[论文解读] Internet of Entities (IoE): a Blockchain-based Distributed Paradigm to Security

Roberto Saia|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 49被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的去中心化安全范式——实体互联网（IoE），利用现有的无线设备（如智能手机、物联网设备和追踪器）在区块链上匿名且不可篡改地记录实体位置和传感器数据。通过结合去中心化账本技术与无处不在的无线基础设施，IoE 实现了对人员和物体的安全、隐私保护型追踪，部署开销极低，并在电子健康和智慧城市等应用领域具备高度可扩展性。

ABSTRACT

The exponential growth of wireless-based solutions, such as those related to the mobile smart devices (e.g., smart-phones and tablets) and Internet of Things (IoT) devices, has lead to countless advantages in every area of our society. Such a scenario has transformed the world a few decades back, dominated by latency, into a new world based on an efficient real-time interaction paradigm.Recently, cryptocurrency have contributed to this technological revolution, the fulcrum of which are a decentralization model and a certification function offered by the so-called blockchain infrastructure, which make it possible to certify the financial transactions, anonymously. However, it should be observed how this challenging scenario has generated new security problems directly related to the involved new technologies (e.g., e-commerce frauds, mobile bot-net attacks, blockchain DoS attacks, cryptocurrency scams, etc.). In this context, we can acknowledge that the scientific community efforts are usually oriented toward specific solutions, instead to exploit all the available technologies, synergistically, in order to define more efficient security paradigms. This paper aims to indicate a possible approach able to improve the security of people and things by introducing a novel paradigm to security defined Internet of Entities (IoE). It is a mechanism for the localization of people and things, which exploits both the huge number of existing wireless-based devices and the blockchain-based distributed ledger technology, overcoming the limits of traditional localization approaches, but without jeopardizing the user privacy. Its operation is based on two core elements with interchangeable roles, entities and trackers, which can be very common elements such as smart-phones, tablets, and IoT devices, and its implementation requires minimal efforts thanks to the existing infrastructures and devices.

研究动机与目标

• 应对无线和物联网设备激增带来的日益严峻的安全挑战，包括欺诈、僵尸网络和基于区块链的攻击。
• 克服传统定位与安全系统依赖中心化权威机构、缺乏数据不可篡改性和隐私保护的局限性。
• 将现有基于无线的设备（如智能手机、物联网设备）与区块链技术整合，构建一个去中心化、可扩展且保护隐私的安全框架。
• 利用分布式账本技术，在不泄露用户身份的前提下，实现对实体（人员或物体）的可信、匿名且可验证的追踪。
• 利用无线设备生态系统与区块链之间的协同效应，构建一种超越安全领域的新型范式，适用于电子健康和智慧城市环境等场景。

提出的方法

• 采用双角色架构，使设备可互换作为被追踪的实体或追踪者，利用现有的智能手机、平板电脑和物联网设备。
• 使用基于区块链的分布式账本存储不可篡改的实体数据记录（如唯一标识符）和追踪者数据记录（如时间戳、GPS 位置、传感器读数）。
• 应用数字签名和哈希函数等密码学技术，确保区块链上数据的完整性和不可篡改性。
• 通过仅允许实体所有者将唯一标识符与区块链记录关联，实现匿名注册，从而保护隐私。
• 支持从追踪者和实体收集上下文传感器数据（如温度、湿度、心率），以丰富数据集，支持高级应用。
• 依赖对等节点共识协议，确保节点间账本的一致性，保障去中心化特性并抵抗篡改。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用现有基于无线的设备，构建一个去中心化、可扩展且保护隐私的人员与物体追踪系统？
• RQ2 区块链技术在何种方式下可增强从无处不在设备收集的位置与传感器数据的安全性与不可篡改性？
• RQ3 能否设计一种系统，使实体与追踪者可互换，从而最小化基础设施成本并实现广泛部署？
• RQ4 在不泄露身份的前提下，如何在公共账本上实现用户身份匿名化的同时，仍能实现可验证和可追溯的数据注册？
• RQ5 此类系统在电子健康、智慧城市和执法等领域的实际应用场景与可扩展潜力如何？

主要发现

• IoE 范式仅依赖现有无线设备和区块链基础设施，即可实现对实体的安全、匿名且不可篡改的追踪，部署开销极低。
• 该系统支持从实体和追踪者收集多样化传感器数据（如位置、温度、心率），实现丰富数据采集，适用于高级应用场景。
• 该架构具有高度可扩展性，得益于全球已部署的超过 73 亿部智能手机和 200–500 亿台物联网设备（截至 2020 年）。
• 区块链的使用确保了数据的不可篡改性和可验证性，使系统适用于法医学和调查取证等用途。
• 该模型支持 B2B 和 B2C 商业模式，在安全、医疗保健和智慧城市建设等应用中具备商业化潜力。
• 系统通过仅允许实体所有者将标识符与区块链记录关联，确保第三方无法直接将数据与身份关联，从而维护隐私。