[論文レビュー] BlendSM-DDM: BLockchain-ENabled Secure Microservices for Decentralized Data Marketplaces

Ronghua Xu, Gowri Ramachandran+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ブロックチェーンを活用したマイクロサービスアーキテクチャ「BlendSM-DDM」を提案し、IoTベースのデータ取引におけるセキュリティ、スケーラビリティ、監査可能性を向上させることを目的としている。セキュリティ機能を、許可型ブロックチェーン上でスマートコントラクトによってオーケストレーションされるコンテナ化マイクロサービスに分離することで、中央集権的信頼に依存せずに、細粒度のアクセス制御、安全な支払い、データ整合性の検証、プライバシー保護型操作を実現する。

ABSTRACT

To promote the benefits of the Internet of Things (IoT) in smart communities and smart cities, a real-time data marketplace middleware platform, called the Intelligent IoT Integrator (I3), has been recently proposed. While facilitating the easy exchanges of real-time IoT data streams between device owners and third-party applications through the marketplace, I3 is presently a monolithic, centralized platform for a single community. Although the service oriented architecture (SOA) has been widely adopted in the IoT and cyber-physical systems (CPS), it is difficult for a monolithic architecture to provide scalable, inter-operable and extensible services for large numbers of distributed IoT devices and different application vendors. Traditional security solutions rely on a centralized authority, which can be a performance bottleneck or susceptible to a single point of failure. Inspired by containerized microservices and blockchain technology, this paper proposed a BLockchain-ENabled Secure Microservices for Decentralized Data Marketplaces (BlendSM-DDM). Within a permissioned blockchain network, a microservices based security mechanism is introduced to secure data exchange and payment among participants in the marketplace. BlendSM-DDM is able to offer a decentralized, scalable and auditable data exchanges for the data marketplace.

研究の動機と目的

• スケーラビリティ、拡張性、単一障害点の問題を抱えるモノリシックで中央集権的なIoTデータマーケットプレイス（例：I3）の限界を解消すること。
• 中央集権的機関への依存を排除することで、分散型データマーケットプレイス（DDMs）におけるセキュリティと信頼の課題を克服すること。
• リアルタイムのIoTデータストリームにおける細粒度の分散型アクセス制御および安全な支払いメカニズムを実現すること。
• 多様なIoTデバイスおよびサードパーティアプリケーションをサポートする、軽量でスケーラブルかつ相互運用性のあるシステムアーキテクチャを提供すること。
• スマートコントラクトやハッシュインデックス検証といったブロックチェーンネイティブメカニズムを通じて、データの整合性、プライバシー、監査可能性を確保すること。

提案手法

• データマーケットプレイスをコンテナ化されたマイクロサービスに分解することで、結合を緩くし、独立したデプロイを可能にする。
• 許可型ブロックチェーン上にスマートコントラクトを実装し、アイデンティティ認証、アクセス制御、データ整合性、プライバシー、レーティングといったセキュリティプリミティブを実装する。
• ブロックチェーンベースのマイクロペイメントを活用して、データ購入者と販売者の間でリアルタイムかつ検証可能な取引を可能にする。
• データの保存にブロックチェーン上に格納するのは暗号的ハッシュのみとすることで、データ整合性を保ちながらストレージオーバーヘッドを最小限に抑える。
• オンチェーンで実行されるスマートコントラクトベースのアクセス制御マイクロサービスを通じて、アクセス制御ポリシーを強制する。
• 参加者のオンボーディングおよびリボーカルを制御する、オラクルベースのメンバーシップ管理システムを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央集権的機関が存在しない状況でも、リアルタイムのIoTデータ交換をサポートできる分散型でスケーラブルかつ安全なデータマーケットプレイスをどのようにアーキテクチャ設計できるか？
• RQ2 コンテナ化されたマイクロサービスは、分散型データマーケットプレイス内での細粒度で組み換え可能なセキュリティ機能をどのように実現するか？
• RQ3 ブロックチェーンベースのスマートコントラクトは、多様なIoT環境において、アクセス制御、支払い、データ整合性を効果的にどのように強制できるか？
• RQ4 データマーケットプレイスワークロードにおいて、パubbリックブロックチェーンと比較して、許可型ブロックチェーンが性能とプライバシーの面でどのように向上するか？
• RQ5 不変でオンチェーンのレーティングシステムを用いて、分散型データマーケットプレイスでレピュテーションと信頼をどのように確立・維持できるか？

主な発見

• BlendSM-DDMアーキテクチャは、セキュリティとビジネスロジックをモジュール化されたコンテナ化マイクロサービスに分離することに成功し、システムの保守性とスケーラビリティを向上させた。
• スマートコントラクトベースのアクセス制御マイクロサービスにより、データ所有者が中央集権的機関に依存せずにポリシーを強制できるようになり、分散化と信頼性が向上した。
• ブロックチェーンを介したハッシュインデックス検証により、最小限のストレージオーバーヘッドでデータ整合性を保証でき、受信データの効率的なオンチェーン検証が可能になった。
• 許可型ブロックチェーンの活用により、パubbリックブロックチェーンと比較して高いトランザクションスループットと強固なプライバシー制御が実現され、企業向けデータマーケットプレイスに適した環境が整った。
• オンチェーンのレーティングシステムにより、データ品質と取引の信頼性に関する不変で改ざん不可能なフィードバックが提供され、分散取引における信頼の構築を支援した。
• マイクロサービスとブロックチェーンベースの支払い・アイデンティティ認証の統合により、エンドツーエンドで安全で監査可能かつ自動化されたデータ取引が実現された。