Service selection middleware using blockchain for IoT applications

Danish, Syed Muhammad (2022). Service selection middleware using blockchain for IoT applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In today’s world, the Internet of Things (IoT) has ushered in an unprecedented revolution in information technology and is used in many industries, including retail, manufacturing and healthcare. Each individual IoT application is different when it comes to functional and nonfunctional requirements, defined by the application owner or industry. Service provider selection in a decentralized environments have become a critical issue for different IoT applications, in particular when services providers having similar functionality but different Quality of Service (QoS). As a result, selecting a high quality service that best suits IoT application requirements from a large list of functionally equivalent services is a challenging task. Furthermore, it is challenging to secure the private and business-critical information of the IoT application, as the sharing of service parameters with third-party solutions or even with the service provider itself can create serious security and privacy concerns, since the service requirements could contain sensitive information regarding the application, that could be misused or sold by the third-party or service provider. Therefore, a decentralized service selection mechanisms are required to select the best service provider for IoT applications, while ensuring end-to-end security and privacy of the associated sensitive data.

In this thesis, we first consider an IoT data storage selection problem, which focuses on a middleware design for blockchain-based intelligent data storage selection for large-scale IoT applications. The proposed framework extends the current IoT cloud architecture and considers peer-to-peer (P2P) and blockchain-based storage solutions along with cloud and multi-cloud technologies. We model IoT data storage selection problem as a decision optimization problem and propose two polynomial-time algorithms as a solution. We also propose a verifiable blockchain-based storage selection protocol, which enables the IoT applications as well as the storage technologies to verify the correctness of the data placement decision made by the middleware design without the need of any trusted third party. Finally, we propose an intelligent maintenance strategy, which takes into account and learns the dynamically evolving features of the IoT applications service requirements to optimizes the computational complexity along with the blockchain storage and transactions overhead in the middleware design.

The second aspect of the work in the thesis is the development of a blockchain-based efficient and secure charging station (CS) selection protocol for electric vehicles (EV) charging networks. We propose a decentralized blockchain-based EV charging architecture and theoretically model a decentralized decision optimization problem, which eliminates the need of any trusted third party and enables the EVs and the CSs to communicate in a decentralized manner, through the smart contracts, running on a blockchain network. It also enables EVs to select a CS and make a remote reservation with a CS without sharing any private information with CSs or any central management entity.

The third part of this thesis extends the second aspect of this thesis, and concerns the security and privacy problems arisen by the linkability of the public blockchain addresses with the EV owner’s physical identity. To solve this problem, we propose a blockchain-based end-to-end privacy-preserving CS reservation protocol, which enables EVs to reserve a charging slot at the selected CS privately, without sharing their private information and by dissociating its real identity from the blockchain address, thereby preserving the EV’s privacy. As the information provided by CS cannot be trusted, we propose an SMC-based CS information verification protocol that allows EVs to collaboratively verify the availability of charging slots from the CS by securely sharing reservations in an untrusted environment. Finally, we propose a smart contract design based on time-lock deposit protocols, which aggregates the balance in such a way that no CS is able to link charging service payments with EV users’ blockchain addresses, while still ensuring that CSs receive full payment for the services they provide.

The major contribution of the thesis is providing a secure and efficient service selection mechanisms tailored for different IoT applications with different service requirements and security needs. With the proposed approach consumers will be able to securely select a suitable service provider based on their requirements. Experimental results showed that proposed approaches achieved better performance and efficiency compared to state-of-the-art.

Titre traduit

Les services intergiciels pour des applications IdO-Chaînes de blocs

Résumé traduit

Dans le monde d’aujourd’hui, l’Internet des objets (IdO) a inauguré une révolution sans précédent dans les technologies de l’information et est utilisé dans de nombreux secteurs, notamment la vente au détail, la fabrication et la santé. Chaque application IdO individuelle est différente en ce qui concerne les exigences fonctionnelles et non fonctionnelles, définies par le propriétaire de l’application ou l’industrie. La sélection des fournisseurs de services dans des environnements décentralisés est devenue un problème critique pour différentes applications IdO, en particulier lorsque les fournisseurs de services ont des fonctionnalités similaires mais les qualités des services (QDS) différente. Par conséquent, sélectionner un service de haute qualité qui répond le mieux aux exigences des applications IdO parmi une longue liste de services fonctionnellement équivalents est une tâche difficile. En outre, il est difficile de sécuriser les informations privées et critiques de l’application IdO, car le partage des paramètres de service avec des solutions tierces ou même avec le fournisseur de services lui-même peut créer de graves problèmes de sécurité et de confidentialité, car les exigences de service pourraient contiennent des informations sensibles concernant l’application, qui pourraient être utilisées à mauvais escient ou vendues par le tiers ou le fournisseur de services. Par conséquent, des mécanismes de sélection de services décentralisés sont nécessaires pour sélectionner le meilleur fournisseur de services pour les applications IdO, tout en garantissant la sécurité et la confidentialité de bout en bout des données sensibles associées.

Dans cette thèse, nous considérons d’abord un problème de sélection de stockage de données IdO, qui se concentre sur une conception de l’intergiciel pour la sélection de stockage de données intelligente basée sur la blockchain pour les applications IdO à grande échelle. Le cadre proposé étend l’architecture cloud IdO actuelle et considère les solutions de stockage d’égal à égal et basées sur la blockchain ainsi que les technologies cloud et multi-cloud. Nous modélisons le problème de sélection de stockage de données IdO comme un problème d’optimisation de décision et proposons deux algorithmes en temps polynomial comme solution. Nous proposons également un protocole vérifiable de sélection de stockage basé sur la blockchain, qui permet aux applications IoT ainsi qu’aux technologies de stockage de vérifier l’exactitude de la décision de placement des données prise par la conception de l’intergiciel sans avoir besoin d’un tiers de confiance. Enfin, nous proposons une stratégie de maintenance intelligente, qui prend en compte et apprend les fonctionnalités évolutives dynamiques des exigences de service des applications IoT pour optimiser la complexité de calcul ainsi que le stockage de la blockchain et les frais généraux des transactions dans la conception de l’intergiciel.

Le deuxième aspect des travaux de la thèse est le développement d’un protocole de sélection de bornes de recharge (CS) efficace et sécurisé basé sur la blockchain pour les réseaux de recharge de véhicules électriques (VE). Nous proposons une architecture décentralisée de recharge de VE basée sur la blockchain et modélisons théoriquement un problème d’optimisation de décision décentralisée, qui élimine le besoin de tout tiers de confiance et permet aux VE et aux CS de communiquer de manière décentralisée, via les contrats intelligents, fonctionnant sur un réseau blockchain. Il permet également aux EV de sélectionner un CS et d’effectuer une réservation à distance avec un CS sans partager aucune information privée avec les CS ou toute entité de gestion centrale.

La troisième partie de cette thèse prolonge le deuxième aspect de cette thèse, et concerne les problèmes de sécurité et de confidentialité posés par la possibilité de lier les adresses publiques de la blockchain avec l’identité physique du propriétaire du VE. Pour résoudre ce problème, nous proposons un protocole de réservation de CS de bout en bout basé sur la blockchain, qui permet aux VE de réserver un créneau de charge au CS sélectionné en privé, sans partager leurs informations privées et en dissociant sa véritable identité de l’adresse blockchain, préservant ainsi la confidentialité du véhicule électrique. Comme les informations fournies par CS ne sont pas fiables, nous proposons un protocole de vérification des informations CS basé sur SMC qui permet aux véhicules électriques de vérifier de manière collaborative la disponibilité des emplacements de recharge à partir du CS en partageant en toute sécurité les réservations dans un environnement non fiable. Enfin, nous proposons une conception de contrat intelligente basée sur des protocoles de dépôt à verrouillage temporel, qui agrège le solde de telle sorte qu’aucun CS ne soit en mesure de lier les paiements de service de recharge aux adresses de blockchain des utilisateurs de VE, tout en garantissant que les CS reçoivent le paiement intégral pour les services qu’ils fournissent.

La contribution majeure de la thèse est de fournir des mécanismes de sélection de service sécurisés et efficaces adaptés à différentes applications IoT avec différentes exigences de service et besoins de sécurité. Grâce à l’approche proposée, les consommateurs pourront sélectionner en toute sécurité un fournisseur de services approprié en fonction de leurs besoins. Les résultats expérimentaux ont montré que les approches proposées obtenaient de meilleures performances et une meilleure efficacité par rapport à l’état de l’art.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 163-175).
Mots-clés libres:	chaînes de blocs, internet des objets, véhicules électriques, sécurité et confidentialité, intergiciel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zhang, Kaiwen
Codirecteur:	Codirecteur Jacobsen, Hans-Arno
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 oct. 2023 17:52
Dernière modification:	03 oct. 2023 17:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3288

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