[論文レビュー] Incentivized Delivery Network of IoT Software Updates Based on Trustless Proof-of-Distribution

Oded Leiba, Yechiav Yitzchak+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ブロックチェーンベースのスマートコントラクトとゼロ知識連動支払い（ZKCP）を用いて、信頼なしで公平な報酬が支払われる分散型のインcentivized IoT ソフトウェア更新配信ネットワークを提案する。スマートコントラクトによってベンダのコミットメントをマイクロペイメントに束ね、ZKCP を用いて配布の証明を偽造不能に生成することで、中央集権的インfraストラクチャーや中間者を信頼せず、スケーラブルで安全かつ監査可能なセキュリティアップデート配信を実現する。

ABSTRACT

The prevalence of IoT devices makes them an ideal target for attackers. To reduce the risk of attacks vendors routinely deliver security updates (patches) for their devices. The delivery of security updates becomes challenging due to the issue of scalability as the number of devices may grow much quicker than vendors' distribution systems. Previous studies have suggested a permissionless and decentralized blockchain-based network in which nodes can host and deliver security updates, thus the addition of new nodes scales out the network. However, these studies do not provide an incentive for nodes to join the network, making it unlikely for nodes to freely contribute their hosting space, bandwidth, and computation resources. In this paper, we propose a novel decentralized IoT software update delivery network in which participating nodes referred to as distributors) are compensated by vendors with digital currency for delivering updates to devices. Upon the release of a new security update, a vendor will make a commitment to provide digital currency to distributors that deliver the update; the commitment will be made with the use of smart contracts, and hence will be public, binding, and irreversible. The smart contract promises compensation to any distributor that provides proof-of-distribution, which is unforgeable proof that a single update was delivered to a single device. A distributor acquires the proof-of-distribution by exchanging a security update for a device signature using the Zero-Knowledge Contingent Payment (ZKCP) trustless data exchange protocol. Eliminating the need for trust between the security update distributor and the security consumer (IoT device) by providing fair compensation, can significantly increase the number of distributors, thus facilitating rapid scale out.

研究の動機と目的

• 急速に拡大するデバイスエコシステムにおける、中央集権的 IoT ソフトウェア更新配布のスケーラビリティと可用性の課題を解決すること。
• ノードが帯域幅、ストレージ、計算リソースを提供するように経済的インcentive を導入することで、分散型更新ネットワークにおける無料乗車問題を解消すること。
• ゼロ知識連動支払い（ZKCP）を用いた公平な交換メカニズムにより、配布者と IoT デバイスの間の信頼を排除すること。
• ブロックチェーンで検証可能な証明を通じて、ベンダが更新配信を監視し、重要なパッチを優先し、ソフトウェアの完全性を保証できること。
• Ethereum などの既存のブロックチェーンプラットフォームと互換性があり、高い可用性と監査可能性を備えたシステムを設計すること。

提案手法

• 本システムは、パブリックブロックチェーン上に配置されたスマートコントラクトを用い、特定の IoT デバイスへの更新配信について、ベンダのコミットメントをマイクロペイメントに束ねる。
• 配布者は、ゼロ知識連動支払い（ZKCP）プロトコルを用いて生成される偽造不能な配布証明を提供した後のみ報酬を得る。
• ZKCP を用いることで、信頼なしの交換が可能になる：配布者は更新を送信し、IoT デバイスはチャレンジに応じて配布が行われたことを証明する署名を生成する。
• 配布証明は暗号学的に検証可能であり、ブロックチェーンに公開することで報酬を請求できる。これにより、公平性と不可逆性が保証される。
• 本システムは、zk-SNARKs を活用しており、正しく配布された場合にのみ有効な証明が生成され、偽造の可能性は無視できるほど低い。
• 最適化として、バッチ処理と公開鍵インデキシングを導入し、ブロックチェーンのストレージとトランザクション負荷を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央集権的インfraストラクチャに依存せずに、分散型 IoT 更新ネットワークが高い可用性とスケーラビリティを達成する方法は何か？
• RQ2 非ベンダーノードが更新配信に積極的に参加するように、経済的インセンティブを効果的にモデル化する方法は何か？
• RQ3 ZKCP のような信頼なし交換プロトコルを用いることで、配布者と IoT デバイスの間の信頼を排除し、公平な報酬を保証できるか？
• RQ4 許可なしで分散型のネットワークにおいて、ソフトウェア更新の完全性と真正性を保証するメカニズムは何か？
• RQ5 本システムは、重大なパッチ適用やクライアント固有の配信といったベンダ固有の優先順位をサポートするため、監査可能で拡張可能であるか？

主な発見

• 本システムは、インcentivized ノードによる分散型配布により、スケーラブルで、障害に強く、可用性の高い IoT 更新配信ネットワークを実現する。
• 配布証明は暗号学的に偽造不能であり、偽造確率は無視できるほど低く、正当な配布のみが報酬対象となる。
• ブロックチェーン上のスマートコントラクトが、ベンダのコミットメントを不可逆的に強制し、配布者が正常に配布した場合にのみ報酬が支払われることを保証する。
• ZKCP の使用により、公平な交換が実現する：配布者は更新を配信した場合にのみ報酬を受け、デバイスは更新を受け取った場合にのみ署名を行う。
• 本システムはプログラム可能なインセンティブをサポートしており、スマートコントラクトの論理によりベンダが特定の更新やクライアントを優先できる。
• ブロックチェーンの現在のトランザクション制限を考慮しても、バッチ処理や署名集約などの最適化により、オーバーヘッドを顕著に低減でき、スケーラビリティが向上する。