[论文解读] Blockchain as privacy and security solution for smart environments: A Survey

Maad Ebrahim, Abdelhakim Hafid+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 14

一句话总结

本综述提出了一种全面整合区块链、物联网、人工智能、软件定义网络（SDN）以及边缘/雾/云计算的技术框架，以增强智能环境中隐私与安全。通过利用区块链作为去中心化的信任层，该框架实现了在分布式物联网系统中安全地共享数据、访问控制和身份认证，同时借助人工智能驱动的SDN实现实时的流量与资源分配优化。

ABSTRACT

Blockchain was always associated with Bitcoin, cryptocurrencies, and digital asset trading. However, its benefits are far beyond that. It supports technologies like the Internet-of-Things (IoT) to pave the way for futuristic smart environments, like smart homes, smart transportation, smart energy trading, smart industries, smart supply chains, and more. To enable these environments, IoT devices, machines, appliances, and vehicles, need to intercommunicate without the need for centralized trusted parties. Blockchain replaces these trusted parties in such trustless environments. It provides security enforcement, privacy assurance, authentication, and other key features to IoT ecosystems. Besides IoT-Blockchain integration, other technologies add more benefits that attract the research community. Software-Defined Networking (SDN), Fog, Edge, and Cloud Computing technologies, for example, play a key role in enabling realistic IoT applications. Moreover, the integration of Artificial Intelligence (AI) provides smart, dynamic, and autonomous decision-making capabilities for IoT devices in smart environments. To push the research further in this domain, we provide in this paper a comprehensive survey that includes state-of-the-art technological integration, challenges, and solutions for smart environments, and the role of these technologies as the building blocks of such smart environments. We also demonstrate how the level of integration between these technologies has increased over the years, which brings us closer to the futuristic view of smart environments. We further discuss the current need to provide general-purpose Blockchain platforms that can adapt to unique design requirements of different applications and solutions. Finally, we provide a simplified architecture of futuristic smart environments that integrate these technologies, showing the advantage of such integration.

研究动机与目标

• 分析区块链与物联网、人工智能、SDN以及边缘/雾/云计算的集成，以构建安全且保护隐私的智能环境。
• 识别在真实世界智能环境中部署基于区块链解决方案时面临的关键挑战，特别是测试、可扩展性与性能方面的问题。
• 倡导开发适用于智能系统中多样化应用需求的通用型区块链平台。
• 提出一个统一的架构模型，展示区块链与新兴智能环境技术的端到端集成。
• 评估现有区块链在物联网应用中的实现情况，并指出在安全性、隐私性和互操作性方面的差距。

提出的方法

• 对2016至2020年间70余项关于区块链在物联网与智能环境中应用的最新研究进行系统性综述。
• 根据使用场景（如智能家居、供应链、车载网络）、共识机制（PoW、PBFT、PoS）以及部署模式（公有、私有、联盟）对基于区块链的解决方案进行分类。
• 提出一种简化的多层架构，将区块链与边缘、雾、云以及人工智能增强的SDN集成，以实现动态的流量与数据管理。
• 分析智能合约在去中心化物联网生态系统中强制执行访问控制、身份认证与数据完整性方面的作用。
• 通过引用文献中的仿真与原型结果，评估区块链在时间敏感型应用中的性能与可行性。
• 识别未来通用型区块链平台所需的设计模式与架构抽象，以适配智能环境工作负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将区块链与物联网、人工智能、SDN以及边缘/雾/云计算集成，以增强智能环境中的隐私与安全性？
• RQ2 在真实世界智能环境中部署基于区块链的解决方案时面临的关键挑战是什么？这些挑战与仿真结果有何不同？
• RQ3 针对不同智能环境使用场景，最合适的共识机制与部署模式（公有、私有、联盟）是什么？
• RQ4 如何利用人工智能与SDN优化集成区块链的物联网系统，以实现流量控制、数据卸载与资源调度的优化？
• RQ5 为实现适用于多样化智能环境应用的通用型区块链平台，需要哪些架构与平台级创新？

主要发现

• 区块链有效替代了物联网生态系统中的中心化信任机构，实现了去中心化的身份认证、访问控制与数据完整性保障。
• 人工智能与SDN的集成实现了动态、智能的流量管理，并优化了物联网数据在边缘、雾与云层之间的路由。
• 边缘与雾计算通过在数据传输至区块链或云之前对物联网数据进行预处理，显著降低了延迟与带宽消耗。
• 由于在隐私保护与性能方面优于公有区块链，私有与联盟区块链更适用于企业级智能环境。
• 智能合约被广泛用于自动化去中心化物联网数据市场中的数据共享、访问控制与资金交易。
• 尽管原型系统表现良好，但真实物理环境中的部署仍面临重大挑战，主要源于仿真中未暴露的系统级隐藏问题。