[論文レビュー] SPB: A Secure Private Blockchain-based Solution for Energy Trading

Ali Dorri, Fengji Luo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

SPBは、原子的メタ取引を用いて信頼できる第三者機関（TTP）を排除し、匿名スマートメーター認証によりプライバシーを強化することで、ピアツーピアエネルギー取引のための安全でプライベートなブロックチェーンフレームワークを提案する。公開鍵（PK）ベースのルーティングによりパケットオーバーヘッドを低減し、暗号的に検証されたERCによりエネルギー受領を保証する。スマートグリッド環境における主な攻撃に対して耐性を示す。

ABSTRACT

Blockchain is increasingly being used to provide a distributed, secure, trusted, and private framework for energy trading in smart grids. However, existing solutions suffer from lack of privacy, processing and packet overheads, and reliance on Trusted Third Parties (TTP). To address these challenges, we propose a Secure Private Blockchain-based (SPB) framework. SPB enables the energy producers and consumers to directly negotiate the energy price. To reduce the associated packet overhead, we propose a routing method which routes packets based on the destination Public Key (PK). SPB eliminates the need for TTP by introducing atomic meta-transactions. The two transactions that form a meta-transaction are visible to the blockchain participants only after both of them are generated. Thus, if one of the participants does not commit to its tasks in a pre-defined time, then the energy trade expires and the corresponding transaction is treated as invalid. The smart meter of the consumer confirms receipt of energy by generating an Energy Receipt Confirmation (ERC). To verify that the ERC is generated by a genuine smart meter, SPB supports authentication of anonymous smart meters which in turn enhances the privacy of the meter owner. Qualitative security analysis shows the resilience of SPB against a range of attacks.

研究の動機と目的

• 既存のブロックチェーンベースのエネルギー取引システムにおけるプライバシー、オーバーヘッド、TTP依存の問題を解決すること。
• 中間業者に依存せずに、エネルギー生産者と消費者が直接かつ安全に価格交渉できるようにすること。
• ブロックチェーンにおける公開鍵ベースのルーティングにより、ネットワークパケットオーバーヘッドを低減すること。
• 原子的メタ取引とエネルギー受領確認（ERC）を用いて、取引の有効性とエネルギー受領の真正性を保証すること。
• 匿名でありながら検証可能なメーター認証により、スマートメーター所有者に対する強力なプライバシー保証を提供すること。

提案手法

• 2つの相互に依存する取引が両方生成された後でのみ可視化される原子的メタ取引を導入し、相互のコミットメントを保証する。
• 送信先の公開鍵（PK）に基づいてメッセージをルーティングすることで、パケットオーバーヘッドを最小限に抑える公開鍵（PK）ベースのルーティングを採用する。
• 2段階の検証プロセスを実装：エネルギー供給の実行、その後に消費者のスマートメーターから暗号的に署名されたERCの送信。
• 所有者のプライバシーを保護しながらも、真正のデバイスからERCが生成されることを保証する匿名スマートメーター認証を実装する。
• 暗号的プリミティブを適用して、取引と受領証明書を身元に束縛するが、下位データを露呈しないことでプライバシーを強化する。
• アクセス制御とデータ機密性を維持しながらも、改ざん不能性と監査可能性を保証するプライベートブロックチェーンに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンベースのエネルギー取引において、TTPを排除しつつも取引の整合性を保証するにはどうすればよいか？
• RQ2 エネルギー取引ブロックチェーンシステムにおけるパケットオーバーヘッドを低減するメカニズムは何か？
• RQ3 エネルギー取引検証中にスマートメーター所有者のプライバシーをどのように保護できるか？
• RQ4 エネルギー受領確認（ERC）が真正かつ匿名であることを保証する暗号的プリミティブは何か？
• RQ5 原子的メタ取引はどのようにして相互コミットメントを強制し、一方的取引失敗を防止できるか？

主な発見

• SPBフレームワークは、相互コミットメントを強制する原子的メタ取引により、信頼できる第三者機関（TTP）への依存を成功裏に排除した。
• 公開鍵（PK）ベースのルーティングによりパケットオーバーヘッドが低減され、セキュリティを損なわずメッセージ配信が最適化された。
• エネルギー受領確認（ERC）は暗号的に検証され、真正のスマートメーターにリンクされており、供給の整合性が保証された。
• 身元を露呈せずに匿名スマートメーター認証が達成され、ユーザーのプライバシーが顕著に向上した。
• 定性的なセキュリティ分析により、二重支出、Sybil攻撃、再生攻撃といった一般的な攻撃に対して耐性があることが確認された。
• エンドツーエンドの暗号的保証を備えたプライベートブロックチェーンアーキテクチャにより、データ機密性と改ざん不能性が維持された。