對此抱怨，因為必須變更現(xiàn)有設(shè)計及增加成本。

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

　　附帶一提的是，通過HomeKit認(rèn)證也需通過蘋果原有的MFi((Made for iPhone/iPod/iPad)認(rèn)證，蘋果會發(fā)予產(chǎn)品貼紙，貼紙上有8位數(shù)的數(shù)字，終端消費者購買產(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簡述

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

　　RSA加密演算法的好處在于省存儲器空間、省運算力，但缺點是安全防護(hù)強(qiáng)度與金鑰長度呈正比，2010年美國國家標(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。

　　在非對稱加密系統(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位元長度的ECC金鑰，等同于3072位元長度RSA金鑰的安全效果。

　　而蘋果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年才開始受重視，Curve25519的金鑰長度為128位元，但防護(hù)力接近3072位元的RSA金鑰(仍有部分學(xué)者對于128位元ECC金鑰的防護(hù)力類同于2048位元RSA抱持懷疑)。

　　4種加密演算法與5種安全層級的對應(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

　　因為采行新加密演算法而明顯拖慢芯片運作效率，HomeKit并非是首例，在2003年以前Wi-Fi芯片采對稱式的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)，為對稱式密碼、AES演算，雖然已售出的Wi-Fi路由器可由終端消費者透過韌體更新方式升級成WPA，但因為舊芯片運算效能有限，也未有針對AES演算的硬體加速設(shè)計，因而升級后明顯拖慢無線收發(fā)表現(xiàn)，因此最終仍以購買新路由器(改采新芯片)以解決問題。

　　■ 橢圓曲線演算非首例

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

　　2003年大陸向國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交WAPI，期望申請為國際標(biāo)準(zhǔn)，但I(xiàn)SO于2004年通過IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)在對稱方面采AES演算，非對稱方面采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WAPI相關(guān)審議。

　　■ 蘋果高標(biāo)要求非首例

　　對消費性電子應(yīng)用采非對稱密碼系統(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月蘋果提出其移動廣告平臺iAd，同年8月華爾街日報報導(dǎo)香奈兒(Chanel)退出該平臺，之后10月Business Insider也報導(dǎo)愛迪達(dá)(Adidas)對蘋果的廣告審核過嚴(yán)感到不滿因而取消廣告計劃。

　　■ 部分芯片商決議改進(jìn)芯片

　　目前通過蘋果HomeKit認(rèn)可的芯片主要為德州儀器(TI)、博通(Broadcom)、Marvell，對于運算過久導(dǎo)致遙控反應(yīng)緩慢，博通與Marvell已表示將推出新的無線通訊芯片加以因應(yīng)，有可能加速現(xiàn)有處理器的運算速度(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的無線通訊芯片要求

　　相對于蘋果的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。

　　無論使用802.15.4或802.11，原有加密標(biāo)準(zhǔn)均為對稱式密碼系統(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”，如此對系統(tǒng)硬體商而言也必須更動設(shè)計，必須加入具有802.15.4無線射頻芯片，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)，而相關(guān)運算與韌體程式，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)，但一般而言不會產(chǎn)生如HomeKit支援開發(fā)時的狀況，即不會過于耗電或產(chǎn)品反應(yīng)效率明顯拖慢，理由在于，無論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位元微控制器的運算效能便可以實現(xiàn)，硬體需求度相當(dāng)?shù)停F(xiàn)行主控芯片多有余?？梢驊?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”，如此終端消費者有機(jī)會自行更新Wi-Fi路由器的韌體以獲得Weave協(xié)定功能，不需重購路由器。

　　無線芯片企盼明確整合方向

　　在蘋果未提出HomeKit、Google未提出Weave前，無線通訊芯片即已吹起整合、復(fù)合(combo)發(fā)展趨勢，例如將Wi-Fi的無線射頻芯片(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)牙也有類似的趨勢，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。

　　然而實際上，系統(tǒng)商因芯片商停供舊芯片，新芯片的價格、功耗、體積與舊芯片相仿，但內(nèi)建更多功能，例如同時具備古典藍(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)無線通訊芯片的新整合、設(shè)計方向，例如加入硬體加速電路，加快輕橢圓曲線演算，同時精省用電?；蛘呶磥淼腤i-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，或也可能針對某一明確應(yīng)用專精發(fā)展，精簡其電路功能與設(shè)計，進(jìn)而減少電路面積，使每個晶圓可切割出更多顆芯片，以更大量、平價滿足市場需求，如100Mbps、1Gbps乙太網(wǎng)路芯片即在后期、成熟發(fā)展時采此路線。

　　最后，現(xiàn)實狀況是物聯(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、更動現(xiàn)有硬體，盡可能只以韌體程式量來實現(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，則在一個芯片封裝內(nèi)拼湊多個裸晶，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，讓無線通訊芯片的新發(fā)展有更明確的技術(shù)、市場指引。

　　Apple Watch表內(nèi)S1采SiP封裝實現(xiàn)