BDIM: A Blockchain-Based Decentralized Identity Management Scheme for Large Scale Internet of Things

BDIM：一种基于区块链的大规模物联网去中心化身份管理方案

作者：R Xiong, W Ren, X Hao, J He, KKR Choo

论文摘要原文：

In large-scale Internet of Things (IoT) systems, centralized authentication can be challenging, for example in terms of identity management, authentication overhead, and single point of failure. Distributed identity management has been envisioned as a promising approach for mitigating above all, but the security and performance of the overall solution have not been extensively evaluated. In this article, we proposed a decentralized identity management scheme based on blockchain for tackling large-scale IoT such as VANET. We implement smart contracts to support large-scale user access control, together with design trust management methods for reputation evaluation and credit penalty mechanisms, which can prevent various types of attacks in distributed identification contexts. The experiment results and analysis justified that our scheme is scalable with good performance. Specifically, the system response is on a millisecond scale and all the functions consume within 250 ms. Also, the time consumption of the query maintains a manageable delay within 0.5 ms no matter the remarkable growth of users. Finally, we observe that the throughput of the current blockchain platform could meet the requirement of our scheme with the increasing number of users’ upload request in real-world simulation.

论文摘要中文：

在大规模物联网（IoT）系统中，集中式身份验证可能具有挑战性，例如在身份管理，身份验证开销和单点故障方面。分布式身份管理被认为是一种很有前途的缓解方法，但整个解决方案的安全性和性能尚未得到广泛评估。在本文中，我们提出了一种基于区块链的去中心化身份管理方案，用于解决VANET等大规模物联网问题。我们实现了智能合约来支持大规模的用户访问控制，同时设计了用于信誉评估和信用惩罚机制的信任管理方法，可以防止分布式识别上下文中的各种类型的攻击。实验结果和分析表明，该方案具有良好的可扩展性和性能。具体来说，系统响应时间为毫秒级，所有功能的消耗时间均在250 ms内。此外，无论用户数量显着增长，查询的时间消耗都保持在0.5 ms内的可管理延迟。最后，我们观察到，当前区块链平台的吞吐量可以满足我们的方案的要求，随着越来越多的用户的上传请求在现实世界的模拟。

研究问题、关键问题： 本文主要研究如何将区块链技术应用于大规模物联网系统，以提高身份管理的安全性、可扩展性和效率。其中关键问题为：

1. 身份管理的安全性: 如何在没有可信第三方的情况下，确保用户身份的真实性和可靠性，防止身份伪造和冒充攻击？
2. 身份管理的可扩展性: 如何设计轻量级、可扩展的身份管理方案，以适应大规模物联网节点数量快速增长的需求？
3. 身份管理的效率: 如何优化区块链平台的数据存储和查询效率，降低身份验证和访问控制的延迟？
4. 信任管理机制: 如何设计有效的信任管理机制，评估用户信誉，并防范恶意行为，例如伪造 VC 或恶意攻击区块链系统？
5. 区块链平台的吞吐量: 如何评估当前区块链平台的吞吐量，并确保其能够满足大规模物联网应用的需求？

研究动机、研究意义：

1. 研究动机：
   (1)大规模物联网中身份管理的挑战：集中式身份管理存在单点故障、效率低下和数据泄露风险，且现有分布式身份管理方案可扩展性不足，难以应对大规模节点身份识别。
   (2)区块链与分布式身份管理的结合：区块链的不可篡改、可追溯和去中心化特性为分布式身份管理提供信任环境。同时智能合约可以实现自动化的身份验证和权限管理。
2. 研究意义：
   (1)BDIM 方案的优势：无需可信第三方，实现点对点身份验证，提高安全性；基于智能合约的惩罚和奖励机制，有效防御恶意行为，保障系统安全；轻量级，仅部署三个智能合约即可在现成以太坊平台上运行，降低部署成本。
   (2)BDIM 方案的应用场景：利用区块链技术实现车辆和车主身份的透明化管理和可信记录；通过区块链记录车辆事故信息，实现保险理赔流程的自动化和可信验证。
   (3)促进技术发展： MIS 系统的研究和开发可以促进区块链、加密存储等技术的发展，并为其他应用领域提供参考。
   (4)构建安全可信的元宇宙： MIS 系统可以保障元宇宙中资源的安全性和可信性，为构建安全可信的元宇宙环境提供技术支持。

研究内容（算法、方法、技术、模型）：

1. 基于区块链的分布式身份标识 (DID) 设计：
   (1)使用用户的区块链地址作为 DID 字符串，实现身份标识的全球唯一性。
   (2)利用智能合约实现 DID 的创建、读取、更新和删除操作。
   (3)引入管理链 (Management Chain)，记录 DID 文档的最新更新块高度，提高 DID 解析效率。

2.可验证凭证 (VC) 和可验证展示 (VP) 设计：
(1)设计 VC 格式，包含用户 DID、颁发者 DID、颁发日期、声明和证明等信息。
(2)基于 VP 实现身份验证和凭证验证，提高身份验证效率和安全性。

采用挑战-响应机制，防止重放攻击和用户身份伪造攻击。

3.惩罚和信誉机制设计：
(1)基于 VP 验证结果，对用户进行惩罚或奖励，激励用户进行诚实行为。
(2)记录用户的 VP 验证次数，作为信誉评估的依据。

4.性能分析：
(1)通过测试 DID 和 VC 智能合约的 Gas 消耗和时间消耗，评估方案的效率和性能。
(2) 模拟大规模用户访问场景，验证方案的扩展性和可伸缩性。

5.安全分析：
(1)分析方案对重放攻击、用户身份伪造攻击和中央服务器攻击的防御能力。
(2)评估方案的数据完整性和不可篡改特性。

研究结论、主要贡献：

1. 研究结论：
2. 提出的基于区块链的分布式身份管理方案 BDIM，能够有效解决大规模物联网场景下的身份管理问题，例如车辆自组网 VANET。
3. 方案利用智能合约实现了用户访问控制、信誉评估和信用惩罚机制，能够有效防止分布式身份认证环境下的各种攻击。
4. 实验结果表明，BDIM 方案具有良好的可扩展性和性能，系统响应时间在毫秒级别，所有功能消耗时间均在 250 ms 以内。
5. 通过模拟实验，验证了当前区块链平台的吞吐量能够满足 BDIM 方案的需求，即使用户数量不断增长，也能保证系统的稳定性和可扩展性。
6. 主要贡献：
7. 提出了基于区块链的分布式身份管理方案 BDIM，特别适用于无第三方信任的车辆信誉评估和信用惩罚机制。
8. 设计了基于智能合约和可验证凭证的信誉评估方法，通过惩罚和奖励机制防止恶意行为。
9. BDIM 方案轻量级，在现成的以太坊平台上部署了三个智能合约，并进行了广泛的评估。

创新点、创新性：

1. 基于区块链的分布式身份管理方案： BDIM 方案利用区块链的不可篡改、可追溯和去中心化特性，实现了无需中心化信任机构的身份管理，提高了安全性。
2. 管理链的设计： 通过管理链记录 DID 文档的最新更新块高度，避免了 DID 链过长导致的效率问题，提高了查询效率。
3. 信誉评估和信用惩罚机制： 利用智能合约实现了基于惩罚和奖励的信誉评估机制，有效防止了恶意行为，提高了系统的安全性。

技术难点：

1. 区块链查询效率问题： 由于区块链数据存储模式的限制，查询效率较低，需要进行优化以提高系统的响应速度。
2. 智能合约安全性问题： 智能合约代码一旦部署到区块链上就无法修改，因此需要确保智能合约的安全性，防止出现漏洞被攻击。
3. 可扩展性问题： 随着用户数量的增长，系统需要能够保持良好的性能和可扩展性，需要进行相应的优化设计。
4. 物联网设备资源限制： 物联网设备通常资源有限，需要考虑如何在有限的资源下实现 BDIM 方案的运行。

进一步研究思路 (Future Work)：

1. 提高区块链查询效率： 研究更高效的区块链数据存储和查询技术，例如分布式索引、数据库等技术，以提高系统的响应速度。
2. 可扩展性优化： 研究更高效的共识机制、分片技术等技术，以提高系统的可扩展性，满足大规模物联网场景的需求。
3. 多链融合技术： 研究如何将 BDIM 方案与其他区块链平台进行融合，例如联盟链、侧链等技术，以实现更丰富的应用场景和更高的安全性。
4. 隐私保护技术： 研究如何在保证身份管理功能的同时，保护用户隐私，例如利用零知识证明、同态加密等技术实现隐私保护。

个人总结：

本文提出了基于区块链的分布式身份管理方案 BDIM，通过管理链设计、信誉评估和信用惩罚机制等创新，有效解决了大规模物联网场景下的身份管理问题。实验结果表明，BDIM 方案具有良好的可扩展性和性能，为物联网身份管理提供了新的思路。