[论文解读] Anti-Tamper Protection for Internet of Things System Using Hyperledger Fabric Blockchain Technology

Adnan Iftekhar, Xiaohui Cui|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于Hyperledger Fabric的去中心化、区块链访问控制系统，用于物联网设备，使物联网节点能够作为本机区块链对等节点运行。通过在Raspberry Pi 4设备上部署轻量级区块链节点，该系统在不依赖中心化权威机构的情况下，确保了数据完整性、隐私性和防篡改的访问控制，展示了可扩展且安全的物联网-区块链集成框架。

ABSTRACT

Automated and industrial Internet of Things (IoT) devices are increasing daily. As the number of IoT devices grows, the volume of data generated by them will also grow. Managing these rapidly expanding IoT devices and enormous data efficiently to be available to all authorized users without compromising its integrity will become essential in the near future. On the other side, many information security incidents have been recorded, increasing the requirement for countermeasures. While safeguards against hostile third parties have been commonplace until now, operators and parties have seen an increase in demand for data falsification detection and blocking. Blockchain technology is well-known for its privacy, immutability, and decentralized nature. Single-board computers are becoming more powerful while also becoming more affordable as IoT platforms. These single-board computers are gaining traction in the automation industry. This study focuses on a paradigm of IoT-Blockchain integration where the blockchain node runs autonomously on the IoT platform itself. It enables the system to conduct machine-to-machine transactions without the intervention of a person and to exert direct access control over IoT devices. This paper assumed that the readers are familiar with Hyperledger Fabric basic operations and focus on the practical approach of integration. A basic introduction is provided for the newbie on the blockchain.

研究动机与目标

• 解决集中式物联网架构中日益增长的安全与隐私问题。
• 实现在物联网系统中无需人工干预的机器对机器交易和直接访问控制。
• 在资源受限的物联网设备上使用区块链实现去中心化、防篡改的访问控制模型。
• 评估在低功耗物联网平台（如Raspberry Pi 4）上运行完整区块链节点的可行性。
• 通过基于区块链的共识机制和策略执行，提升物联网系统中的数据完整性、隐私性和治理能力。

提出的方法

• 直接在Raspberry Pi 4等物联网设备上部署Hyperledger Fabric区块链节点，以支持对等节点间的交易处理。
• 在Hyperledger Fabric中使用联盟链策略，定义链码执行的细粒度访问控制。
• 实施链码背书策略，要求特定授权对等节点批准后方可验证交易。
• 利用Hyperledger Fabric客户端身份识别库，强制执行基于角色的链码访问控制，提升数据隐私性。
• 直接在区块链上存储和验证物联网数据，确保不可篡改性和端到端数据完整性。
• 设计一种许可制区块链网络，使物联网设备作为本机节点运行，消除对云服务器或边缘服务器进行数据存储和验证的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将区块链技术集成到物联网系统中，以防止数据篡改和未授权访问？
• RQ2 轻量级物联网设备（如Raspberry Pi 4）能否作为完整区块链节点，支持去中心化共识和访问控制？
• RQ3 联盟链策略模型在保护区块链网络内物联网设备交互方面发挥什么作用？
• RQ4 物联网设备上直接集成区块链如何提升数据完整性并减少对集中式基础设施的依赖？
• RQ5 在资源受限的物联网平台部署区块链节点存在哪些实际限制和权衡？

主要发现

• 所提出的系统成功在Raspberry Pi 4上部署了Hyperledger Fabric区块链节点，证明了在低功耗物联网设备上运行完整区块链节点的可行性。
• 该集成通过链码策略实现了物联网设备的直接、去中心化访问控制，确保仅授权实体可执行操作。
• 通过区块链账本的加密哈希和不可篡改性，数据完整性得到保障，防止未经授权的修改。
• 联盟链策略模型实现了细粒度控制，仅允许特定组织和用户执行链码，显著提升了数据隐私性。
• 该系统减少了对集中式云服务器或边缘服务器的依赖，提升了物联网部署的弹性并缩小了攻击面。
• 原型表明，物联网设备可作为自主的区块链节点运行，实现无需人工干预的机器对机器交易。