[論文レビュー] Real-Time Index Authentication for Event-Oriented Surveillance Video Query using Blockchain

Seyed Yahya Nikouei, Ronghua Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、エッジ・ミスト・クラウドアーキテクチャにおけるイベント指向の監視ビデオ照会に向けたブロックチェーンベースのリアルタイムインデックス認証方式を提案する。RSA-AESハイブリッド暗号化とスマートコントラクトを活用したブロックチェーンによる検証を組み合わせることで、エッジとミストノード間での特徴インデックスのセキュリティ確保と送信を実現し、エッジデバイスでは平均2.3ms、ミストノードでは0.3msのわずかなオーバーヘッドで低遅延認証を達成した。

ABSTRACT

Information from surveillance video is essential for situational awareness (SAW). Nowadays, a prohibitively large amount of surveillance data is being generated continuously by ubiquitously distributed video sensors. It is very challenging to immediately identify the objects of interest or zoom in suspicious actions from thousands of video frames. Making the big data indexable is critical to tackle this problem. It is ideal to generate pattern indexes in a real-time, on-site manner on the video streaming instead of depending on the batch processing at the cloud centers. The modern edge-fog-cloud computing paradigm allows implementation of time sensitive tasks at the edge of the network. The on-site edge devices collect the information sensed in format of frames and extracts useful features. The near-site fog nodes conduct the contextualization and classification of the features. The remote cloud center is in charge of more data intensive and computing intensive tasks. However, exchanging the index information among devices in different layers raises security concerns where an adversary can capture or tamper with features to mislead the surveillance system. In this paper, a blockchain enabled scheme is proposed to protect the index data through an encrypted secure channel between the edge and fog nodes. It reduces the chance of attacks on the small edge and fog devices. The feasibility of the proposal is validated through intensive experimental analysis.

研究の動機と目的

• 分散型監視システムにおけるエッジノードとミストノード間でやり取りされるインデックスデータのセキュリティ脆弱性を解消すること。
• 特徴データ送信中の中間者攻撃、データ改ざん、不正アクセスのリスクを軽減すること。
• リアルタイムで現地でビデオストリームのインデックス作成を可能にし、遅延を低減し、クラウドベースのバッチ処理への依存を回避すること。
• 異種でリソース制限のあるIoTデバイスに適した分散型でスケーラブルかつ軽量なセキュリティフレームワークを提供すること。
• ブロックチェーンの不変性とスマートコントラクトによる検証を通じて、ビデオインデックスのデータ完全性と真正性を保証すること。

提案手法

• エッジデバイスがビデオフレームからリアルタイムで物体検出と特徴抽出を実行する階層的エッジ・ミスト・クラウドアーキテクチャを構築する。
• エッジからミストノードへの送信中に特徴データを保護するため、ハイブリッド暗号化方式（鍵交換にRSA、データ暗号化にAES）を採用する。
• 各ビデオフレームに対して一意のハッシュ化インデックスを生成し、ミスト層に分散インデックステーブルとして格納する。
• 許可型ブロックチェーン上にスマートコントラクトを実装し、インデックスハッシュを新しいブロックに検証済みで追加することで、データ完全性を保証する。
• ノード間でブロックチェーンネットワークを同期させ、一貫性を維持し、インデックスデータへの安全で監査可能なアクセスを可能にする。
• クラウドがウェブサービスを介してインデックステーブルに安全にアクセスできるようにし、セキュリティを損なわずイベント指向のビデオ照会を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイム監視ビデオシステムにおけるインデックスデータは、エッジノードとミストノード間の送信中に改ざんからどのように保護できるか？
• RQ2 リソース制限のあるエッジデバイスにブロックチェーンベースの認証を統合した場合の計算オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 ハイブリッド暗号化モデル（RSA-AES）は、分散型監視環境において低遅延を維持しながら、特徴データを効果的に保護できるか？
• RQ4 本手法は、従来の中央集権的または対称暗号化のみのアプローチと比較して、性能とセキュリティの面でどのように優れているか？
• RQ5 異種のIoTデバイスを有する分散型監視システムにおいて、ブロックチェーンベースの検証は信頼性と完全性をどの程度向上させるか？

主な発見

• エッジノードにおけるインデックス認証の平均計算時間は2.3ms（特徴処理1.8ms + 検証0.5ms）であり、リアルタイム応用に適した低遅延を実現している。
• ミストノードでは、同様の処理がわずか0.3ms（処理0.2ms + 検証0.1ms）で実行され、異なるデバイスの性能に応じたスケーラビリティが顕著に示された。
• 提案されたRSA-AESハイブリッド暗号化方式は、ネットワーク負荷下でも顕著なジターリングや性能低下を引き起こさず、追加遅延が最小限に抑えられた。
• ハイブリッド暗号化によるセキュアチャネルは、暗号チャネル解析の結果、盗聴や中間者攻撃を効果的に防止した。
• ブロックチェーンベースのスマートコントラクトメカニズムにより、インデックスデータが不変レジャーレコードに正しく認証され、バインドされ、データ完全性と監査可能性が確保された。
• 実験的検証により、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、リアルタイムかつイベント指向の監視ビデオ照会に適した本手法の実現可能性と効率性が裏付けられた。