[論文レビュー] BlendMAS: A BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart Public Safety

Ronghua Xu, Seyed Yahya Nikouei+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、許可型ブロックチェーンとスマートコントラクトを活用して、分散型のIoTデバイスにまたがる安全でスケーラブルで細粒度なアクセス制御を実現する、分散型マイクロサービスアーキテクチャ「BlendMAS」を提案する。エッジおよびフォッグノードにデプロイされたコンテナ化されたマイクロサービスとして、セキュリティおよび監視機能を分解し、ブロックチェーンで保護されたスマートコントラクトによってデータの整合性とアクセス制御を強制することで、中央集権的管理に依存することを低減しながら、動的で多様性のある環境でも低レイテンシーと高いレジリエンスを維持する。

ABSTRACT

Thanks to rapid technological advances in the Internet of Things (IoT), a smart public safety (SPS) system has become feasible by integrating heterogeneous computing devices to collaboratively provide public protection services. While a service oriented architecture (SOA) has been adopted by IoT and cyber-physical systems (CPS), it is difficult for a monolithic architecture to provide scalable and extensible services for a distributed IoT based SPS system. Furthermore, traditional security solutions rely on a centralized authority, which can be a performance bottleneck or single point failure. Inspired by microservices architecture and blockchain technology, this paper proposes a BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart public safety (BlendMAS). Within a permissioned blockchain network, a microservices based security mechanism is introduced to secure data access control in an SPS system. The functionality of security services are decoupled into separate containerized microservices that are built using a smart contract, and deployed on edge and fog computing nodes. An extensive experimental study verified that the proposed BlendMAS is able to offer a decentralized, scalable and secured data sharing and access control to distributed IoT based SPS system.

研究の動機と目的

• 大規模かつ分散型のIoTベースのスマートパブリックセーフティ（SPS）システムにおけるモノリシックかつ中央集権的なセキュリティアーキテクチャの限界を解消すること。
• 異種のIoT展開における中央集権的信頼モデルに内在する性能ボトルネックおよび単一障害点を克服すること。
• パブリックセーフティアプリケーションに一般的な信頼のない動的環境において、細粒度で分散型のアクセス制御とデータ整合性検証を可能にすること。
• ミッションクリティカルなSPSワークロードの継続的デプロイとドメイン駆動開発を支援する、スケーラブルで拡張可能かつ相互運用可能なシステムアーキテクチャを設計すること。
• 実世界のエッジ・フォッグコンピューティングインfraストラクチャに、ブロックチェーンベースのセキュリティメカニズムと軽量マイクロサービスを統合する可能性を実証すること。

提案手法

• SPSおよびセキュリティ機能を、エッジおよびフォッグコンピューティングノードに分散してデプロイする独立したコンテナ化マイクロサービスに分解する。
• フレーム特徴量およびアクセス意思決定の暗号的ハッシュを格納する改ざん防止レジストリとして機能する許可型ブロックチェーンネットワーク（プライベート・イーサリアム）を実装する。
• アイデンティティ認証およびアクセス制御ポリシーをブロックチェーン上で実行されるスマートコントラクトとしてエンコードし、分散型の信頼を強制する。
• 承認済みマイナー間の合意形成メカニズムを用いてブロックを検証および追加することで、データの整合性と監査可能性を確保する。
• 比較評価のため、ブロックチェーンベースのアクセス制御モジュール（BlendCAC）をモノリシックおよびマイクロサービスベースのアプリケーションスタックの両方へ統合する。
• 物理的なIoTネットワーク環境にプロトタイプをデプロイし、実際のエッジおよびフォッグデバイスを用いて、性能とセキュリティのトレードオフを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンに基づく分散型マイクロサービスアーキテクチャは、モノリシックで中央集権的なモデルと比較して、分散型IoTベースのパブリックセーフティシステムにおけるセキュリティとスケーラビリティを向上させることができるか？
• RQ2 スマートコントラクトとブロックチェーン技術の統合は、異種のエッジコンピューティング環境において、細粒度で信頼のないアクセス制御をどのように実現可能にするか？
• RQ3 リソース制限のあるエッジおよびフォッグコンピューティングプラットフォームにブロックチェーンベースのアクセス制御をデプロイする際の性能オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 リアルタイムのパブリックセーフティアプリケーションの文脈において、マイクロサービス間通信のレイテンシーは、モノリシックな内部プロセス間通信（IPC）と比較してどの程度か？
• RQ5 許可型ブロックチェーンとスマートコントラクトシステムは、監視データストリームにおいてデータの改ざんをどの程度効果的に防止できるか？

主な発見

• BlendMASアーキテクチャは、セキュリティおよび監視機能をモジュール化されたコンテナ化マイクロサービスに成功して分離し、エッジおよびフォッグノード間での柔軟なデプロイと保守を可能にした。
• フォッグノードでは、マイクロサービスアーキテクチャ（Micro_App）のデータ取得平均レイテンシーは133.5 msであったのに対し、モノリシックバージョン（Mono_App）は59.9 msであり、リモートプロシージャーコール（RPC）に起因する73.6 msのオーバーヘッドが生じた。
• エッジデバイスでは、両アーキテクチャのレイテンシーは類似しており、Micro_Appが147.1 ms、Mono_Appが140.3 msであり、RPC通信に起因する6.8 msの差が生じた。
• マイクロサービスモデルではネットワークレイテンシーが高かったものの、アーキテクチャは緩い結合性、クロスプラットフォーム相互運用性、および障害耐性の強みを示した。
• ブロックチェーンベースのアクセス制御メカニズムは、フレーム特徴量および意思決定の暗号的ハッシュを改ざん不能なレジストリに格納することで、データ改ざんを効果的に防止した。
• プロトタイプは、BlendMASが実世界の物理的IoT環境で実用的かつ効果的であることを示し、スマートパブリックセーフティシステムにおけるスケーラブルで安全かつ分散型のソリューションとしての可能性を裏付けた。