[論文レビュー] Designing a blockchain-based IoT infrastructure with Ethereum, Swarm and LoRa

Kazım Rıfat Özyılmaz, Arda Yurdakul|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 12被引用数 52

ひとこと要約

本論文は、データを Swarm に格納し、アクセスを Ethereum のスマートコントラクトで調整する標準化されたブロックチェーンベースの IoT バックエンドを提案し、LoRa ゲートウェイを用いた概念実証で示す。

ABSTRACT

Today, the number of IoT devices in all aspects of life is exponentially increasing. The cities we are living in are getting smarter and informing us about our surroundings in a contextual manner. However, there lay significant challenges of deploying, managing and collecting data from these devices, in addition to the problem of storing and mining that data for higher-quality IoT services. Blockchain technology, even in today's nascent form, contains the pillars to create a common, distributed, trustless and autonomous infrastructure system. This paper describes a standardized IoT infrastructure; where data is stored on a DDOS-resistant, fault-tolerant, distributed storage service and data access is managed by a decentralized, trustless blockchain. The illustrated system used LoRa as the emerging network technology, Swarm as the distributed data storage and Ethereum as the blockchain platform. Such a data backend will ensure high availability with minimal security risks while replacing traditional backend systems with a single "smart contract".

研究の動機と目的

• IoT デバイスの発見、通信、データ提出をブロックチェーン対応バックエンドへ標準化する。
• IoT データの保存とアクセスのためのピアツーピア、フォールトトレラント、DDoS耐性のインフラを作成する。
• スマートコントラクトと統一インターフェースを介して IoT デバイスのクエリとデータ取得を促進する。
• Swarm ストレージと Ethereum スマートコントラクトと LoRa ゲートウェイの統合を概念実証として示す。

提案手法

• データが Swarm に格納され、参照（ハッシュ）が Ethereum 上のスマートコントラクトを介して格納される gateway 中心の IoT アーキテクチャを説明する。
• LoRa ゲートウェイを Ethereum と Swarm に統合し、統一プロトコルを通じてデータのプッシュ、保存、取得を可能にする。
• IoT ゲートウェイ統合戦略を提案する（ゲートウェイをフルノード、ゲートウェイを薄クライアント、エンドデバイスをさまざまなブロックチェーンクライアントとして）。
• デバイスデータを Swarm ファイルハッシュにマップしデータ提出時にイベントを発行するサンプルのスマートコントラクトデータ構造を提示する。
• センサから Swarm ストレージと Ethereum バックのアクセスへ至るエンドツーエンドのデータフローを LoRaWAN ハードウェアで示す PoC を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoT ゲートウェイとエンドデバイスを Ethereum と Swarm を用いたブロックチェーンベースのバックエンドにどのように統合できるか？
• RQ2 どのデータモデルとスマートコントラクト構造が IoT データを Swarm ストレージハンドルと効率的に結びつけることを可能にするか？
• RQ3 LoRa ゲートウェイを用いてブロックチェーンバック IoT バックエンドを展開する際のリソース、スループット、アーキテクチャの影響はどのようになるか？
• RQ4 PoC は LoRa エンドデバイスから Swarm へのエンドツーエンドのデータプッシュと Ethereum スマートコントラクト経由のアクセスを示せるか？

主な発見

• ブロックチェーンベースの IoT バックエンドは Swarm を介した DDOS耐性ストレージと Ethereum スマートコントラクトによる信頼性のないデータアクセスを提供できる。
• LoRa ベースの PoC は、エンドデバイスからゲートウェイを経由して Swarm ストレージと Ethereum へデータフローを示し、デバイスデータを Swarm ハッシュに結びつけるスマートコントラクトを備える。
• 異なるゲートウェイとデバイスの統合モード（フルノード、薄クライアント、サーバー信頼クライアント、薄 vs フルノード）は統合の容易さと信頼前提のトレードオフを提供する。
• 私的 Ethereum ネットワークではスループットは約 16 トランザクション/秒、公開 Ethereum は執筆時点で約 10.6 トランザクション/秒だった。
• Swarm を備えたゲートウェイはメモリ使用量を増加させる（私的ネットワークでマイニングフルノードは 1.2–1.5 GB、公開ネットワークで最大 4 GB だが）IoT データ処理をスケーラブルに可能にする。
• 論文は PoS への切替、暗号化とアクセス制御の課題、帯域幅の考慮、IoT ブロックチェーンシステムのリアルタイムデータ要件などの改善可能性を議論している。