[論文レビュー] EdgeChain: An Edge-IoT Framework and Prototype Based on Blockchain and Smart Contracts

Jianli Pan, Jianyu Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 18被引用数 26

ひとこと要約

EdgeChainは、エッジコンピューティング環境におけるIoTデバイスの動作を安全かつ規制可能にする、承認制限付きブロックチェーンベースのフレームワークを提案する。内部の「コイン」を介してエッジクラウドリソースをデバイスアカウントにリンクし、スマートコントラクトを通じてポリシーを強制することで、スケーラブルで監査可能かつ信頼できない環境でもリソース割り当てを実現し、プロトタイプ実験により妥当な性能オーバーヘッドが確認された。

ABSTRACT

The emerging Internet of Things (IoT) is facing significant scalability and security challenges. On the one hand, IoT devices are "weak" and need external assistance. Edge computing provides a promising direction addressing the deficiency of centralized cloud computing in scaling massive number of devices. On the other hand, IoT devices are also relatively "vulnerable" facing malicious hackers due to resource constraints. The emerging blockchain and smart contracts technologies bring a series of new security features for IoT and edge computing. In this paper, to address the challenges, we design and prototype an edge-IoT framework named "EdgeChain" based on blockchain and smart contracts. The core idea is to integrate a permissioned blockchain and the internal currency or "coin" system to link the edge cloud resource pool with each IoT device' account and resource usage, and hence behavior of the IoT devices. EdgeChain uses a credit-based resource management system to control how much resource IoT devices can obtain from edge servers, based on pre-defined rules on priority, application types and past behaviors. Smart contracts are used to enforce the rules and policies to regulate the IoT device behavior in a non-deniable and automated manner. All the IoT activities and transactions are recorded into blockchain for secure data logging and auditing. We implement an EdgeChain prototype and conduct extensive experiments to evaluate the ideas. The results show that while gaining the security benefits of blockchain and smart contracts, the cost of integrating them into EdgeChain is within a reasonable and acceptable range.

研究の動機と目的

• 大規模なIoT展開におけるスケーラビリティとセキュリティの課題に取り組むこと、特にリソース制限があり脆弱なデバイスによる影響を考慮する。
• 中央集権型クラウドコンピューティングと従来の境界ベースのセキュリティの限界を克服すること。
• ブロックチェーンとスマートコントラクトを活用して、IoTデバイスの動作とリソース使用に対する信頼できない環境でも自動化され、監査可能な制御を可能にすること。
• デバイスの優先度、アプリケーションタイプ、履歴行動に基づいて動的にエッジリソースの割り当てを制御するクレジットベースのシステムを設計すること。
• ブロックチェーンとスマートコントラクトをエッジ-IoTシステムに統合する際の実現可能性と性能コストを評価するためのプロトタイプを開発すること。

提案手法

• 改ざんに強いトランザクションログとデバイス行動記録を提供する承認制限付きブロックチェーンを実装する。
• デバイス固有のリソースクレジットと使用状況を表し、追跡するための内部「コイン」システムを導入する。
• アクセス制御ポリシーを強制するスマートコントラクトを用い、非否認性とリソース割り当てルールの自動的実行を保証する。
• デバイスの優先度、アプリケーションタイプ、履歴行動に基づいてリソースの可用性を調整するクレジットベースのリソース管理モデルを設計する。
• 相互運用性とデプロイの柔軟性を確保するため、Cloudlet や HomeCloud などの既存のエッジクラウドプラットフォームと統合する。
• さまざまなワークロードとシステム構成下での広範なシミュレーションとプロトタイプ評価を実施し、受入率、リソース利用率、性能オーバーヘッドを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンとスマートコントラクトをエッジ-IoTシステムに効果的に統合することで、セキュリティとスケーラビリティをどのように向上させられるか？
• RQ2 リアルタイムのIoTリソース管理に承認制限付きブロックチェーンとスマートコントラクトを使用する際の性能オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 クレジットベースのシステムは、多様なIoTデバイス間でのエッジリソース割り当てにおける公平性と制御性をどのように向上させるか？
• RQ4 スマートコントラクトは信頼できない環境でも、エッジ-IoT環境においてデバイス動作ポリシーを信頼できる形で非否認的に強制できるか？
• RQ5 異なる価格設定およびアドミッションポリシーは、リソース受入率とシステム効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• EdgeChainプロトタイプは、妥当な性能オーバーヘッドでブロックチェーンとスマートコントラクトをエッジ-IoTフレームワークに成功裏に統合した。
• クレジットベースのリソース管理システムは、優先度、アプリケーションタイプ、履歴行動に基づいてデバイスアクセスを効果的に制御し、公平性と制御性を向上させた。
• 価格設定機構の最適なベータ値は[1.3, 1.4]の範囲で特定され、受入率と優先度の強制の両立が図られた。
• 提案された価格設定アルゴリズムは、FCFSおよびマルチレベル優先度スケジューリングの両方を上回るリクエスト受入率を達成した。
• エッジリソース容量が低下する状況でも、価格設定機構は高い受入率を維持し、リソース不足下での強靭性を示した。
• CPU、メモリ、ストレージ、帯域幅の容量といったシステムパラメータは実験でチューニングされ、さまざまな構成下でも安定したパフォーマンスが得られた。