[論文レビュー] How Can Applications of Blockchain and Artificial Intelligence Improve Performance of Internet of Things? -- A Survey

Priyanka Bothra, Raja Karmakar+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 182被引用数 7

ひとこと要約

本サーベイは、インテอรnet・オブ・Things（IoT）システムにおけるセキュリティ、スケーラビリティ、インテリジェンスの向上を目的として、ブロックチェーンと人工知能（AI）の統合を調査する。ブロックチェーンの分散型信頼性とAIの適応的学習を活用することで、本稿は、リソース制限のあるIoT環境における認証、脅威検出、リアルタイム意思決定の改善を図る統合フレームワークを提案する。主な貢献は、今後のセキュアで知的なIoTアプリケーションのための、相乗効果、制限要因、未解決の課題の特定である。

ABSTRACT

In the era of the Internet of Things (IoT), massive computing devices surrounding us operate and interact with each other to provide several significant services in industries, medical as well as in daily life activities at home, office, education sectors, and so on. The participating devices in an IoT network usually have resource constraints and the devices are prone to different cyber attacks, leading to the loopholes in the security and authentication. As a revolutionized and innovated technology, blockchain, that is applied in cryptocurrency, market prediction, etc., uses a distributed ledger that records transactions securely and efficiently. To utilize the great potential of blockchain, both industries and academia have paid a significant attention to integrate it with the IoT, as reported by several existing literature. On the other hand, Artificial Intelligence (AI) is able to embed intelligence in a system, and thus the AI can be integrated with IoT devices in order to automatically cope with different environments according to the demands. Furthermore, both blockchain and AI can be integrated with the IoT to design an automated secure and robust IoT model, as mentioned by numerous existing works. In this survey, we present a discussion on the IoT, blockchain, and AI, along with the descriptions of several research works that apply blockchain and AI in the IoT. In this direction, we point out strengths and limitations of the related existing researches. We also discuss different open challenges to exploit the full capacities of blockchain and AI in designing an IoT-based model. Therefore, the highlighted challenging issues can open the door for the development of future IoT models which will be intelligent and secure based on the integration of blockchain and AI with the IoT.

研究の動機と目的

• ブロックチェーン、AI、IoTの統合状況を分析し、システム性能の向上を図ること。
• ブロックチェーンとAIをIoTアプリケーションに適用する既存研究の強みと限界を特定すること。
• 将来のIoTシステムにおけるスケーラビリティ、セキュリティ、プライバシー、計算効率に関する未解決の課題を強調すること。
• ブロックチェーンとAI技術を統合することで、知的で安全かつ分散型のIoTを実現するフレームワークを提案すること。
• 実世界のIoT展開におけるブロックチェーンとAIの導入に向けた未解決の主要な問題を提示することで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• 多様な応用分野におけるブロックチェーン、AI、IoT統合に関する既存文献の体系的レビュー。
• 合意形成メカニズム、スケーラビリティ、セキュリティモデルに基づく、IoTにおけるブロックチェーン応用の分類。
• 異常検出および予測分析に用いられる、特に教師ありおよび教師なし学習のAI技術の分析。
• エッジデバイスの負荷を軽減するために、AI推論処理を集中型ノードにオフロードするエッジコンピューティングアーキテクチャの評価。
• 信頼性と責任の所在を確保するため、AI駆動の意思決定とブロックチェーンの改ざん不能な監査ログを組み合わせたハイブリッドモデルの検討。
• 無線環境およびエッジ環境における通信オーバーヘッド、遅延、計算制約といった技術的・アーキテクチャ的課題の特定。

Figure 1 : General applications of IoT

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術は、リソース制限のあるIoTネットワークにおいて、どのようにセキュリティ、信頼性、分散性を向上させるか？
• RQ2 AIは、動的かつ変化しやすいIoT環境において、どのように柔軟性、自動化、リアルタイム意思決定を向上させるか？
• RQ3 ブロックチェーンとAIをIoTシステムに統合するにあたり、主な技術的およびアーキテクチャ的課題は何か？
• RQ4 既存のAIおよびブロックチェーンモデルは、IoT展開におけるスケーリング、遅延、エネルギー効率の観点で、どのように性能を発揮しているか？
• RQ5 ブロックチェーンとAIを用いた統合的で知的かつ安全なIoTフレームワークを設計するにあたり、未解決の研究的課題は何か？

主な発見

• ブロックチェーンは、中央集権的機関への依存を減らすことで、分散型で改ざん不能かつ監査可能な取引ログを可能にし、IoTのセキュリティを強化する。
• 教師ありおよび教師なし学習を用いたAI駆動の異常検出は、脅威の露出評価を改善し、IoTネットワークにおける継続的セキュリティ監視を可能にする。
• エッジコンピューティングと集中型AIモデルを組み合わせることで、エッジデバイスの計算負荷を軽減できるが、通信オーバーヘッドは依然として深刻な課題のままである。
• ユーザー行動から学習する人間中心のAIモデルは、言語、感情、文脈を解釈することで、人間と機械のギャップを埋める。
• AIと5Gおよび無線IoTネットワークを統合することで、適応的リソース管理が可能になるが、周波数割り当て、遅延、帯域幅の制約に対応するための新しいモデルの開発が求められる。
• 進展は見られるものの、特に低消費電力IoTデバイスにAIとブロックチェーンを展開するにあたり、スケーラビリティ、エネルギー効率、相互運用性の面で依然として大きな課題が残っている。

Figure 2 : Taxonomy of IoT security and privacy