[论文解读] BlendMAS: A BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart Public Safety

Ronghua Xu, Seyed Yahya Nikouei+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用 12

一句话总结

本文提出BlendMAS，一种用于智能公共安全系统的去中心化微服务架构，利用许可区块链和智能合约，在分布式物联网设备间实现安全、可扩展且细粒度的访问控制。通过将安全与监控功能分解为部署在边缘和雾节点上的容器化微服务，并利用区块链保护的智能合约强制实施数据完整性和访问控制，BlendMAS降低了对中心化权威机构的依赖，同时在动态、异构环境中保持低延迟和高弹性。

ABSTRACT

Thanks to rapid technological advances in the Internet of Things (IoT), a smart public safety (SPS) system has become feasible by integrating heterogeneous computing devices to collaboratively provide public protection services. While a service oriented architecture (SOA) has been adopted by IoT and cyber-physical systems (CPS), it is difficult for a monolithic architecture to provide scalable and extensible services for a distributed IoT based SPS system. Furthermore, traditional security solutions rely on a centralized authority, which can be a performance bottleneck or single point failure. Inspired by microservices architecture and blockchain technology, this paper proposes a BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart public safety (BlendMAS). Within a permissioned blockchain network, a microservices based security mechanism is introduced to secure data access control in an SPS system. The functionality of security services are decoupled into separate containerized microservices that are built using a smart contract, and deployed on edge and fog computing nodes. An extensive experimental study verified that the proposed BlendMAS is able to offer a decentralized, scalable and secured data sharing and access control to distributed IoT based SPS system.

研究动机与目标

• 解决大规模、分布式物联网驱动的智能公共安全（SPS）系统中单体式和中心化安全架构的局限性。
• 克服中心化信任模型在跨域、异构物联网部署中固有的性能瓶颈和单点故障问题。
• 在典型公共安全应用中常见的无信任、动态环境中，实现细粒度、去中心化的访问控制和数据完整性验证。
• 设计一种可扩展、可扩展且互操作的系统架构，支持关键任务SPS工作负载的持续部署和领域驱动开发。
• 证明在真实边缘-雾计算基础设施中，将基于区块链的安全机制与轻量级微服务集成的可行性。

提出的方法

• 将SPS和安全功能分解为独立的、容器化的微服务，部署在边缘和雾计算节点上。
• 实施一个许可区块链网络（私有以太坊）作为防篡改的账本，用于存储帧特征和访问决策的加密哈希值。
• 将身份认证和访问控制策略编码为运行在区块链上的智能合约，以强制实施去中心化的信任机制。
• 通过授权矿工之间的共识机制验证并追加区块，确保数据完整性和可审计性。
• 将基于区块链的访问控制模块（BlendCAC）集成到单体式和微服务架构的应用堆栈中，进行对比评估。
• 在包含真实边缘和雾设备的物理物联网网络环境中进行原型部署和评估，以测量性能与安全性的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单体式、中心化的模型相比，基于区块链的去中心化微服务架构是否能提升分布式物联网驱动的公共安全系统中的安全性和可扩展性？
• RQ2 智能合约和区块链技术的集成如何在异构、边缘计算环境中实现细粒度的无信任访问控制？
• RQ3 在资源受限的边缘和雾计算平台上，部署基于区块链的访问控制机制会带来多大的性能开销？
• RQ4 在实时公共安全应用背景下，微服务通信的延迟与单体式内部进程间通信（IPC）相比如何？
• RQ5 权限区块链和智能合约系统在多大程度上能确保监控数据流的数据完整性和防止篡改？

主要发现

• BlendMAS架构成功地将安全与监控功能解耦为模块化、容器化的微服务，实现了在边缘和雾节点上的灵活部署与维护。
• 在雾节点上，微服务架构（Micro_App）的数据获取平均延迟为133.5 ms，而单体版本（Mono_App）为59.9 ms，由于远程过程调用（RPC）导致了73.6 ms的开销。
• 在边缘设备上，两种架构的延迟相近（Micro_App为147.1 ms，Mono_App为140.3 ms），6.8 ms的差异归因于RPC通信。
• 尽管微服务模型存在更高的网络延迟，该架构在松耦合、跨平台互操作性和容错能力方面表现出显著优势。
• 基于区块链的访问控制机制通过在不可篡改的账本上存储帧特征和决策的加密哈希值，有效防止了数据篡改。
• 原型验证了BlendMAS在真实物理物联网环境中的可行性与有效性，证实其作为可扩展、安全且去中心化的智能公共安全系统解决方案的潜力。