産業用IoTシステムにおけるブロックチェーンの役割の調査（パート1）

2018年のほぼ半ばで、ブロックチェーンはGartner HypeCycleの「幻滅の谷」に近づいています。それは不吉に聞こえますが、「ブロックチェーン」が多くの報道を集め続けているので、私はその差し迫った降下を確信していません。多くの人にとって、ブロックチェーンは市場の釘を探すためのテクノロジーハンマーです。あなたはブロックチェーンについて聞いたり読んだりして、それがあなたのシステムに関連しているかどうか疑問に思ったことがあると思います。私たちはこれについても疑問に思い、研究グループを立ち上げてもう少し深く掘り下げることにしました。

暗号通貨はブロックチェーンの脚光を浴び続けています（そしてそれをサポートするために驚異的な量のエネルギーを吸い込みます）が、サプライチェーン管理、在庫管理、トランザクションエネルギーなどのより関連性の高い産業ユースケースへの取り組みはこれまでになくゆっくりと進んでいます。世界中の重要なリアルタイムシステムでRTIConnext DDSを使用している場合、暗号通貨とサプライチェーン管理は、RTIの注意が必要な機能のリストの上位にはないことを認識しています。

RTIのステルスでありながら非常に活発な研究グループは、エネルギー省（DOE）と協力して、ブロックチェーンを活用してお客様のような産業システムを保護する方法を調査しています。陸軍、海軍、空軍、DARPA、DOE、ミサイル防衛で多くの高度な研究が進行中ですが、このブログでは、ブロックチェーンに関する研究がリアルタイムの産業システムにどのように役立つかについて焦点を当てています。

ブロックチェーンテクノロジーとは何ですか？

産業用ブロックチェーンに関する議論の舞台を設定するために、ブロックチェーン技術に不慣れな方のために簡単に見てみましょう。すでにプロの場合は、次のセクションにスキップしてください。

今日、私たちは銀行、クレジットカード会社、公証人などを、契約や借りている人への送金を処理する一元化された仲裁者として信頼しています。オンラインゲームでは、ゲームサーバーを一元化されたアービターとして信頼し、サーバーに送信する独自​​のアクションに関するデータに基づいて、参加しているすべてのプレーヤー間のゲームプレイの状態を進めます。産業システムでは、真実の中心的な決定者は、システムを所有および管理する会社です。それらおよび他の多くのドメインでは、その中央アービターは、特定のシステム内のすべてのデータに関するデータベース（ブロックチェーンと言えば「元帳」）を管理します。そのアービターは、元帳に書き込まれる内容を完全に制御できます。 を含む 必要に応じて、元帳の履歴を変更（改ざん）する機能。悪意のあるエージェントもこれらのアービターを危険にさらす可能性があり、したがって元帳を改ざんする可能性があります。したがって、単一のアービター（元帳マネージャー）がデータ整合性障害の単一ポイントになる可能性があります。ブロックチェーンテクノロジーは、この元帳を複数の信頼できないによって配布および管理できるため、破壊的です。 この分散型ソリューションの強力な保証を提供しながら、相互に不信感を抱く当事者 データの整合性を維持します。分散型元帳管理に参加する各当事者は、元帳のローカルコピーを維持および管理します。パーティの数は、ブロックチェーンの目的の特性/用途に応じて大きく異なります（数から数千まで）。

では、元帳には何を保存しますか？まず、情報は「ブロック」と呼ばれるチャンクで元帳に書き込まれます。ブロックは、企業または個人の契約、保証、保険証券、特許のアイデア、患者データ、ビットコインの購入、写真、暗号化された個人データなど、事実上すべてを含むことができる情報の単位で構成されます。必要に応じて暗号化されます。ただし、産業用アプリケーションの場合、センサーデータ、システム状態、および不変に保持したいデータサンプルが含まれる可能性が高くなります。情報がどのようにブロックにチャンク化されるかは、実際にはユースケースに固有です。

チェーンの概念 新しく追加された各ブロックは、それ自体が前のブロックに依存している前のブロックに密接に依存しているため、ブロックチェーン設計の基本です。これにより、論理チェーンが形成されます。過去に記録されたブロックのコンテンツを変更しようとする攻撃者は、最初から記録されたすべてのブロックも変更する必要があります。すべて チェーンの配布されたコピー。ブロックチェーンで使用される暗号化テクノロジーにより、変更の試みが明確に表示されます。元帳の分散複製と組み合わせると、「履歴の書き換え」がほぼ不可能になります。攻撃者は、すべて（またはほとんど）のコピーを同時に書き換える必要があります。

いつブロックチェーンが必要ですか？

ブロックチェーンは、2つ以上の分散グループが相互に信頼しないまたは状況に適用できます。 一部の集中型アービターを信頼しないでください。ただし、データの不変の記録や、システム（ゲーム、銀行口座など）の状態遷移にすべての人が関与している場合。対照的に、一方の当事者のみが関与するシステムでは、そのような分散型調停は問題ではありません。たとえば、企業内では、履歴データが改ざんされていないことを確認することが懸念される場合は、安全な書き込み専用データベース（write-onceドライブを使用）で十分な場合があります。したがって、アプリケーションに単一の中央アービターで問題がない場合、データの不信がなければ、ブロックチェーンは必要ない可能性があります。ただし、サプライチェーンや石油掘削装置など、複数の企業がビジネスを行っている場合は、データが信頼できるかどうかが懸念される場合があります。

従来のトランザクションブロックチェーン

さて、おそらくあなたが読んだほとんどのユースケースでは、ブロックチェーンはすべてアクティブにトランザクションを記録することです 、つまり、トランザクション ブロックチェーン。このブロックチェーンのユースケースの目的は、あるシステムから別の状態への移行を不変にキャプチャして永続化することです。たとえば、金融取引ドメインでは、これらの状態遷移は、振替が発生したときの口座残高の変化です。これが、データストアがデータベースではなく元帳と呼ばれる理由です。

理解しておくべき重要なことは、トランザクションが受け入れられてチェーンに格納されない限り、システムの状態は進行しないということです。さらに、トランザクションが競合する可能性がある場合（ビットコインの二重支払いに関する懸念など）、考慮しなければならないプロセスに遅延が発生します。極端な例として、ビットコインでは、「安全である」ために、トランザクションが確実に実行されるように最大1時間待つ場合があります。トランザクションブロックチェーンの挿入は、一部の産業ユースケースに完全に適合しますが（ただし、レイテンシははるかに短くなります）、この議論とその解決策を将来のブログに延期しましょう。

産業用システムのブロックチェーン

ここで焦点を当てているユースケースでは、セキュリティで保護されたConnext Databusから特定のデータを取得し、それをブロックチェーンに直接保存しています。データを選択的に収集し、個別に所有および保護された複数の元帳に不変に保存します。システムの状態を制御しようとしているのではなく、監視しているだけなので、トランザクションの概念はありません。これは、特許のアイデア、患者データ、契約書などをブロックチェーンに保存するための非リアルタイムのユースケースに似ています。スマートコントラクトを使用することはできますが、データがチェーンに追加されるかどうかを制御するためのデータ検証プロセスの一部ではありません。

リアルタイムの産業用アプリケーションの場合、重要なのは、ブロックチェーンがプロセス制御チェーンの一部ではないため、遅延が発生しないことです。このテクノロジーのアプリケーションには、このために特別に独自のブロックチェーン設計が必要でした。私たちの設計は、ブロックチェーンで知られている悪名高いレイテンシーとトランザクションの性質を（一貫性を維持しながら）排除できるため、リアルタイムの産業用システム内に展開するのにはるかに役立ちます。多くのユースケースでは、任意 導入されたレイテンシーは、それらの採用を妨げる可能性があります。

このパラダイムは、DDSのような完全に分散化された安全な産業用データバスに最適です。このタイプのブロックチェーンを統合するのはかなり簡単です。ダウンタイムがゼロの完全に機能するシステムにさえも 。システムでブロックチェーンを採用する方法は、その設計と解決したいユースケースの両方によって決まります。

ブロックチェーンを石油とガスのユースケースにどのように適用したかを詳しく説明しながら、パート2をお読みください。また、実装した特定のプロトタイプを掘り下げて、ブロックチェーンが答えの一部にすぎない理由を説明します。