Poor-Man’s-Blockchain mit ARMs Speicherzugriffsprotokoll
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie stellte sich grade die grundsätzliche Frage, ob eine Blockchain-Implementierung prinzipiell für IoT-Kommunikation denkbar ist und welche Probleme es dabei geben könnte. Es zeigte sich sehr schnell, dass einer der Parameter mit großem Hebel, die Kosten (Operations/Watt) für die Berechnung (Hash-Validierung, Signing, En-/Decryption) der Blockchain ist. Eine sehr kleine Veränderung dieses Parameters führt umgehend zu einem “rechnet sich nicht mehr”.
Viele IoT-Devices basieren derzeit auf ARM-Chips verschiedenster Ausprägung. Teil der ARM-Lizenz ist in vielen Fällen auch das AXI-Protokoll. Dieses Protokoll bietet verschiedene Modi für den schnellen Zugriff auf den Speicher und kommuniziert über ein DMA-Register mit der jeweiligen Memory Management Unit(MMU). Der schnellste Modus ist dabei Scatter/Gather. Ein Verfahren, das noch aus den Urzeiten der IT kommt und erstmals bei SCSI verbreitet eingesetzt wurde. Es wird auch als Vectored I/O bezeichnet und stellt im Kern eine verkettete Liste dar.
In das MMU-Register wird bei dem AXI-Protokoll die erste und die letzte Speicheradresse geschrieben. In den Blöcken der Liste ist jeweils die Adresse des nächsten Speicherblocks hinterlegt. Die jeweilige AXI-Implementierung legt fest, wann der eigentliche Transfer des Speichers stattfindet. Im Allgemeinen geschieht dies, wenn die letzte Adresse in das MMU-Register geschrieben wird.
Ein Block enthält jeweils verschiedene Transaktionen und einen Link auf den nächsten Block. (Quelle: “A gentle introduction to blockchain technology“)
Eine Blockchain selbst ist im Prinzip nichts anderes als eine verkettete Liste. Das bedeutet, dass man lediglich das Format der Blockchain so definieren müsste, dass es die Anforderungen des Scatter/Gather-Protokolls erfüllt. Im Wesentlichen sind dies die Position der Next-Block-Adresse und die Größe des einzelnen Blocks. Diese Größe ist bei AXI variabel muss aber auf Speicheradressen 0×40 aligned sein. Wichtig ist dabei, dass alle Blöcke einer Chain eine identische Größe haben müssen. Sollten sich die Blöcke als zu klein erweisen wäre ein Resizing notwendig.
Die eigentlichen Kosten für die Validierung und Modifikation der Blockchain belaufen sich mit einer solchen Implementierung lediglich auf die Kosten für den Transport der Block-Daten aus dem Speicher und in den Speicher. Sowohl FPGAs als auch ARM GPUs (Neon, Mali) sind in der Lage, alle notwendigen Kalkulationen (Hash-Validierung, Signing, En-/Decryption) für einen Block durchzuführen, während die MMU damit beschäftigt ist, den Speicherinhalt zu laden/speichern. FPGAs hätten sogar noch den Vorteil, die privaten Schlüssel im Bitstream vorhalten zu können, ohne ein Leak befürchten zu müssen.
