[論文レビュー] SpeedyChain: A framework for decoupling data from blockchain for smart cities

Regio A. Michelin, Ali Dorri+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 25被引用数 15

ひとこと要約

SpeedyChainは、スマートシティにおける低遅延、プライベート、スケーラブルなデータ共有を実現するため、データをブロックから分離するブロックチェーンフレームワークを提案する。ブロックに格納するのは取引のハッシュのみで、有効期限付きブロック管理を伴うMerkleツリーを用いることで、ストレージおよび検証のオーバーヘッドを低減し、大規模な環境下でもミリ秒未塔の取引検証時間を達成する。

ABSTRACT

There is increased interest in smart vehicles acting as both data consumers and producers in smart cities. Vehicles can use smart city data for decision-making, such as dynamic routing based on traffic conditions. Moreover, the multitude of embedded sensors in vehicles can collectively produce a rich data set of the urban landscape that can be used to provide a range of services. Key to the success of this vision is a scalable and private architecture for trusted data sharing. This paper proposes a framework called SpeedyChain, that leverages blockchain technology to allow smart vehicles to share their data while maintaining privacy, integrity, resilience and non-repudiation in a decentralized, and tamper-resistant manner. Differently from traditional blockchain usage (e.g., Bitcoin and Ethereum), the proposed framework uses a blockchain design that decouples the data stored in the transactions from the block header, thus allowing for fast addition of data to the blocks. Furthermore, an expiration time for each block to avoid large sized blocks is proposed. This paper also presents an evaluation of the proposed framework in a network emulator to demonstrate its benefits.

研究の動機と目的

• スマートシティにおけるスマート車両と都市インfraストラクチャ間の信頼できるデータ共有におけるスケーラビリティおよびプライバシー課題に対処すること。
• 中央集権型データプラットフォームの限界、すなわち単一障害点やアイデンティティの関連付けによるプライバシー侵害を克服すること。
• 分散型ブロックチェーンモデルを用いて、車両、RSI、およびサービスプロバイダー間で低遅延、改ざん防止、監査可能なデータ交換を可能にすること。
• ブロックチェーンのブロックからデータを分離することで、ストレージおよび検証のオーバーヘッドを低減し、リソース制限のあるスマート車両におけるパフォーマンスを向上させること。
• 動的鍵管理と信頼なし検証を用いて、車両所有者のプライバシーを保持しながらも、データの整合性と否認不能性を確保すること。

提案手法

• 取引データをブロックヘッダから分離し、ブロックに格納するのは暗号的ハッシュ（例：Merkleルート）のみとして、ブロックサイズを縮小しスケーラビリティを向上させること。
• Merkleツリー構造を用いて、多数の取引の整合性を効率的に検証し、ルートハッシュをブロックに格納すること。
• ブロックの有効期限を導入することで、無制限な成長を防ぎ、長期的なブロックチェーンの保守性を確保すること。
• 二方向の信頼モデルを採用し、車両とRSIが公開鍵暗号およびブロックチェーンで検証されたアイデンティティを用いて、互いのデータの真正性を検証できること。
• マイニングおよび検証のブロックチェーン管理を、RSIやサービスプロバイダーなどリソース豊富な参加者に委ね、車両からの計算負荷を軽減すること。
• 信頼エージェント（Merkleツリー更新者）を活用し、有効な公開鍵のルートハッシュを維持・配布することで、リソース制限のある車両での軽量な検証を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートシティの都市環境において、スマート車両からの高ボリューム・低遅延データ共有を支えるために、ブロックチェーンをどのように最適化できるか？
• RQ2 データをブロックチェーンのブロックから分離しても、データの整合性や監査可能性を損なわずに実現するためのメカニズムは何か？
• RQ3 車両が機微な位置情報データを共有する分散型データ共有システムにおいて、プライバシーをどのように保護できるか？
• RQ4 データ分離型ブロックチェーンアーキテクチャを用いることで、取引およびブロック検証時間にどの程度のパフォーマンス向上が達成できるか？
• RQ5 増加する取引およびブロックボリューム下で、提案されたフレームワークはどのようにスケーリングするのか。また、遅延特性はどのようなものか？

主な発見

• SpeedyChainにおける取引検証時間は、1,000件の取引に対して最小0.002 msにまで短縮され、高いスループットと低遅延性能を示している。
• 1つのピアあたりのブロック検証および更新時間は、50～650ブロックの範囲で0.021 ms～0.025 msの間であり、大規模な展開においても効率的な同期が可能であることを示している。
• 1,000件の取引のMerkleツリーのルートを計算する時間は7.995 msであり、非線形的成長を示し、リアルタイム利用の可能性を裏付けている。
• 650ブロックおよび1,000件の取引を持つブロックチェーンにおいて、新しいブロックの作成および検証に要する合計時間は20.33 msであり、そのうち検証時間が全体の7.7%にとどまっている。
• 1,000件の取引に対して、遅延測定の信頼区間を95%に保ち、誤差確率がたった0.002 msにとどまることが確認され、高い信頼性を示している。
• COREネットワークエミュレータを用いたシミュレーション結果から、SpeedyChainが高負荷下でも低遅延および高スケーラビリティを維持していることが確認された。