[論文レビュー] A Taxonomy Study on Securing Blockchain-based Industrial Applications: An Overview, Application Perspectives, Requirements, Attacks, Countermeasures, and Open Issues

Khizar Hameed, Mutaz Barika+3 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 298被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、インダストリー4.0環境におけるブロックチェーンベースの産業応用におけるセキュリティおよびプライバシーの課題について包括的な分類を提示し、応用要件、攻撃、対策、プライバシー保護技術を分類している。スケーラビリティ、相互運用性、使いやすさ、モularityが主な未解決課題として特定され、インダストリー4.0環境における安全でスケーラブルかつ産業用途に適したブロックチェーンシステムの設計に向けた構造的フレームワークを提供している。

ABSTRACT

Blockchain technology has taken on a leading role in today's industrial applications by providing salient features and showing significant performance since its beginning. Blockchain began its journey from the concept of cryptocurrency and is now part of a range of core applications to achieve resilience and automation between various tasks. With the integration of Blockchain technology into different industrial applications, many application designs, security and privacy challenges present themselves, posing serious threats to users and their data. Although several approaches have been proposed to address the specific security and privacy needs of targeted applications with functional parameters, there is still a need for a research study on the application, security and privacy challenges, and requirements of Blockchain-based industrial applications, along with possible security threats and countermeasures. This study presents a state-of-the-art survey of Blockchain-based Industry 4.0 applications, focusing on crucial application and security and privacy requirements, as well as corresponding attacks on Blockchain systems with potential countermeasures. We also analyse and provide the classification of different security and privacy techniques used in these applications to enhance the advancement of security features. Furthermore, we highlight some open issues in industrial applications that help to design secure Blockchain-based applications as future directions.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンベースの産業応用におけるセキュリティおよびプライバシーの課題に関する包括的で統合的な研究の不足に対処すること。
• インダストリー4.0ユースケースに特有のアプリケーション、セキュリティ、プライバシー要件を特定および分類すること。
• ブロックチェーンシステムにおけるセキュリティおよびプライバシー攻撃を分析および分類し、その目的と悪用される脆弱性を特定すること。
• 産業用ブロックチェーン応用で用いられている既存の対策およびプライバシー保護技術をレビューすること。
• 安全でスケーラブルかつ相互運用可能なブロックチェーンシステムを産業環境に導入するにあたり、障害となっている主な未解決課題および今後の研究方向性を明らかにすること。

提案手法

• インダストリー4.0のユースケースとして、IoT、金融、スマートグリッド、物流、eヘルス分野におけるブロックチェーン応用の最先端のサーベイを実施すること。
• スケーラビリティ、使いやすさ、モularityを含む、スケーラビリティ、使いやすさ、モularityを含む、機能的および非機能的要件に分類してアプリケーション要件を分類すること。
• シビル攻撃、エクリプス攻撃、51%攻撃、スマートコントラクト脆弱性などのタイプに分類してセキュリティ攻撃を分類すること。
• データ盗難や二重支出などの攻撃者の目的を、特定の脆弱性および標的となるアプリケーションにマッピングすること。
• ゼロ知識証明、リング署名、暗号化手法などのプライバシー保護技術をレビューおよび分類すること。
• 現在のブロックチェーンソリューションにおける制限を特定し、実装のギャップを分析し、今後の研究方向性を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インダストリー4.0におけるブロックチェーンベースの産業応用に求められる主なアプリケーション、セキュリティ、プライバシー要件は何か？
• RQ2 産業用ブロックチェーンシステムで最も一般的なセキュリティおよびプライバシー攻撃の種類は何か？また、それらはどのような脆弱性を悪用しているか？
• RQ3 既存の対策およびプライバシー保護技術は、産業環境における特定された脅威を効果的に軽減できるか？
• RQ4 産業環境における安全でスケーラブルなブロックチェーンアプリケーションの展開を妨げる主な未解決課題は何か？
• RQ5 将来のブロックチェーンベースの産業システムに不可欠な設計原則および要件（例：スケーラビリティ、相互運用性、使いやすさ）は何か？

主な発見

• ユーザー数の増加と非保護的なデータ交換が原因で、ブロックチェーンベースの産業応用は顕著なセキュリティおよびプライバシーの課題に直面している。
• スマートコントラクトの脆弱性および実装上の欠陥が、特にオープンソースアプリケーションにおいて主要な攻撃ベクトルとなっている。
• スケーラビリティが最も重要な課題のままであり、イーサリアムやハイパーレッジなどのシステムは、高負荷の取引処理において性能のボトルネックを抱えている。
• システムモジュール間の相互運用性のギャップが、産業プロセスにおけるリアルタイム監視および統合的セキュリティ対応を妨げている。
• 使いやすさと柔軟性の欠如が、非技術的ユーザーがブロックチェーンの技術的複雑さに対し苦労する原因となっており、広範な採用を制限している。
• モularity、透明性、拡張性は本質的であるが、現在のブロックチェーンアプリケーション設計ではしばしば無視されており、長期的な保守および統合の課題を生み出している。