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IoTへのブロックチェーンの導入

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最近、次世代産業創生の起爆剤としてのブロックチェーンの役割などが注目されているようだ。即ち、bitcoinに代表される金融分野へのブロックチェーン適応だけでなく、製造業を含むあらゆる産業を俯瞰して、IoT起因で登場する新たな世界での価値創成へのブロックチェーン適応のうねり、というような。
しかし、IoTのスケール化もなかなか上手く行っていない状況で、どのような可能性がこれから拓かれようとしているのだろうか?夢は共有したいが、現実を直視する必要もあるだろう。こんな問題意識で、IoT分野へのブロックチェーン導入の状況と、それを、IoTに基づいた新たな世界の代表の一つで、世界的に話題になっているスマートシティに適応した場合について、ざっとサーベイを行ってみた。

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IoTへのブロックチェーンの導入

  1. 1. B-frontier研究所 高橋 浩 IoTへのブロックチェーンの導入 - その課題とスマートシティへの適応 -
  2. 2. 目次 1.ブロックチェーン導入の目的 2.IoTへ導入の要件 3.適応に向く領域 4.スマートシティへの可能性 5.今後の方向性 2 IoT 向 け スマートシティ 向 け
  3. 3. • 新技術は技術自体への関心から出発して、 • 適用領域拡大に伴い新技術×ビジネス段階へと 進む。 • ブロックチェーンはBitcoinから始まり、Ethereum 登場などを契機に多分野適応へと進んだ。 • また、ブロックチェーンはIoTと相性が良いとの認 識が登場し、“次世代産業創生の起爆剤”などと の期待も登場している。 • ブロックチェーン導入IoTは具体的にどんな役割 が担えるのだろうか? 3 1.ブロックチェーン導入の目的 ブロックチェーン for IoT×ビジネス
  4. 4. 4 アプリケーション 使用目的 採用理由 ADEPT (2015) スマート契約とネットワーク合意の活用 分散化,自律化 スマートシティ (2016) 信頼性向上とフォールトトレランス向上 信頼性 ファームウェア更 新(2016) ファームウェア検証時のデータの完全性、データ認 証、否認防止の確実な実施 分散化,信頼性, 効率化 スマートホーム (2016) 分散信頼と、IoTデバイスとそのデータへのアクセ ス制御の共通プラットフォーム化 分散化&アクセ ス制御 VANETS(2016) 分散型自己管理システムの構築 自律性 eBusiness (2016) スマート契約に基づく透明な自己管理と自己調整 システムの実現 分散化&自律 性 SCM(2016) 偽造できないことによるオブジェクト追跡や所有権 記録の実施 トレーサビリティ (信頼性) Slock.it(2015) 分散型管理とスマート契約実行能力の実現 自律性 なぜブロックチェーンが使われたのか? ブロックチェーン導入IoT先行アプリケーションで ADEPT:自律分散型ピアツーピア遠隔測定システム(by IBM) VANETS(Vehicular ad-hoc network):自己管理車両アドホックネットワーク Imran Makhdoom, et al., “Blockchain’s adoption in IoT: The challenges, and a way forward”, Journal of Network and Computer Applications 125, 251-279, 2019. ・・から開始する。
  5. 5. ブロックチェーン採用の理由は •信頼性 •分散化 •自律化、など 5
  6. 6. 6 先行IoTアプリケーションで期待されていた ブロックチェーンの特性とは・・ 信頼性 信頼フリー 操作 分散管理 分散蓄積 フォールト トレランス 不変性 データ 整合性 データ認証 二重支出 なし ログ管理 監査能力 自律性 スマートコントラクト導入以後 各IoTデバイス毎に異なる ブロックチェーン導入
  7. 7. 7 メリット 達成手段 フォールトトレランス 分散公開台帳と非集中化で 中央当局または第三者による調 停不在(分散管理) ネットワークノードのコンセンサスによるTX(トランザ クション)の検証で 中央DB不在(分散蓄積) 分散公開元帳で 監査可能で不変なTX (監査能力、不変性、二重支払 い無し) 検証済みTXをタイムスタンプ付き偽造不可ブロックチェーン に記録することで(ただし、攻撃者が51%以上のハッシュパ ワーを取得時はブロックチェーンの履歴変更でTX2回消費 の可能性が存在) 透明性(ログ管理) ブロックチェーンネットワークの全ノードがTX順序の同じ複 製維持で 信頼フリー操作 ネットワークノードによる各TXの検証で 認証と否認防止 楕円曲線デジタル署名アルゴリズム(ECDSA)を使用 したユーザー秘密鍵によるTXの署名で 疑似匿名性 公開鍵のハッシュで TXの完全性 TXのSHA-256ハッシュ取得で リプレイ攻撃に対する保護 タイムスタンプの使用で 前頁の大半をサポートするBitcoin向け ブロックチェーンの特性
  8. 8. 8Tiago M. Fernández-Caramés, Paula Fraga-Lamas, “ A Review on the Use of Blockchain for the Internet of Things”, IEEE Access · May 2018 また、IoTアークテクチャは分散化への動向も クラウド中心 ブロックチェーンサーバー中心 分散方式集中方式 ・より進んだクラウド利用にも弱点がある ・集中型による信頼性・障害対応・高コストへの懸念 これらの理 由によって
  9. 9. しかし、冷静に考えると、分散システム へ切り替えのリスクは小さくない 9 IoT BD AI クラウド 垂直統合モデル IoT BD AI ブロック チェーン 水平分散モデル リスク
  10. 10. 焦点を当てる項目 • IoTの置かれた脅威環境か – 現在、IoTデバイスは保護されていない環境で動 作していることが多い。 • IoTのセキュリティ要件 vs IoTパフォー マンス要件のバランスか – ビジネス面からの2要件トレードオフ条件考慮が 重要 • 時間軸として・・何時頃からブロック チェーン技術が導入可能かの技術進化か10 信頼性、分散化、自律化など、より抽象度の高い目標を目 指すことになる。その決断を可能にする要因は何だろうか?
  11. 11. 11 IoTアーキテクチャとセキュリティの課題 • IoTではネットワークを介して相互接続する組み込みセンサー内蔵 異種デバイス混在環境でのセキュリティ順守などが要件 ゲートウェイ付き分散ネットワーク 情報家電機器ゲートウェイ付き無線センサー ネットワーク 2.IoTへ導入の要件 背景1
  12. 12. IoTシステムの特異性 • IoTデバイスのリソース制約は厳しい。 – データストレージ容量、処理能力、限られた電力など • バラバラなサイズ、能力、役割の異種デバイ スが混在している。 • その一方、IoTシステム全体としてのセキュリ ティ要件充足が必須な状況にある。 • 大半の適用領域ではリアルタイム性も必須で ある。 • しかも、将来的にはとんでもない規模のス ケーラビリティが求められる。 12 背景2
  13. 13. IoT市場はまだまだ発展途上 ① 各IoTシステムは専門性が高い。 ② IoTプラットフォームにおける一方のサイドがデバ イスなので、ネットワーク効果によるプラット フォーム拡大や寡占化が起き難い。 ③ その結果プラットフォームが乱立し、市場の断片 化が発生し易い。 ④ ビジネスモデル構造が個別化するので、工夫を 凝らしたIoTプラットフォーム活性化が必要になる。 ⑤ 唯一のIoTプラットフォームで活性化が不充分な 場合他プラットフォームとの連携が模索される。 ⑥ 但し、連携コストは高い。 ⑦ その結果、スケール化が限定される。 13 高橋 浩, “IoTプラットフォーム市場の高付加価値化 -IoTシステムはなぜスケール化が難しいのか-”, 横幹, Vol.13, No.1, 2019 背景3
  14. 14. IoTへブロックチェーン導入の期待効果 • 現在のIoTシステムはサイロ化していることが多 いのに対して・・ 14 1. 全IoT機器に個別IDを付与することが出来る ⇒データの出所を確立し、証明できる。 2. 資産化が出来る ⇒経済的決断ができる。 3. 独立化できる ⇒自己管理ができる。 ブロックチェーンをIoTに導入すると・・ IoTへブロックチェーン導入の期待は大きい
  15. 15. サービス管理 /ミドルウェア層 ビジネス層 アプリケー ション層 アプリケー ション層 アプリケー ション層 アプリケー ション層 アプリケー ション層 ミドルウェア層 クラウド層 オブジェクト 抽象化層 ネットワーク層ネットワーク層ネットワーク層 ネットワーク/トラ ンスミッション層 センシング層知覚層/ デバイス層 センサー層知覚層 オブジェクト/ 知覚層 物理層 ビジネス層 活動とサービスの管理 アプリケーション層から受け取ったデータに基づいて、ビ ジネスモデル、グラフ、フローチャートなどの作成 ビッグデータ分析に基づく意思決定プロセスの支援 将来の行動や戦略の決定に有用な活動 IoTへブロックチェーン導入時の層構造提案は多い サービス提供 ビジネス層へのインタフェース提供 データアクセス制御 ミドルウェア内のオブジェクトの情報処理に基づくアプリ ケーションのグローバル管理 住所と名前に基づく要求者とのサービスのペアリング 受信データの処理と決定、ネットワークワイヤプロトコル を介した必要なサービスの提供 サービス管理 他層からデータ受信して処理と計算と意思決定能力 生成されたデータのサービス管理層への転送 機器間および機器から受信機へのデータ送信 センサーから情報処理システムへのデータ転送 転送元ノードから転送先ノード/クラウドサーバーへの データ転送 センサーデータの収集 データをデジタル化してオブジェクト抽象化層に転送 物理的コンポーネント、スマート家電、電力供給業者 などの基本的ハードウェア構成など 仕事/機能/目的 Imran Makhdoom, et al., “Blockchain’s adoption in IoT: The challenges, and a way forward”, Journal of Network and Computer Applications 125, 251-279, 2019.
  16. 16. 16 代表的ブロックチェーンプラットフォーム比較 Features Bitcoin Ethereum Hyperledger-Fabric 完全に開発された 〇 〇 〇 マイナー参加可能 Public Public, Private, Hybrid Private 信用不要運用 〇 〇 Trusted validator nodes 複数のアプリケーション 金融分野のみ 〇 〇 コンセンサスルール PoW PoW, PoS PBFT/SIEVE コンセンサス終了性 × × 〇 ブロックチェーンフォーク 〇 〇 × 少ない手数料 × × オプショナルに可能 スマートコントラクトの実行 × 〇 〇 TXの整合性と認証 〇 〇 〇 データの機密性 × × 〇 ID管理 × × 〇 鍵管理 × × 〇(CAを通じて) ユーザ認証 デジタル署名 デジタル署名 登録証明書に基づく デバイス認証 × × × 攻撃に対する脆弱性 51%, linking attacks 51% > 1/3故障ノード TXスループット 7 TPS 8-9 TPS >3500 TPS TX単一確認における待ち時間 10 分 15–20 秒 Bitcoin, Ethereumより短い スケーラブルであるか? × × ×
  17. 17. 17 PoW PoS PoET PBFT DBFT IOTA 適応分野 金融 各種 各種 各種 各種 金融(現在) エネルギーコスト 高い (PoWに比 して)低い (PoWに比 して)低い 低い 低い 良好 計算コスト 高い (PoWに比 して)低い (PoWに比 して)低い 高い(コ ミュニケー ション複 雑) 低い 低い 合意最終性 確率的 確率的 確率的 即時 即時 確率的 TX検証時の 遅延 長い (PoWに比 し)短い (PoWに比 し)短い 短い 短い 短い ブロックチェーン のタイプ 許可無 し 許可有り 無し両方 許可有り 無し両方 許可有 り 許可有 り 許可無し(現 在) 特殊ハードが 必要 必須で はない 不要 必要 (Ex.Intel SGX) 不要 不要 不要 IoT向けで現在お薦めのコンセンサスルール Hyperledger- Fabric Bitcoin Ethereum Imran Makhdoom, et al., “Blockchain’s adoption in IoT: The challenges, and a way forward”, Journal of Network and Computer Applications 125, 251-279, 2019.
  18. 18. 課題は多い • 合意できるIoT参照モデルがない。 • IoTに最適なコンセンサスルールが無い。 • パフォーマンスが低い。 • スケーラビリティが低い。 • IoTセキュリティが完全でない。 18 ブロックチェーン for IoT
  19. 19. 現状評価 要件と実現レベル間には大きなギャップがある。 • 加えて、集中型の既存IoTシステム(多くはク ラウドベース。最近急速に進展)との優劣比較 が殆ど整理されていない。 – 比較対象IoTシステムの例 • クラウド系:グーグルのクラウドIoTプラットフォーム、 AWSのIoT Coreサービス、マイクロソフトのAzure IoT、 Armのペリオンなど • 個別システム: (スマートホーム)GoogleのNest、(ス マートシティ)AlibabaのCloud City Link、など 19 ブロックチェーン for IoT ブロックチェーンプラットフォーム中心
  20. 20. 非常にハードルが高い要件 • 異種デバイスの混在に対応し、 • リソース制約のあるデバイスも含めた全体として 高度なIoTセキュリティを実現し、 • スケーラブルでリアルタイム性能が良く安くて安 全なシステムの構築が目標。 • これらのことを、標準が全体としては完備してい ないことを前提に、 • 変化する市場ニーズに対応する時々のソリュー ションを継続的に提供して行くことが求められる。 20 3.適応に向く領域
  21. 21. 21 ブロックチェーンインフラストラクチャの状況 • IEEE 802.15.4, 802.11a/b/g/n,p • LoRa, ZigBee, NB- IoT, SigFoxなど • 低帯域幅・低電力の無線通信機器を介して インターネットやゲートウェイ機器に接続 • 各種市販IoT機器 • 各種センサー内蔵機 器 民生用IoT機器およびセン サー内蔵デバイスなど オープンスタンダードあるいは デファクトスタンダードなもの IoTデバイスは千差万別で、リ ソースにも制約があるため、クリ ティカルマスのインフラが登場する 状況にはほど遠い。 既存ITインフラ、特にスマホなどは、ク リティカルマスに規模拡大し、インフラと して機能する強力な計算とネットワー キングデバイスとなった。 金融分野(および既存IT環境)はこちらに近い vs ブロックチェーンインフラストラクチャ 加えてインフラストラクチャの状況が厳しい
  22. 22. ブロックチェーンインフラストラクチャは 一段と難しい問題をクローズアップさせる • デバイスが多様で、 • 通信手段が多様で、 • クリティカルマスのインフラが不在 例えIoT機器に統一IDが付与されても、これを どのようにして広域的に活用するか? また、ブロックチェーンプラットフォームのス ケーラビリティ問題とどのように折り合いをつ けるか? 22
  23. 23. 23 IoT セキュリティ要件 有無 ブロックチェーン技術 信頼フリーの運用 〇 全て実現 分散ストレージ 〇 全て実現 非集中の制御 〇 全て実現 データの整合性(Integrity) 〇 全て実現 データ認証 〇 全て実現 データの機密性/プライバシー 〇 Hyperledger-Fabric 仮名(Pseudonymous) IDs 〇 全て実現(仮名IDに基づく) プライバシー保護計算 × ユーザー登録(Enrolment) 〇 Hyperledger-Fabric アイデンティティ管理 〇 Hyperledger-Fabric ユーザ認証 〇 全て実現 ユーザ認可(Authorization) 〇 Hyperledger-Fabric キー管理(キー発行と失効) 〇 Hyperledger-Fabric 制限付きネットワークアクセス 〇 Ethereum & Hyperledger-Fabric デバイス認証 × ソフトウェアの整合性チェック × ランタイム/同期ソフトウェア更新 × 侵害されたデバイスの検出 × IoT中心の合意プロトコル × IoT重視のTX検証ルール × 合意の最終性(Consensus Finality) 〇 Hyperledger-Fabric フォーク無し 〇 Hyperledger-Fabric ブロックチェーン視点でのIoTセキュリティ要件は多々あるが
  24. 24. 24 IoT パフォーマンス要件 有無 ブロックチェーン技術 自律システム 有り Ethereum & Hyperledger-Fabric (スマート契約に基づい て) TX確認における低遅延 有り Hyperledger-Fabric 通信の複雑さが少ない 有り Bitcoin, Ethereum, IOTA スケーラビリティ △ IOTA -(ネットワークサイ ズが大きくなると、TXの確 認レートが上がることにより) ブロックチェーン視点でのIoTパフォーマンス要件は多々あるが 有り印が付く場合でも達成水準は不充分
  25. 25. ブロックチェーン導入IoT先行アプリケーションの比較ポイント “なぜブロックチェーンは使われたのか?”に 加えて・・ ①どのブロックチェーンプラットフォームが使 われているか? ②従来のどのような問題が解決されたか? ③ブロックチェーンのどのような問題が解決 されたか? 25 先行IoTアプリケーションからの示唆(再録) ブロックチェーン導入
  26. 26. 26 ADEPT スマートシティ ファームウェア 更新 スマートホーム VANETS eBusiness SCM Slock.it ①ブロック チェーンプ ラットフォー ム Ethereu m 明確にされ ていない (独 自?) PoWコン センサス保 有独自 PoWコン センサス未 使用独自 Ethereu m Ethereu m IBMブロック チェーンプラット フォーム (Hyperledg er-Fabric) Ethereu m ②解決され た問題 一元化機 関、単一 障害点、 ユーザー/ データのプ ライバシー、 相互作用 起因エラー への対応 異種デバイ スから受信 したデータ を共有する のが困難 だった状況 を解決 サイバー攻 撃の影響 を軽減し、 ネットワー クの輻輳 問題を回 避 IoTデータ のアクセス 制御、デー タの機密 性、整合 性、可用 性、DDoS 攻撃に対し て保護と保 証 集中管理 とプライバ シー問題の 解決 集中管理 と透過的 データ共有 /サービス における問 題の解決 集中型 データベー スの脆弱 性の解決 製品のアク セス制御と 手動による 受け渡しの ための集中 管理と人 的介入問 題の解決 ③解決され たブロック チェーンの 問題 ユーザー/ データのプ ライバシー、 ID管理、 データに対 するユー ザーアクセ ス制御、ス ケーラビリ ティ 特に無し スケーラビ リティ問題 の解決 (ブロック チェーンサ イズに関 連) マイニング における PoW使用 回避による 計算集約 度、TX確 認における 待ち時間、 エネルギー 消費の解 決 特に無し 特に無し 特に無し ブロック内 でマイニン グされる TX数の減 少によるス ケーラビリ ティ問題の 解決 ①、②、③の全体概要 Imran Makhdoom, et al., “Blockchain’s adoption in IoT: The challenges, and a way forward”, Journal of Network and Computer Applications 125, 251-279, 2019.
  27. 27. ブロックチェーンプラットフォームの選択 • Ethereumの利用率が高いのは事実だが、 • 特に、スケーラビリティが必要と思われるス マートシティ、ファームウェア更新、スマート ホームなどでは独自が目立つ。 27 従って、ブロックチェーン適応領域の分 類が重要になる。(現状ではこのよう な試みは殆ど行われていない。)
  28. 28. 28 ブロックチェーン サーバー ・借りる ・入金 ・開く/再開&閉じる ・Slock / Itemの登録 ・入金と料金の設定 ・開閉(制限あり) スマート コントラクト 組み込み機器(ブロックチェーンクライアントソフトウェア) Rasberry Pi Intel Edison Samsung Artik S ・Bluetooth ・Z-Wave ・Zigbee ・電源ソケット ・ドア ・洗濯機 ・その他のスマート家電 スマートコントラクトを利用したIoTデバイスサービスの管理 Slock.it • トークンによるスマート電 子ロックシステム • トークンは暗号通貨を使用 • 通貨はEthereum上で購入 • 何か借りたいSlock所有者は、 電子ドアロックへ時間限定アク セス値を設定 • 利害関係者は、Slockを識別し、 要求された金額を支払い、適 切に署名されたメッセージを介 してロック解除 2015年9月創業 本社:ドイツ・ザクセン州 従業員数10名以下 パートナーにはサムソン、 Microsoftなども
  29. 29. 代表的IoTアプリケーションのスケッチ • 何十万ものIoTノードからセンサーデータ発生 • 一日に数百万トランザクションの処理が必要かも • 急激に増加するデータの蓄積への対応 – IoTデバイスのストレージ容量制約などと関係 取引料金でマイクロペイメントあるいは特別の選 択肢提供が必要か? IoT機器/データのHW/SW障害あるいは人的ミ スによる破損などへの対応が必要か? 各種IoTデバイス中のファームウェア、ソフトウェア の同期更新の仕組みが必要か? 29 (スマートシティの例)
  30. 30. セキュリティ要件 高い 高い 低い パフォーマンス要件 低い Everledger社によ るダイヤモンド認証 Slock.it スマートシティ ファームウェア更新 スマートホーム SCM IoTシステムへのブロック チェーン導入 【既存IoTシステム】 領域分類の試み1:セキュリティ要件×パフォーマンス要件: ① ② ③ 2015年創業 本社:ロンドン 2017年段階で既に登 録ダイヤ数100万個
  31. 31. スケール要件 広い シビア(廉価に) 狭い コスト要件さほどでもない 領域分類の試み2:スケール要件×コスト要件 C/S型各種IoTシステム クラウド型各種IoTシステム AWS-IoT Asure-IoT ペリオンIoT、など ブロックチェーン型IoTシステム スケール重視(+信頼性) タイプ1:スマートシティ(p.24) ブロックチェーン型IoTシステム コスト重視(+信頼性) タイプ2:スマートシティ(地域活性標準形) 導入は多数展開でも ④ ⑤ DeNAの配車サー ビス「タクベル」 :白ラベル・プ ラットフォーム 参考 【既存IoTシステム】
  32. 32. ブロックチェーン適応領域分類の試み(続) • (前頁図式に加えて)ブロックチェーンインフラ ストラクチャのパターン化が必要になる。 • 加えて、これとブロックチェーンプラットフォーム のパターン化による領域分類とのクロス分析 (適応領域の細分化)が必要になる。 • また、その他の領域分類指標の抽出も必要に なる。例: – スケーラビリティ問題回避の手法として、ブロック チェーンのインターネット化の提案がある(by Fabian Vogelsteller) – このような手法の向く領域の特定が必要になる。 32
  33. 33. IoTへのブロックチェーン導入(中間まとめ) • 現時点でブロックチェーン導入で実用的に有 利な領域は結構限定される。 • しかし、今後を考えると、スケール化&低コス ト化、その源泉の分散化・信頼性アーキテク チャは超魅力的! • 一般解を想定するにはまだ未成熟で暫く時間 が掛かる。 • ターゲットを絞って(独自)プロジェクト推進 or 大規模研究(階層化モデル研究など)が進行 中と認識する。 33【集中型と分散型の最適ミックス形態など】
  34. 34. 34 ブロックチェーンとスマートシティ 4.スマートシティへの可能性 「スマート」意思決 定に対する市民への 報い ユニバーサル IDカード 土地、財産、住宅 管理 スマートデバイスの 相互運用性 公共交通機関の改 善(MaaS的) スマートシティの・・・・・・・ ・・から考える エネルギー、水、汚染 管理 ローカルコマースの 優先順位付け IoTデバイスの セキュリティ ユニバーサルデータスト レージプラットフォーム 各部門の透明性 都市計画 ① ③ ⑤ ② ④ ④ キーレス署名インター フェース https://www.e-zigurat.com/innovation-school/blog/blockchain-and-smart-cities/
  35. 35. スマートシティへの取組み姿勢 • 金融系とIoT系が混在している。 – 実現手法や実現可能性は一般に異なる。 • トータルビジョンに価値が有る面があるが、 ビッグプロジェクト情報の咀嚼・評価には注意 が必要かもしれない。 – ビッグネームは膨大な予算と威信をかけて、有望 技術面で先行したい思惑がある。 – 研究パワー投入で現状課題突破の意識も強い。 • また、システムの肝が明記(公開)されないこ ともある。 • 従って、単なるサーベイでは済まない! – 探索的視点からの取組みが必要である。 35
  36. 36. 公共交通機関の改善(MaaS的) • インテリジェントで安全で分散型の自律型輸送シ ステム構築が目標 – 共有がスマートシティの主要資産の1つ(カーシェア) – よりスマートな車両、より安全で疲れにくい運転 – イベントデータレコーダ(EDR)の搭載 – 大規模ストレージデバイスを備えたPCと車両用ス マートアプリケーションを装備 – 将来の課題にも対応 – ノードの移植性や自動車間での仮想マシン移動も 36 Block-VN:スマートシティ向け分散型ブロックチェーンベース 車両ネットワークアーキテクチャ P. K. Sharma et al., “Block-VN: A Distributed Blockchain Based Vehicular Network Architecture in Smart City”, J Inf Process Syst, Vol.13, No.1, pp.184~195, February 2017. ユースケース事例 IoT/金融混在系 探索的視点からの取組み分析例
  37. 37. Block-VNの概観 赤丸の付いた車両ノードは、リクエスト/レスポンス要求を処理するマイナーノード 残りは普通ノード。普通ノードはマイナーノードにサービス要求メッセージ送信可能 ユースケース事例(続) 車両は他の車両 と共有して安全な 方法でネットワー クを構築 このメカニズム で、フォールトト レランス、分散 操作、管理サー ビス、プライバ シー、セキュリ ティを実現
  38. 38. 38 自動車部門(製造業者) 失効機関 Block-VN 失効機関は、どの車両をマイナー ノードにするかの権限を保有 自動車部門は詳細情 報を失効機関に提供 Block-VNモデルアーキテクチャ 失効機関は、どの車両をマ イナーノードにするかの権限 を保有 Block-VNへ の車両の出入 りが存在 Public型。透明性は高いがス ピードなどに難点 (Private型にしてパフォーマ ンス、スケーラビリティ、セキュ リティに重点を置く方が良い場 合もありうる) 補足: ユースケース事例(続)
  39. 39. Block-VNのサービスシナリオ • SmartPay: – 車両情報から自動車の燃料が足りるか判断 – 有利なガソリンスタンドをピックアップ – 自動支払い – 適切な駐車場の探索 – 駐車料金支払い • SmartShare: – 自家用車の所有者は、同様のコースに向かう他 の人に空席を付与(リアルタイムのライドシェア) – Uber、Lyftなどと異なり分散型で実施 39 ユースケース事例(続)
  40. 40. 上記探索的分析例からの示唆 • 結局、金融的価値(支払い手段の効率化、支 払いの自動化、など)の付与に行き着くのか • そうなれば、前提としてのIoT機器の統一ID付 与も生きてくるかも。 • あらゆるものの資産化にも展望が拓けてくる • しかし、これの実現のためには、あらゆるセン サー取得データの価値に対するマイクロペイ メントのような機能が廉価・広域に利用可能 な環境が必要になる。 40
  41. 41. スマートシティへの可能性(中間まとめ) • 現状で共通インフラ基盤の構築は不可能 – 絞り込み過ぎては「スマートシティ」でなくなる。 – ビジョン先行で象徴的実験システムではPoC化 夢と実用性を兼備したプロジェクト企画とブラ ンド確立に独自の工夫が必要 – デザイン力、資金力、研究力、技術力結集(例: オープン化、コンペなども) 時間(技術の進歩)を味方にすることも重要41 公共交通
  42. 42. IoTにフィットするコンセンサス ルールは難しい セキュリティ系の要件例: • IoT重視のTX検証ルール • シビル攻撃の回復力 • 合意の最終性(即時) • フォーク回避 • 最大障害ノード数を許容 • デバイスの整合性チェック • DoS攻撃の回避 42 まずはIoT分野にフォーカスしてみると・・ パフォーマンス系の要件例: • 低遅延時間 • 低計算コスト • 低エネルギーコスト • 通信の複雑さが少ない 今後の方向性 暗号通貨向け要件とは明確に異なる。
  43. 43. ブロックチェーンとIoTデバイスの統合も難物 43 フォグコンピューティングを使用したブロック チェーンとIoTデバイスの統合概念図 • 当面はフォグコン ピューティングのコ ンポーネント活用 が現実的か? • 異種IoTデバイス からデータをブロッ クチェーンに送信 する方法の設計・ 開発も必要
  44. 44. 44 IoTの約束を果たすスマートセンサー の例 基本的にア ナログデー タソース デバイス、 機械、人、 道具、車、 動物、衣服、 おもちゃ、環 境、ビル、な ど 解析 管理 制御 解析 管理 制御 解析 管理 制御 セキュリティ エコシステム サービス https://www.fierceelectronics.com/components/smart-sensors-fulfilling-promise-iot センサー/ アクチュエーター インターネットゲート ウェイ、データ獲得 システム エッジIT データセンター/ クラウド Stage5 ブロック チェーン 解析 管理 制御 システム構築までには様々なプロセスがある。 特定ニーズ向けソリューション実現でかなりの個別化(カスタマイズ)が発生する。 ブロックチェーンがstage5となるか、stage4の入れ替えとなるかは未知数
  45. 45. 45 スマートシティへの取組み(まとめ) ユニバーサルデータスト レージプラットフォーム 公共交通機関の改善 エネルギー、水、汚染管理 エネルギー、水、汚染管理 ローカルコマースの順位付け IoTデバイスのセキュリティ キーレス署名インターフェース スマートデバイスの相互運用性 土地、財産、住宅管理 各部門の透明性 各種IoTデバイス 従来 垂直統合型 PL型企業D 企業14企業10企業4 企業15 PL(BC)型企業C 企業4企業3 企業2PL型企業A企業1 PL(BC)型企業D PL型企業E PL(BC)型企業B 企業1 企業8企業7 企業6企業5 企業10企業9企業4企業1 企業11 企業13Ehereum企業12 企業16 企業17 スマートシティ(複雑なエコシステム型) 様々なプラットフォームの相互運用やスケーラビリティとパフォーマンスのバランス調整が行われる。 各種インターフェースのUXなどに新たな工夫が必要とされる。 ( ビ ジ ネ ス ) ア プ リ ( D B 層 ) サ ー ビ ス ( 通 信 層 ) 製 品 ( 物 理 層 ) 部 品 Nestサーモスタット Ethereum 機能例など 企 業 α 企 業 α 企 業 α 企 業 α ・・ ・・ ・・ ・・ ・・ ・・ ・・ ・・ スマートシティ全体を考えてみると・・
  46. 46. スマート産業 スマート駐車 スマートモール スマートホーム スマート病院 スマート交通手段 エッジネットワークの分 散アーキテクチャ コアネットワークの分 散アーキテクチャ 最下位エッジネットワー クの集中アーキテクチャ IoTの成長/進化とともに登場する新たなスマートシティの例 ハイブリッドネットワークアーキテクチャ ①グローバルに分散&ローカルに集中(信頼性、効率、スケーラビリティを並立) ②エッジノードは低遅延&NW帯域幅使用のリアルタイム処理を実現 ③エッジノードで前処理したデータはコアネットワークに転送 ④信頼性の定量化と管理の困難性をPoW修正ルールで解決 Pradip Kumar Sharma and Jong Hyuk Park, “Blockchain based hybrid network architecture for the smart city” Future Generation Computer Systems 86 (2018) 650–655.
  47. 47. 47 分散AI ゲートウェイ メインテナンス サービス提供者 メーカー/ ディーラー保険会社 執行 機関 分散AI ゲートウェイ ブロックチェー ンのためのエッ ジ間共有台帳 ネットワーク 自動車保険に 関連する様々 なソースから のIoTデータ IoT、5G、フォ グネットワークを 備えたスマート シティ エッジに移行さ れるデータ AIネットワーク に対するエッジ ブロックチェーン AI相互作用 共有ブロック チェーン元帳 ブロックチェーンは、 運転者と車のプロ ファイルを、メンテナ ンス、事故、移動、 その他の不変データ 履歴とともに保存 IoT、オンボード診断 (OBD)、その他のレ ンタカー関連データが 近くのモバイルエッジ ノードに送信され共有 AIネットワークでその 他の自動車関係者と も重要な情報を共有 クライアントレンタカーシナリオの例 (AI活用も視野) Abdur Rahman et al., “Blockchain and IoT-Based Cognitive Edge Framework for Sharing Economy Services in a Smart City”, IEEE Vol.7, 18611-18621, 2019. 前頁のスマート交通手段 が更に階層化されることも
  48. 48. 1. ブロックチェーン導入によって、クラウド版IoTシス テムとどのように差別化するのかのポイントの明 確化が必要である。 2. 価値を実現する方式(コンセンサスルール、セ キュリティ方式など)とそれを評価する手段(性能 やコストなど)の明確化が必要である。 3. 各サービスを融合させた場合、スマートシステム として発生するトレードオフ条件の明確化と最適 点決定の判断基準が必要である。 4. オープン性と相互運用性への配慮が必要である。48 スマートシティへの取組み(まとめ続) システム構築力 ①垂直(集中) vs 水平(分散)、②オープン化度合い、③権限維持重視 vs ネット ワーク(規模)拡大重視、④多くの標準に準拠 vs 自己開発(標準)も採用、など 例:
  49. 49. 1. 当該スマートシティ向けの新たなアーキテク チャ設計が必要である。 2. 個別技術の進化だけでなく、それらを吸収し トータルサービス価値を創造するフレームワー クが必要である。 3. 市民(ユーザー)との共創で登場するアプリ ケーション群の継続・維持などのプラットフォー ム設計力と価値醸成が必要である。 4. トレードオフ条件の最適化発見などのツール (シミュレータなど)が必要である。 5. 将来環境でのビジネス構想力が必要である。 スマートシティへの取組み(まとめ続) 設計力・構想力 ①エッジコンピューティングの効果、②選択したコンセンサスルールのパフォーマンス、など例:
  50. 50. • ブロックチェーンが保有する夢のようなビ ジョンやアプリケーションを巧みに引き寄せ ながら、具体的実現のパスをデザインする 挑戦の場が登場している。 • これらへの挑戦の延長で、GAFAモデル (集中型)の次のビジネスモデル(分散 型)構築に繋がる新たな勃興が発生す るだろう。 50 ブロックチェーン for IoT×ビジネス
  51. 51. • IoTへのブロックチェーン導入の神髄は、やはり、 IoT系においても、Public型で、金融由来の付加価 値付与ということになるのではないだろうか • この状況を実現するには、低廉価センサーなどを 含む全IoT機器で収集されたデータに金銭的価値 が付与され、マイクロペイメントが実現されるよう な世界の到来が必要になる。 • 但し、ブロックチェーンにはスケーラビリティの限 界がある為、多様な技術の進化とともに、適応が 相応しい最適適応領域の発見も重要になる。 • また、既存世界の全面入れ替えは難しく、既存世 界との共存の世界到来と想定される。そこで、両 者の役割分担のデザインも重要になる。 51

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