A secure IoT Communication system for smart contracts

Abstract

The need to ensure the confidentiality and integrity of data generated in industrial systems and applications has been increasingly highlighted over the years, due to the clear and urgent requirements of not disclosing sensible proprietary information and ensuring that data is kept immutable since it is generated until it is permanently stored. It is from these two main ideas that this dissertation is created, framed in a project that is being developed at the Digital Transformation CoLab with Bilanciai and Cachapuz. These are the industrial partners and key stakeholders of this project, having identified the requirements for the weight measurement process that occurs in the weighing stations that are placed in their customers. This dissertation essentially consists on the definition of a secure Internet of Things (IoT) communication system between the devices that operate on the weighing stations of the customers and on top of that, develop a smart contract application using blockchain technology capable of: i) automating the process of verifying the correct application of weighing guidelines; and ii) registering and storing ”receipts” of weighings that take place in the customers’ weighing stations. In this dissertation, a revision of the state of the art is made with the goal to perceive the most secure and current technologies capable of providing the required functionalities, which are the fuel for the identification of the problems and challenges that such a project might face, ultimately leading to the design of a solution that can both: i) mitigate the aforementioned problems and challenges; and ii) comply with the goals defined for the dissertation. Additionally, in this document, the development of such a solution is also explored by providing clear insights into the decisions that were made and the reasoning behind them and by implementing components that are able to provide registration and rich querying of weighing tickets (receipts), weighing ticket building and secure communication as well as the enforcing of a blockchain network structure that fosters data confidentiality. Ultimately, results are shown, collected from a proof of concept, which essentially provide evidence on the functional correctness of the system that was built, i.e., its ability to grant the retainment of weighing ticket characteristics and the capabilities of the communication system, which demonstrates to be able to securely build and transmit weighing tickets, with fault tolerance. The outcomes of this project can be integrated into existing systems of the industrial partners to increase efficiency, security and business innovation.

A necessidade de assegurar a confidencialidade e a integridade dos dados gerados em sistemas e aplicações industriais tem sido cada vez mais destacada ao longo dos últimos anos, devido a claros e urgentes requisitos de não divulgar informação proprietária e de garantir que essa informação permanece imutável desde o momento em que é gerada até ao ponto em que é guardada permanentemente. É a partir destas duas ideias principais que esta dissertação é criada, enquadrada num projeto que esta a ser desenvolvido no Digital Transformation CoLab com a Bilanciai e a Cachapuz. Estes são os parceiros industriais e stakeholders do projeto, tendo identificado os requisitos para o processo contínuo de medição de pesagens que ocorre nas estações de pesagem dos seus clientes. Esta dissertação consiste, essencialmente, na definição de uma comunicação segura em IoT entre os dispositivos que operam nas estações de pesagem dos clientes e, complementarmente, desenvolver uma aplicação baseada em smart contracts utilizando tecnologia Blockchain com o intuito de: i) Automatizar o processo de verificação da aplicação correta de diretrizes de pesagem; e, ii) Registar e armazenar ”recibos” de pesagem ˜ que são efetuadas nas estações de pesagem dos clientes. Nesta dissertação, a revisão do estado da arte é feita com o objetivo de entender as tecnologias mais atuais e seguras capazes de providenciar as funcionalidades adjacentes aos requisitos, o que se torna na base para a identificação dos problemas e desafios que um projeto desta natureza pode enfrentar, resultando, em última instância, no desenho de uma solução que consiga: i) Mitigar os problemas e desafios anteriormente mencionados; E, ii) Cumprir com os objetivos definidos para esta dissertação. Adicionalmente, neste documento, o desenvolvimento da solução é explorado, ao fornecer informações claras sobre as decisões que foram tomadas e o raciocínio por trás das mesmas e ao implementar componentes capazes de fornecer o registo e consulta avançada de recibos de pesagem, construção e transmissão segura dos mesmos, como também a capacidade de estruturar e assegurar uma organização da rede blockchain que promove a confidencialidade de dados. Finalmente, resultados são ilustrados, extraídos de uma prova de conceito, fornecendo provas da correção funcional do sistema construído, isto e, a sua capacidade para garantir a manutenção das características dos recibos de pesagem e, além disso demonstra a capacidade do sistema de comunicação em transmitir, de forma segura, os recibos de pesagem, com tolerância a falhas. O resultado obtido neste projeto tem a possibilidade de ser integrados em sistemas existentes dos parceiros industriais com o objetivo de aumentar a eficiência, segurança e inovação nos seus modelos de negócio.