[論文レビュー] A Microservice-enabled Architecture for Smart Surveillance using Blockchain Technology

Deeraj Nagothu, Ronghua Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2018

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、スケーラビリティ、分散性、およびデータ完全性を向上させる、マイクロサービス対応でブロックチェーン統合型のセキュアなスマート監視アーキテクチャを提案する。ビデオ分析タスクを独立したマイクロサービスに分解し、スマートコントラクトを用いた改ざん防止のデータ同期および細粒度アクセス制御をブロックチェーンで実装することで、分散エッジ環境における単一障害点や不正アクセスに対する耐性が確保される。

ABSTRACT

While the smart surveillance system enhanced by the Internet of Things (IoT) technology becomes an essential part of Smart Cities, it also brings new concerns in security of the data. Compared to the traditional surveillance systems that is built following a monolithic architecture to carry out lower level operations, such as monitoring and recording, the modern surveillance systems are expected to support more scalable and decentralized solutions for advanced video stream analysis at the large volumes of distributed edge devices. In addition, the centralized architecture of the conventional surveillance systems is vulnerable to single point of failure and privacy breach owning to the lack of protection to the surveillance feed. This position paper introduces a novel secure smart surveillance system based on microservices architecture and blockchain technology. Encapsulating the video analysis algorithms as various independent microservices not only isolates the video feed from different sectors, but also improve the system availability and robustness by decentralizing the operations. The blockchain technology securely synchronizes the video analysis databases among microservices across surveillance domains, and provides tamper proof of data in the trustless network environment. Smart contract enabled access authorization strategy prevents any unauthorized user from accessing the microservices and offers a scalable, decentralized and fine-grained access control solution for smart surveillance systems.

研究の動機と目的

• IoTおよびエッジコンピューティングに基づく大規模で分散型のスマート監視システムにおけるセキュリティとスケーラビリティの課題に対処すること。
• モノリシックで中央集権的な監視アーキテクチャの限界、特に単一障害点やデータプライバシーの侵害を克服すること。
• ビデオ分析機能を独立した、緩やかに結合されたマイクロサービスに分解することで、システムのレジリエンスとモularityを向上させること。
• ブロックチェーンとスマートコントラクトを用いて、分散型で信頼性のない環境でもデータ同期とアクセス制御を実現すること。

提案手法

• オブジェクト検出、トラッキング、特徴抽出などの監視機能を、エッジ、フォグ、クラウドノードに展開された独立したマイクロサービスに分解すること。
• エッジデバイスで軽量なアルゴリズムを用いてリアルタイム処理を実行し、計算負荷の高いタスクをフォグまたはクラウドノードにオフロードすること。
• ブロックチェーンを介してマイクロサービス間のデータ交換と同期を保護し、処理済みデータの暗号的ハッシュを格納することで、改ざん防止と不変性を確保すること。
• スマートコントラクトをブロックチェーン上に実装し、システムコンponentsおよび外部エンティティ（例：警察署）に対して細粒度アクセス制御ポリシーを定義・実行すること。
• エッジノードとフォグノード間の通信をエンドツーエンド暗号化（例：AES-RSA）で保護し、データ転送中の機密性を確保すること。
• データレコードの改ざんを防ぐために、ブロックチェーン上のデータを監査・検証するための合意形成メカニズム（例：プルーフ・オブ・ワーク）を採用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシックで中央集権的なモデルに起因する制限を克服するため、分散型でスケーラブルなアーキテクチャをスマート監視システムにどのように設計できるか？
• RQ2 マイクロサービスは、分散型ビデオ分析システムにおけるモularity、保守性、継続的デプロイメントをどのように向上させることができるか？
• RQ3 ブロックチェーン技術は、信頼性のない分散型監視環境において、データ完全性を確保し改ざんを防ぐためにどのような役割を果たすか？
• RQ4 スマートコントラクトは、異種のドメインにまたがる監視データに対して、どのように細粒度で自動的かつ安全なアクセス制御を実現できるか？
• RQ5 エンドツーエンド暗号化と安全な通信を、マイクロサービスベースの監視パイプラインにどのように統合できるか？

主な発見

• 提案されたマイクロサービスアーキテクチャにより、ビデオ分析機能の独立したデプロイと継続的デリバリーが可能となり、システムの保守性と適応性が向上した。
• ブロックチェーンベースの同期により、処理済みビデオ特徴の暗号的ハッシュを格納することで、データ改ざんが検出可能となる。
• スマートコントラクトによりアクセス制御ポリシーが自動化され、警察署などの外部エンティティを含む、異なるシステムコンponentsに対する安全で動的かつ適応可能な承認が可能となった。
• ブロックチェーンの合意形成により、中央集権的機関に依存せずに分散型の信頼性が実現され、データ検証のための信頼性が確保された。
• エッジノードとフォッグノード間のエンドツーエンド暗号化により、送信中の機密ビデオデータが保護され、プライバシーとセキュリティが強化された。
• エッジ、フォッグ、クラウドレイヤーにまたがる異種環境へのデプロイをサポートしており、効率的なワークロード配分と低遅延処理が実現された。