[論文レビュー] Blockchain enabled fog structure to provide data security in IoT applications

Mozhdeh Farhadi, Daniele Miorandi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、信頼できないIoT環境におけるエンド・ツー・エンドのデータセキュリティを保証するため、フェイクコンピューティングインフラ上にデプロイされた許可型でパubbリックなブロックチェーンを提案する。ブロックチェーンの改ざん不能性と分散性を活用することで、マルチパーティIoTデータストリームに対して機密性、完全性、真正性、否認不能性、可用性を提供するアーキテクチャであり、フェイクノードが分散型台帳の参加者として機能することで遅延を低減し、スケーラビリティを向上させる。

ABSTRACT

IoT provides services by connecting smart devices to the Internet, and exploiting data generated by said devices to enable value-added services to individuals and businesses. In such cases, if data is exposed, tampered or lost, the service would not behave correctly. In this article, we discuss data security in IoT applications across five dimensions: confidentiality, integrity, authenticity, non-repudiation and availability. We discuss how distributed ledger technology could be used to overcome these issues and propose to use a fog computing architecture as decentralized computational support to deploy the ledger.

研究の動機と目的

• 相互に信頼しないデータ所有者とサービスプロバイダーが存在する異種でマルチパーティのIoTシステムにおけるデータセキュリティ課題に対処すること。
• 分散型IoTエコシステムにおいて中央集権的信頼モデルに依存する従来の暗号技術ソリューションの限界を克服すること。
• すべての5つのセキュリティ次元（機密性、完全性、真正性、否認不能性、可用性）をサポートする分散型でスケーラブルかつレジilレントなデータセキュリティ層を提供すること。
• クラウドベースのソリューションと比較して遅延と帯域幅の使用を削減するため、フェイクインフラにブロックチェーンをソフトセキュリティ層として統合すること。
• 書き込みが許可されたIoTデバイスおよびサービスのみが参加できるパubbリックで許可型のブロックチェーンを設計することで、アクセス制御と検証可能性を両立させること。

提案手法

• IoTデータ用の分散型台帳として機能するため、フェイクコンピューティングインフラ上に許可型でパubbリックなブロックチェーンをデプロイする。
• 非対称暗号を用いてデータを暗号化し、公開鍵暗号による送信者にのみ暗号鍵を安全に配布する。
• フェイクノード上で合意形成プロトコルを適用して台帳の一貫性を維持し、悪意ある改ざんを防止する。
• ブロックチェーン上には暗号的ポインタとメタデータのみを格納し、機密データは暗号化されたまま外部に保存することで、ストレージのオーバーヘッドを削減する。
• ブロックチェーンの改ざん不能性とデータソースによる暗号署名を通じて、データの完全性と否認不能性を確保する。
• ブロックチェーンのパubbリック性により、すべての承認済み参加者が読み取りアクセスを可能にする一方、書き込みアクセスは認証済み参加者に制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互に信頼しない複数のデータ所有者と複数のサービスプロバイダーが存在するIoT環境で、どのようにしてデータセキュリティを確保できるか？
• RQ2 フェイクにデプロイされたブロックチェーンアーキテクチャは、IoTデータストリームに対してどれほど機密性、完全性、真正性、否認不能性、可用性を提供できるか？
• RQ3 IoTデータセキュリティに許可型パubbリックブロックチェーンをフェイクノードで使用する場合の、パフォーマンスとスケーラビリティのトレードオフは何か？
• RQ4 ブロックチェーンとフェイクコンピューティングの統合は、クラウドベースの台帳ソリューションと比較して、どのようにして遅延と帯域幅を削減するか？
• RQ5 攻撃ツリー分析を用いて、提案されたアーキテクチャが5つのデータセキュリティ次元にわたるすべての攻撃ベクトルを効果的にブロックできるか？

主な発見

• 提案されたブロックチェーンとフェイクのハイブリッドアーキテクチャは、暗号プリミティブと分散性を活用することで、機密性、完全性、真正性、否認不能性、可用性という5つのセキュリティ次元をネイティブにサポートする。
• データの完全性と否認不能性は、合意形成後に改ざんできないブロックチェーンレコードの改ざん不能性と暗号的結合性によって保証される。
• データソースがプライベートキーを用いてデータに署名することで、真正性と否認不能性が実現され、参加者は誰でもその署名を検証可能である。
• 機密性は、ブロックチェーン上に格納されるデータをすべて暗号化し、承認済み受信者にのみ公開鍵暗号で暗号鍵を安全に配布することで維持される。
• 可用性は、ブロックチェーンの分散性のおかげで暗黙的に保証され、フェイクノード間で単一障害点が存在しなくなる。
• 攻撃ツリー分析の結果、ブロックチェーン層が5つのセキュリティ次元にわたるすべての根元の不利益な出来事への攻撃経路を効果的に遮断しており、システムのレジリエンスが検証された。