[論文レビュー] Anti-Tamper Protection for Internet of Things System Using Hyperledger Fabric Blockchain Technology

Adnan Iftekhar, Xiaohui Cui|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Hyperledger Fabricを用いて、IoTデバイスの分散型でブロックチェーンベースのアクセス制御システムを提案している。これにより、IoTノードがネイティブなブロックチェーンピアとして機能できる。Raspberry Pi 4デバイスに軽量なブロックチェーンノードをデプロイすることで、中央集権的機関に依存せずに、データの完全性、機微性、改ざん防止のアクセス制御を実現し、スケーラブルで安全なIoT-ブロックチェーン統合フレームワークを示している。

ABSTRACT

Automated and industrial Internet of Things (IoT) devices are increasing daily. As the number of IoT devices grows, the volume of data generated by them will also grow. Managing these rapidly expanding IoT devices and enormous data efficiently to be available to all authorized users without compromising its integrity will become essential in the near future. On the other side, many information security incidents have been recorded, increasing the requirement for countermeasures. While safeguards against hostile third parties have been commonplace until now, operators and parties have seen an increase in demand for data falsification detection and blocking. Blockchain technology is well-known for its privacy, immutability, and decentralized nature. Single-board computers are becoming more powerful while also becoming more affordable as IoT platforms. These single-board computers are gaining traction in the automation industry. This study focuses on a paradigm of IoT-Blockchain integration where the blockchain node runs autonomously on the IoT platform itself. It enables the system to conduct machine-to-machine transactions without the intervention of a person and to exert direct access control over IoT devices. This paper assumed that the readers are familiar with Hyperledger Fabric basic operations and focus on the practical approach of integration. A basic introduction is provided for the newbie on the blockchain.

研究の動機と目的

• 中央集権的IoTアーキテクチャにおける増大するセキュリティおよびプライバシー懸念に対処すること。
• 人間の介入なしに、機械同士の取引および直接的なアクセス制御をIoTシステムで可能にすること。
• リソース制限のあるIoTデバイス上でブロックチェーンを用いた分散型で改ざん防止可能なアクセス制御モデルを実装すること。
• Raspberry Pi 4などの低消費電力IoTプラットフォーム上でフルブロックチェーンノードを稼働させる可能性を評価すること。
• ブロックチェーンベースのコンSENSUSとポリシー実行を通じて、IoTシステムにおけるデータ完全性、機微性、ガバナンスを向上させること。

提案手法

• Raspberry Pi 4などのIoTデバイスに直接Hyperledger Fabricブロックチェーンノードをデプロイし、ピア間トランザクション処理を可能にする。
• Hyperledger Fabricにおけるコンsortiumベースのポリシーを用いて、チェーンコード実行の細かく制御されたアクセス制御を定義する。
• トランザクション検証前に特定の承認済みピアからの承認を要件とするチェーンコードエンダースメントポリシーを実装する。
• Hyperledger Fabricクライアント識別ライブラリを活用して、ロールベースのアクセス制御をチェーンコードに強制し、データ機微性を向上させる。
• ブロックチェーン上に直接IoTデータを格納・検証することで、改ざん不能性とエンドツーエンドのデータ完全性を確保する。
• IoTデバイスがネイティブノードとして機能する許可型ブロックチェーンネットワークを設計し、データ格納および検証にクラウドやエッジサーバーに依存しないようにする。

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をどのようにIoTシステムに統合することで、データ改ざんや不正アクセスを防止できるか？
• RQ2 Raspberry Pi 4のような軽量IoTデバイスが、分散型コンセンサスおよびアクセス制御をサポートするフルブロックチェーンノードとして機能できるか？
• RQ3 コンsortiumベースのポリシーモデルは、ブロックチェーンネットワーク内でのIoTデバイス相互作用をどのようにしてセキュアにするか？
• RQ4 IoTデバイスに直接ブロックチェーンを統合することで、データ完全性がどのように向上し、中央集権的インfraストラクチャへの依存がどのように低減されるか？
• RQ5 リソース制限のあるIoTプラットフォームにブロックチェーンノードをデプロイする際の実用的制限およびトレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたシステムは、Raspberry Pi 4にHyperledger Fabricブロックチェーンノードを正常にデプロイし、低消費電力IoTデバイス上でフルブロックチェーンノードを稼働させる可能性を実証した。
• チェーンコードポリシーを通じた直接的で分散型のアクセス制御が可能となり、不正なエンティティが操作を実行できないことを保証した。
• 暗号的ハッシュ化とブロックチェーンレジストリの不変性により、データ完全性が維持され、不正な変更が防止された。
• コンsortiumベースのポリシーモデルにより細かく制御された制御が可能となり、特定の組織およびユーザーに限りチェーンコード実行を制限することで、データ機微性が向上した。
• 中央集権的クラウドやエッジサーバーへの依存が低減され、IoTデプロイメントにおけるレジリエンス向上と攻撃表面の縮小が達成された。
• プロトタイプは、IoTデバイスが自律的なブロックチェーンノードとして機能でき、人間の介入なしに機械同士の取引を可能にできることを示した。