[論文レビュー] ChainSplitter: Towards Blockchain-based Industrial IoT Architecture for Supporting Hierarchical Storage

Gang Wang, Zhijie Shi+2 more|IACR Cryptology ePrint Archive|Oct 2, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、最近のブロックをローカルのIIoTオーバーレイネットワークに保持しながら、大多数のブロックチェーンデータをクラウドに格納することで、リソース制限のある装置のローカルリソース使用量を削減する、階層的ストレージを備えたブロックチェーンベースの産業用IoT（IIoT）アーキテクチャ「ChainSplitter」を提案する。ブロックチェーンコネクタを用いてIIoTデータからブロックを構築し、クラウドコネクタを用いてクラウドストレージと同期することで、リソース制限のあるデバイスのストレージ負荷を顕著に軽減すると同時に、改ざん不能性と検証可能性を維持する。

ABSTRACT

The fast developing Industrial Internet of Things (IIoT) technologies provide a promising opportunity to build large-scale systems to connect numerous heterogeneous devices into the Internet. Most existing IIoT infrastructures are based on a centralized architecture, which is easier for management but cannot effectively support immutable and verifiable services among multiple parties. Blockchain technology provides many desired features for large-scale IIoT infrastructures, such as decentralization, trustworthiness, trackability, and immutability. This paper presents a blockchain-based IIoT architecture to support immutable and verifiable services. However, when applying blockchain technology to the IIoT infrastructure, the required storage space posts a grant challenge to resource-constrained IIoT infrastructures. To address the storage issue, this paper proposes a hierarchical blockchain storage structure, extit{ChainSplitter}. Specially, the proposed architecture features a hierarchical storage structure where the majority of the blockchain is stored in the clouds, while the most recent blocks are stored in the overlay network of the individual IIoT networks. The proposed architecture seamlessly binds local IIoT networks, the blockchain overlay network, and the cloud infrastructure together through two connectors, the extit{blockchain connector} and the extit{cloud connector}, to construct the hierarchical blockchain storage. The blockchain connector in the overlay network builds blocks in blockchain from data generated in IIoT networks, and the cloud connector resolves the blockchain synchronization issues between the overlay network and the clouds. We also provide a case study to show the efficiency of the proposed hierarchical blockchain storage in a practical Industrial IoT case.

研究の動機と目的

• リソース制限のある産業用IoT（IIoT）環境における、膨大なブロックチェーンストレージ要件に対処すること。
• 複数参加者のIIoTシステムにおける分散型で信頼性のない、検証可能なデータ管理を可能にすること。
• 大多数のブロックチェーンデータをクラウドストレージにオフロードすることで、IIoTネットワークにおけるローカルストレージのオーバーヘッドを低減すること。
• 分散型IIoTネットワークとクラウドインfraストラクチャ間でブロックチェーンの整合性と完全性を維持すること。
• 産業環境における長期的なブロックチェーン運用をサポートするスケーラブルで階層的なストレージアーキテクチャを設計すること。

提案手法

• ローカルIIoTネットワーク、ブロックチェーンオーバーレイネットワーク、クラウドインfraストラクチャの3層構造を提案する。
• 最近のブロックをオーバーレイネットワークにローカルに格納し、古いブロックをクラウドに格納する階層的ブロックチェーンストレージモデルを導入する。
• オーバーレイネットワークにブロックチェーンコネクタを設け、IIoTトランザクションデータを集約して新しいブロックを構築する。
• クラウドコネクタを用いて、ローカルオーバーレイネットワークの最新ブロックをクラウドと同期し、整合性を保証する。
• ブロックチェーンのサイズとノードのストレージ容量に基づいて、ローカルとクラウドストレージ間の分割比を動的に調整する。
• Storjのような既存の分散型クラウドストレージシステムを活用し、クラウドベースのブロックチェーンの永続性と完全性を管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リソース制限のある装置にストレージ負荷を強いることなく、ブロックチェーンをIIoTシステムに統合する方法は何か？
• RQ2 IIoTネットワークとクラウド間で、効率的でスケーラブルかつ整合性のあるブロックチェーン運用を可能にする階層的ストレージアーキテクチャは何か？
• RQ3 ローカルIIoTネットワークは、古いデータをクラウドにオフロードしながらも、最近のブロックチェーンデータをどのように維持できるか？
• RQ4 ローカルオーバーレイネットワークとクラウドベースのブロックチェーンストレージとの間で、整合性と同期を保証するメカニズムは何か？
• RQ5 提案されたアーキテクチャは、分散型IIoT環境においてブロックチェーンの改ざん不能性と検証可能性をどのように保持するか？

主な発見

• ストレージ制限のため、リソース制限のあるコンSENSUSノードに格納されるブロックチェーンデータの割合は時間とともに減少し、自動的にクラウド同期が発動する。
• システムは、ローカルとクラウドストレージの間で動的バランスを保ち、ローカルストレージのしきい値（例：100GB）がクラウド同期のトリガーとして機能する。
• 階層的ストレージモデルにより、個々のIIoTデバイスのストレージ負荷が大幅に軽減され、ブロックチェーンデータの大部分がクラウドに移行される。
• ブロックチェーンコネクタとクラウドコネクタの活用により、ローカルIIoTネットワーク、オーバーレイブロックチェーンネットワーク、クラウドストレージの間でシームレスな統合が実現する。
• 提案されたアーキテクチャは、各デバイスに完全なブロックチェーンレプリカを必要とせずに、複数参加者のIIoT環境における検証可能で改ざん不能なデータログ記録をサポートする。
• 本手法は、クライントの最適化や部分的検証とは異なり、チェーン構造レベルでのみブロックチェーンストレージのスケーラビリティに焦点を当てた最初のアプローチである。