[論文レビュー] A Survey on Blockchain Technology and Its Potential Applications in Distributed Control and Cooperative Robots

Ameer Tamoor Khan, Xinwei Cao+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本サーベイは、信頼できないコンSENSUSと改ざん不能性を活用して、分散制御システム（DCS）および協働ロボティクスにおける根本的なセキュリティおよび調整課題に対処する、安全で分散型のソリューションとしてブロックチェーン技術を提案する。シミュレート実験を通じて、ロボット間でのブロックチェーンベースのコンセンサス形成とDCSにおける安全なタスク調整の実現可能性を示し、単一障害点を排除し、攻撃に対するレジリエンスを向上させる可能性を強調する。

ABSTRACT

As a disruptive technology, blockchain, particularly its original form of bitcoin as a type of digital currency, has attracted great attentions. The innovative distributed decision making and security mechanism lay the technical foundation for its success, making us consider to penetrate the power of blockchain technology to distributed control and cooperative robotics, in which the distributed and secure mechanism is also highly demanded. Actually, security and distributed communication have long been unsolved problems in the field of distributed control and cooperative robotics. It has been reported on the network failure and intruder attacks of distributed control and multi-robotic systems. Blockchain technology provides promise to remedy this situation thoroughly. This work is intended to create a global picture of blockchain technology on its working principle and key elements in the language of control and robotics, to provide a shortcut for beginners to step into this research field.

研究の動機と目的

• 分散制御システム（DCS）および協働ロボティクスにおける、侵入や単一障害点リスクに起因する、長年のセキュリティおよびプライバシー上の脆弱性に対処すること。
• 制御およびロボティクスの文脈で、分散化、コンセンサス、改ざん不能性といったブロックチェーンのコアメカニズムを説明し、学際的知識ギャップを埋めること。
• シミュレート実験および事例研究を通じて、ブロックチェーンを用いた安全で信頼できない協調動作が、ロボット間およびDCSにおいて実現可能であることを実証すること。
• ブロックチェーンの主な限界、たとえば遅延、51%攻撃、プライバシー懸念を特定・分析し、今後の研究および実装を支援するための指針を提示すること。

提案手法

• システム理論的視点を用いて、ブロックチェーンの構成要素（例：分散台帳、コンセンサスアルゴリズム、暗号ハッシュ）を制御およびロボティクスシステム要件にマッピングする。
• 各ロボットをノードおよびマイナーとして動作させ、意思決定およびアイデンティティの共有で改ざん不能な記録を維持する、ブロックチェーン上のコンセンサスプロセスとしてのロボット協調をモデル化する。
• ロボットが登録し、タスクを受け取り、完了報告を行うブロックチェーンベースのディスpatcherシステムを実装し、監査可能性と整合性を保証する。
• 信頼できない環境下での集団意思決定を検証するため、ブロックチェーンコンセンサスを用いて分散環境における多数色の特定をシミュレートする。
• ネットワークサイズの制約下でのスケーラビリティを考慮し、トランザクション遅延（例：ビットコインでは10分、イーサリアムでは10〜15秒）などのメトリクスを用いて、DCSにおけるブロックチェーンのパフォーマンスを分析する。
• 51%攻撃やデータ整合性リスクなどのセキュリティ脅威を評価し、大規模なマイニングプールやキーマネジメントなどの緩和戦略を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術は、分散制御システムおよび協働ロボティクスにおける信頼の欠如とセキュリティリスクをどのように解消できるか？
• RQ2 制御およびロボティクスシステム要件にマッピング可能な、コンセンサス、改ざん不能性、分散化といったブロックチェーンの主要メカニズムは何か？
• RQ3 ブロックチェーンは、中央管理者が存在しない状況でも、ロボット間で安全で分散型の協調動作を可能にすることができるか？実際の検証方法は何か？
• RQ4 リアルタイムの分散制御およびロボットシステムに応用された場合、ブロックチェーンのパフォーマンスおよびセキュリティ上の限界は何か？
• RQ5 遅延、プライバシー、暗号の脆弱性は、ロボティクスおよび制御システムにおけるブロックチェーンの実用的導入にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ブロックチェーンは、中央管理者に依存せずに意思決定を合意形成できるため、協働ロボティクスにおける安全で分散型の協調動作を可能にする。具体的には、環境内の最も頻度の高い色を特定する意思決定など、ロボットが合意形成できる。
• ブロックチェーンベースのディスパッチャーを用いたシミュレーション実験で、ロボットが登録し、タスクを受け取り、完了報告をオンチェーン取引で行うことで、タスクのディスpatchおよび完了追跡が成功裏に実現された。
• ブロックチェーンの導入により、単一障害点のリスクが低減され、システム全体のレジリエンスが向上した。1台のロボットやノードの故障が、システム全体に影響を及ぼさないことが確認された。
• 一方で、ブロックチェーンは遅延を伴う。ビットコインではトランザクションの確定まで約10分、イーサリアムでは10〜15秒に短縮されるが、リアルタイム応用には制限がある。
• 51%攻撃は依然として深刻な脆弱性であり、ネットワークの計算能力の半数以上を制御する攻撃者がブロックチェーンを改ざん可能であるため、大規模で分散されたマイニングプールの構築が不可欠である。
• プライバシーは依然課題であり、パブリックブロックチェーンではデフォルトで取引データが公開される。また、秘密鍵の紛失は、デジタル資産への永続的アクセス不能を引き起こす。