[论文解读] Blockchain enabled fog structure to provide data security in IoT applications

Mozhdeh Farhadi, Daniele Miorandi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

IoT and Edge/Fog Computing被引用 4

一句话总结

本文提出一种在雾计算基础设施上部署的许可制公开区块链，以在无信任的物联网环境中确保端到端数据安全。通过利用区块链的不可篡改性和去中心化特性，该架构为多方物联网数据流提供了机密性、完整性、真实性、不可否认性和可用性保障，雾节点作为分布式账本的参与者，降低了延迟并提升了可扩展性。

ABSTRACT

IoT provides services by connecting smart devices to the Internet, and exploiting data generated by said devices to enable value-added services to individuals and businesses. In such cases, if data is exposed, tampered or lost, the service would not behave correctly. In this article, we discuss data security in IoT applications across five dimensions: confidentiality, integrity, authenticity, non-repudiation and availability. We discuss how distributed ledger technology could be used to overcome these issues and propose to use a fog computing architecture as decentralized computational support to deploy the ledger.

研究动机与目标

• 解决异构、多方参与的物联网系统中的数据安全挑战，其中数据所有者与服务提供商之间互不信任。
• 克服传统密码学解决方案在去中心化物联网生态系统中依赖集中式信任模型的局限性。
• 提供一种去中心化、可扩展且具备弹性的数据安全层，支持机密性、完整性、真实性、不可否认性和可用性五大安全维度。
• 将区块链作为软安全层集成到雾基础设施中，与基于云的解决方案相比，降低延迟和带宽消耗。
• 设计一种公开的许可制区块链，仅允许授权的物联网设备和服务写入，确保访问控制与可验证性。

提出的方法

• 在雾计算基础设施上部署许可制公开区块链，作为物联网数据的去中心化账本。
• 使用非对称密码学加密数据，并通过公钥加密安全分发解密密钥给授权接收方。
• 在雾节点上应用共识协议，以维护账本一致性并防止恶意篡改。
• 仅在区块链上存储加密指针和元数据，而敏感数据则加密后外部存储，从而降低存储开销。
• 通过区块链的不可篡改性以及数据源的密码学签名，确保数据完整性和不可否认性。
• 利用区块链的公开性实现所有授权方的读取访问，同时通过身份认证机制限制写入访问。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多方数据所有者、多方服务提供商的物联网环境中，如何在缺乏相互信任的前提下确保数据安全？
• RQ2 基于雾计算部署的区块链架构在多大程度上能为物联网数据流提供机密性、完整性、真实性、不可否认性和可用性？
• RQ3 在雾节点上使用许可制公开区块链进行物联网数据安全时，性能与可扩展性之间的权衡如何？
• RQ4 与基于云的账本解决方案相比，区块链与雾计算的集成如何降低延迟和带宽消耗？
• RQ5 通过攻击树分析，该架构能否有效阻断五大数据安全维度中的所有攻击向量？

主要发现

• 所提出的区块链-雾计算架构通过密码学原原子和去中心化特性，原生支持全部五大安全维度：机密性、完整性、真实性、不可否认性和可用性。
• 通过区块链记录的不可篡改性和密码学绑定，确保了数据完整性和不可否认性，共识后记录无法被修改。
• 通过要求数据源使用私钥对其数据进行签名，该架构实现了真实性和不可否认性，任何参与者均可验证签名。
• 通过仅在区块链上存储加密数据并使用公钥加密保护解密密钥，确保了机密性，密钥仅分发给授权接收方。
• 由于区块链的分布式特性，可用性被隐式保障，消除了雾节点中的单点故障。
• 攻击树分析证实，区块链层有效阻断了所有五大安全维度中通往根本不良事件的攻击路径，验证了系统的韧性。