[論文レビュー] A Survey on Consensus Protocols in Blockchain for IoT Networks

Mehrdad Salimitari, Mainak Chatterjee|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 46被引用数 86

ひとこと要約

本論文は資源制約のあるIoT機器に適したブロックチェーンベースのコンセンサス手法を調査し、公的および私有/ブロックチェーンオプションを比較し、IoT展開における未解決の課題を概説する。

ABSTRACT

The success of blockchain as the underlying technology for cryptocurrencies has opened up possibilities for its use in other application domains as well. The main advantages of blockchain for its potential use in other domains are its inherent security mechanisms and immunity to different attacks. A blockchain relies on a consensus method for agreeing on any new data. Most of the consensus methods which are currently used for the blockchain of different cryptocurrencies require high computational power and thus are not apt for resource-constrained systems. In this article, we discuss and survey the various blockchain based consensus methods that are applicable to resource constrained IoT devices and networks. A typical IoT network consists of several devices which have limited computational and communications capabilities. Most often, these devices cannot perform intensive computations and are starved for bandwidth. Therefore, we discuss the possible measures that can be taken to reduce the computational power and convergence time for the underlying consensus methods. We also talk about some of the alternatives to the public blockchain like private blockchain and tangle, along with their potential adoption for IoT networks. Furthermore, we review the existing consensus methods that have been implemented and explore the possibility of utilizing them to realize a blockchain based IoT network. Some of the open research challenges are also put forward.

研究の動機と目的

• IoTの制約（計算能力、帯域幅、ストレージの制限）がブロックチェーンのコンセンサス適合性にどのように影響するかを評価する。
• IoT適用性のための既存のコンセンサス手法を調査・比較する。
• IoT向けの私有/コンソーシアムブロックチェーンおよびタンゲル代替案を検討する。
• IoT展開のための未解決の研究課題と実践的適応を特定する。

提案手法

• ブロックチェーンの基礎とコンセンサス機構の概要を提供する。
• IoTネットワークの要件と制限を分析し、適応の動機付けを行う。
• コンセンサス手法（PoW、PoW代替、Byzantine合意、ハイブリッド）をレビュー・分類する。
• 私有/コンソーシアムブロックチェーンアプローチ（例：Hyperledger）とIoTへの適合性を論じる。
• IoT文脈における手法の利点・欠点を比較し、導入上の考慮事項を概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 資源制約のあるIoTデバイスとネットワークに対して実現可能なコンセンサスプロトコルはどれか。
• RQ2 重要な保証を損なうことなく、IoTの制約を満たすようにブロックチェーンを適応させるには（例：私有ブロックチェーン、tangle）はどうすればよいか。
• RQ3 IoT展開における各コンセンサス手法の相対的な利点と欠点は何か。
• RQ4 広範なブロックチェーンベースのIoT実装を実現するために、どのような未解決の課題に対処する必要があるか。

主な発見

• 計算資源と帯域幅の要件が高いため、Proof of WorkはIoTには実用的でない。
• PoC、PoET、その他の低電力コンセンサス変種はエネルギー効率を提供するが、ストレージや信頼された構成要素への依存といったトレードオフがある。
• 私有ブロックチェーン（例：Hyperledger）は計算量と待ち時間を削減するが、分散性とオープン性の一部を犠牲にする。
• Byzantine耐性アプローチ（PBFT、dBFT、SCP、Ripple）は小規模なIoTネットワークに適した高いスループットと低遅延を提供するが、スケーラビリティとネットワークオーバーヘッドのトレードオフがある。
• フェデレーテッドおよびByzantineベースのプロトコルは低遅延を達成できるが、 IoTシナリオへの信頼前提や適応が必要な場合がある。
• 本論文はIoTブロックチェーンソリューションの拡張性・セキュリティ・プライバシー・実用展開における未解決の研究課題を強調している。