[論文レビュー] PoAh: A Novel Consensus Algorithm for Fast Scalable Private Blockchain for Large-scale IoT Frameworks

Deepak Puthal, Saraju P. Mohanty+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用数 34

ひとこと要約

本論文は PoAh を紹介します。認証ベースの機構を用いて private IoT ブロックチェーンにおける PoW を置換する軽量な合意アルゴリズムであり、シミュレーションと Raspberry Pi テストベッドで検証されています。

ABSTRACT

In today's connected world, resource constrained devices are deployed for sensing and decision making applications, ranging from smart cities to environmental monitoring. Those recourse constrained devices are connected to create real-time distributed networks popularly known as the Internet of Things (IoT), fog computing and edge computing. The blockchain is gaining a lot of interest in these domains to secure the system by ignoring centralized dependencies, where proof-of-work (PoW) plays a vital role to make the whole security solution decentralized. Due to the resource limitations of the devices, PoW is not suitable for blockchain-based security solutions. This paper presents a novel consensus algorithm called Proof-of-Authentication (PoAh), which introduces a cryptographic authentication mechanism to replace PoW for resource constrained devices, and to make the blockchain application-specific. PoAh is thus suitable for private as well as permissioned blockchains. Further, PoAh not only secures the systems, but also maintains system sustainability and scalability. The proposed consensus algorithm is evaluated theoretically in simulation scenarios, and in real-time hardware testbeds to validate its performance. Finally, PoAh and its integration with the blockchain in the IoT and edge computing scenarios is discussed. The proposed PoAh, while running in limited computer resources (e.g. single-board computing devices like the Raspberry Pi) has a latency in the order of 3 secs.

研究の動機と目的

• リソース制約のある IoT およびエッジ環境におけるブロックチェーンのセキュリティとスケーラビリティのニーズに対応する。
• 暗号認証を用いて PoW を置換する軽量な合意メカニズムを提案する。
• シミュレーションと実機テストベッドを通じて PoAh の実現可能性と性能を示す。

提案手法

• IoT およびエッジ機器向けの暗号認証ベースの合意形成として Proof-of-Authentication (PoAh) を提案する。
• ブロック検証フロー内で署名、MAC検証、暗号化に ElGamal 暗号を使用する。
• 認証済みブロックを検証・ブロードキャストするための信頼済みノードベースの認証プロセスを実装する。
• 偽認証を緩和し 51% 攻撃に抵抗するためにノードの信頼値を割り当て調整する。
• Python ベースのシミュレーションと6ノードの Raspberry Pi テストベッドを用いて PoAh の性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoAh は PoW/PoS と比較して、リソース制約のある IoT デバイスに対して安全かつ高速なブロック検証を提供できるか？
• RQ2 PoAh は IoT シナリオにおけるブロック検証のエネルギー消費と時間消費を削減しつつ、ブロックチェーンのセキュリティを維持するか？
• RQ3 信頼済みノード認証機構が IoT ブロックチェーンのスケーラビリティと攻撃への耐性にどのように影響するか？

主な発見

• シミュレーション結果は PoAh の平均認証時間が 3.34 秒で、500 回の反復を通じて示される。
• 6 台の Raspberry Pi デバイスを用いたハードウェアテストベッドは、リアルタイムデータと認証ワークフローを用いた PoAh の動作を示す。
• PoAh はハッシュ逆算 PoW を迅速な暗号認証に置換することで、エネルギーと時間のコストを削減する。
• 信頼ノードはブロックをブロードキャスト前に認証し、IoT ネットワークの不安定性と 51%攻撃の懸念に対処する。