[论文解读] On-Chain IoT Data Modification in Blockchains

Sina Rafati Niya, Julius Willems+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一种符合GDPR的、基于链上机制的物联网数据修改方案，利用Chameleon Hashing技术，在不改变区块结构的前提下，实现对区块链中单个事务字段的细粒度、用户可控的更新。该方法保持了数据不可篡改性、可追溯性，并与区块链优化技术（如事务聚合）兼容。

ABSTRACT

In recent years, the interest growth in the Blockchains (BC) and Internet-of-Things (IoT) integration -- termed as BIoT -- for more trust via decentralization has led to great potentials in various use cases such as health care, supply chain tracking, and smart cities. A key element of BIoT ecosystems is the data transactions (TX) that include the data collected by IoT devices. BIoT applications face many challenges to comply with the European General Data Protection Regulation (GDPR) i.e., enabling users to hold on to their rights for deleting or modifying their data stored on publicly accessible and immutable BCs. In this regard, this paper identifies the requirements of BCs for being GDPR compliant in BIoT use cases. Accordingly, an on-chain solution is proposed that allows fine-grained modification (update and erasure) operations on TXs' data fields within a BC. The proposed solution is based on a cryptographic primitive called Chameleon Hashing. The novelty of this approach is manifold. BC users have the authority to update their data, which are addressed at the TX level with no side-effects on the block or chain. By performing and storing the data updates, all on-chain, traceability and verifiability of the BC are preserved. Moreover, the compatibility with TX aggregation mechanisms that allow the compression of the BC size is maintained.

研究动机与目标

• 解决区块链集成物联网（BIoT）系统中GDPR合规性所面临的挑战，特别是数据不可篡改性与用户更正或删除个人数据权利之间的冲突。
• 实现在事务层面的细粒度、链上物联网数据修改，确保数据所有者对其个人数据保有控制权。
• 设计一种保持区块链完整性、可追溯性以及与现有优化技术（如事务聚合）兼容的解决方案。
• 确保仅数据所有者可修改其自身数据，通过密码学访问控制防止未经授权的更新。
• 提供一种自包含的、去中心化的机制，无需依赖外部实体或中心化权威机构进行数据修改。

提出的方法

• 利用Chameleon Hash Functions（CHF）实现区块链事务内数据字段的基于碰撞的更新，允许授权修改而不改变区块结构。
• 将更新操作作为独立事务（UpdateTxs）存储，引用待修改的原始事务，以确保可审计性和可追溯性。
• 为每个用户账户集成CHF参数，确保仅数据所有者可为其自身事务生成有效的哈希碰撞。
• 设计系统使得更新操作在链上执行，且不需修改区块链的区块结构，从而保持链的不可篡改性。
• 通过不修改区块级数据或共识逻辑，确保与现有区块链可扩展性机制（如事务聚合）的兼容性。
• 在基于PoS的、面向物联网的区块链（Bazo）中实现该方案，将更改集成至客户端和矿工端流程。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统如何在保持不可篡改性和可追溯性的同时，支持物联网数据的GDPR合规性修改？
• RQ2 何种密码学原Primitive能够实现对单个事务字段的细粒度、用户可控的更新，且不改变区块链的区块结构？
• RQ3 能否设计一种去中心化、链上的数据更正与删除解决方案，而无需依赖中心化权威机构或外部系统？
• RQ4 区块链系统如何在支持动态数据更新的同时，保持与事务聚合等可扩展性优化的兼容性？
• RQ5 在许可制、面向物联网的区块链中，使用Chameleon Hashing进行链上数据修改的安全与操作影响是什么？

主要发现

• 所提出的方案实现了在事务层面的细粒度、链上物联网数据修改，使数据所有者可直接在区块链上更新或删除其个人数据。
• 所有更新均通过Chameleon Hashing实现，授权用户可为其自身事务生成哈希碰撞，从而在不改变区块结构的前提下实现数据修改。
• 系统保持了完整的可追溯性与可审计性，因为所有更新事务均存储于区块链上，可像其他事务一样被验证。
• 该方法与区块链可扩展性优化（如事务聚合）完全兼容，因为更新不涉及区块级数据或共识机制的改变。
• 该方案确保仅数据所有者可修改其数据，因为CHF参数与用户账户绑定，可防止未经授权的修改。
• 更新操作耗时少于一分钟，表明其在真实世界BIoT应用中具备可接受的性能表现。