[論文レビュー] Trinity: A Distributed Publish/Subscribe Broker with Blockchain-based Immutability

Gowri Ramachandran, Kwame-Lante Wright+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

Trinityは、複数のステークホルダーを対象としたIoTおよびサプライチェーンアプリケーションにおけるデータの改ざん不能性、一貫性、信頼性を保証する分散型ブロックチェーン統合型の公開購読ブローカーを提案する。MQTTとTendermintブロックチェーン、スマートコントラクトを組み合わせることで、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで分散型で改ざん不能なデータログが可能となり、20ノードのRaspberry Pi 3ネットワーク上でのエンドツーエンド遅延は約3秒を達成した。

ABSTRACT

Internet-of-Things (IoT) and Supply Chain monitoring applications rely on messaging protocols for exchanging data. Contemporary IoT deployments widely use the publish-subscribe messaging model because of its resource-efficiency. However, the systems with publish-subscribe messaging model employ a centralized architecture, wherein the data from all the devices in the application network flows via a central broker to the subscribers. Such a centralized architecture make publish-subscribe messaging model susceptible to a central point of failure. Besides, it provides an opportunity for the organization that owns the broker to tamper with the data. In this work, we contribute Trinity, a novel distributed publish-subscribe broker with blockchain-based immutability. Trinity distributes the data published to one of the brokers in the network to all the brokers in the network. The distributed data is stored in an immutable ledger through the use of the blockchain technology. Furthermore, Trinity executes smart contracts to validate the data before saving the data on the blockchain. Through the use of a blockchain network, Trinity can guarantee persistence, ordering, and immutability across trust boundaries. Our evaluation results show that Trinity consumes minimal resources, and the use of smart contracts enable the stakeholders to automate the data management processes. To the best of our knowledge, Trinity is the first framework that combines the components of the blockchain technology with the publish-subscribe messaging model.

研究の動機と目的

• 集中型IoT公開購読システムにおける単一障害点とデータ改ざんリスクを解消すること。
• データの改ざん不能性と一貫性を保証することで、サプライチェーンおよびIoTモニタリングにおける複数ステークホルダー間の信頼を実現すること。
• 効率を損なわずに、既存の公開購読メッセージプロトコルにブロックチェーン技術を統合すること。
• 分散型で複数組織が関与する環境において、スマートコントラクトを用いて自動化されたデータ検証を可能にすること。
• リソース制限のある実環境テストベッドにおけるブロックチェーン統合のパフォーマンスオーバーヘッドを評価すること。

提案手法

• メッセージは1つのブローカーに公開され、コンセンサスメカニズムを介してすべての他のブローカーに伝搬される分散型ブローカーアーキテクチャを採用する。
• すべてのブローカー間で暗号的に安全でレプリケートされた帳簿を維持するためにTendermintブロックチェーンフレームワークを統合する。
• 各メッセージはブロックチェーンにコミットされる前にスマートコントラクトによって検証され、ポリシー準拠が保証される。
• 許可型ブロックチェーンを用いることで、既知のステークホルダー間の信頼を確保するとともに、データの順序付けと永続性を維持する。
• ブロックチェーンロジックとブローカーロジックを分離することで、任意のブロックチェーンまたはメッセージプロトコルとの統合が可能になる。
• CPU、メモリ、遅延オーバーヘッドを測定するために、MQTTとTendermintを用いた20ノードのRaspberry Pi 3テストベッド上で評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数ステークホルダーを対象としたIoT環境において、公開購読ブローカーを単一障害点やデータ改ざんに対して耐性を持たせることは可能か？
• RQ2 MQTTのような軽量なメッセージプロトコルに、効率的にブロックチェーン技術を統合することで、改ざん不能性と順序付けを確保できるか？
• RQ3 リソース制限のある環境において、ブロックチェーンベースの改ざん不能性を分散型ブローカーに追加した際のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 スマートコントラクトを用いて、分散型で複数組織が関与するシステムにおけるデータ検証を効果的に自動化できるか？
• RQ5 中央集権的な管理機関が存在しない状況でも、分散型ブローカー間でメッセージの一貫性と順序付けをどのように維持できるか？

主な発見

• 20ノードのRaspberry Pi 3テストベッド上でのエンドツーエンド遅延は約3秒増加したが、実用的な実現可能性を示した。
• ブロックチェーンコンセンサスとレプリケーションを用いることで、信頼境界を超えたデータの改ざん不能性、順序付け、永続性を達成した。
• スマートコントラクトが事前に定義されたポリシーに従ってデータを検証し、ステークホルダー間の合意の自動的履行を可能にした。
• CPU使用率とメモリ使用率の追加的オーバーヘッドは最小限に抑えられ、コンセンサス処理やブロック作成時でも低水準を維持した。
• Trinityは、公開購読メッセージングとブロックチェーンベースの改ざん不能性を統合した最初のフレームワークであり、複数ステークホルダーを対象としたIoTおよびサプライチェーンアプリケーションにおける画期的なソリューションを提供する。
• 評価結果から、実環境での展開においてブロックチェーン統合の信頼性の恩恵が、わずかなパフォーマンスコストを上回ることが確認された。