[论文解读] Trusted Wireless Monitoring based on Blockchain over NB-IoT Connectivity

Lam Duc Nguyen, Anders E. Kalør+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 14被引用 29

一句话总结

本文提出了一种集成区块链的NB-IoT框架，用于可信的环境监测，实现对空气污染和排放数据的不可篡改、透明的数据记录。通过在NB-IoT设备上使用Hyperledger Fabric，实现了数据完整性和信任，而无需让设备充当完整节点，尽管这会增加下行链路流量和端到端延迟，最大达1.63秒（当区块较大时）。

ABSTRACT

The data collected from Internet of Things (IoT) devices on various emissions or pollution, can have a significant economic value for the stakeholders. This makes it prone to abuse or tampering and brings forward the need to integrate IoT with a Distributed Ledger Technology (DLT) to collect, store, and protect the IoT data. However, DLT brings an additional overhead to the frugal IoT connectivity and symmetrizes the IoT traffic, thus changing the usual assumption that IoT is uplink-oriented. We have implemented a platform that integrates DLTs with a monitoring system based on narrowband IoT (NB-IoT). We evaluate the performance and discuss the tradeoffs in two use cases: data authorization and real-time monitoring.

研究动机与目标

• 解决在排放数据具有高经济价值且易被操纵的物联网环境监测系统中，数据完整性和信任问题。
• 评估将分布式账本技术（DLT）与窄带物联网（NB-IoT）集成，用于实时污染监测和数据授权的效果。
• 分析在NB-IoT网络中使用区块链时，流量平衡、通信开销和端到端延迟之间的权衡。
• 评估在能源受限、以上传为主的NB-IoT环境中，轻量级DLT（如Hyperledger Fabric）的可行性。
• 证明区块链可在不使物联网设备充当完整节点的前提下，有效应用于环境监测，从而保持能效。

提出的方法

• 系统使用NB-IoT设备生成并将其传感器数据（如CO2、NOx）作为区块链交易发送至集中式DLT网络。
• 通过Hyperledger Fabric中的智能合约处理交易，计算平均CO2水平，并在阈值被超过时触发账本更新。
• 该框架采用背书节点（E）在共识前验证交易，上行链路的负载大小在50 B至200 B之间，下行链路为31 B。
• 区块大小（b）从每区块10至100笔交易不等，以评估其对端到端延迟和流量负载的影响。
• 系统在两种用例中进行评估：数据授权和实时CO2监测，性能指标包括流量比、延迟和开销。
• 通过不同背书节点数量和区块大小的配置，测量通信开销和延迟，以评估可扩展性和效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 将区块链集成到NB-IoT中如何影响上行链路与下行链路的流量比及整体通信开销？
• RQ2 在区块链增强的NB-IoT监测系统中，交易确认的端到端延迟是多少？其如何随区块大小变化？
• RQ3 增加背书节点数量如何影响下行链路流量负载和系统安全性？
• RQ4 区块链集成在多大程度上损害了NB-IoT设备在监测应用中的能效？
• RQ5 轻量级DLT（如Hyperledger Fabric）是否可在NB-IoT网络中有效使用，而无需设备充当完整区块链节点？

主要发现

• 与区块链集成后，平均上行链路与下行链路流量比显著增加，当背书节点数量（E）为2且上行链路负载为50 B时，接近2:1。
• 当每区块包含100笔交易时，端到端延迟从传统NB-IoT的0.832秒增加到DLT增强型NB-IoT的1.63秒。
• 下行链路流量的增加远高于上行链路流量的增加，尤其是在背书节点数量增加时，表明流量对称性发生显著变化。
• 尽管延迟和下行链路负载增加，性能开销仍相对较低，端到端延迟在典型监测间隔内保持在2秒以内。
• 较小的区块大小（如b = 10）可实现更低的端到端延迟，与传统NB-IoT相当，因此适用于时间敏感的监测应用。
• 通过分布式共识和加密哈希，系统实现了强大的数据完整性和信任，而无需物联网设备存储或验证完整账本。