Blockchain digital twins with decentralized storage and provenance

Abstract

The development of information technologies, such as Internet of things (IoT), cloud computing, big data analytics, blockchain and artificial intelligence (AI) has led since the mid 2010s to a rapid growth of Digital Twin (DT) utilization in the industrial sector. At the core of this rapid adoption is the fact that by creating digital representation of a real-world physical product, component or system businesses can derive significant cost savings throughout the prototyping, development, testing and operations as well open new revenue streams. While DT technology has been used mostly in industrial scenarios, as they cross towards consumer scenarios, there is the potential for the privacy and ethical issues of smart devices based on IoT technologies to be further compounded by DT technology. Those issues derive from centralized within corporate repositories, susceptible to security breaches and the fact that corporations are the sole beneficiaries from personal data trading. Consequently, there is a pressing need to establish DT solutions that provide further control to consumers. Part of that solution is the capability to store data and ensure its provenance. The aim of this study is to create a secure and reliable storage system for DT at the consumer level. A solution using Hyperledger Fabric and IPFS is presented and tested. Our tests demonstrate that it is a potent means of protecting DT data from unauthorized modifications or tampering. This effort is part of a larger effort that uses Eclipse Ditto, Hyperledger Fabric and other decentralized Leger Technologies (DLT).

O desenvolvimento de tecnologias da informação, como a Internet of Things (IoT), análise de grandes volumes de dados, blockchain e inteligência artificial (IA) levou, desde meados da década de 2010, a um crescimento acelerado da utilização do Gémeo Digital (DT, do inglês "Digital Twin") no setor industrial. Ao criar uma representação digital de um produto, componente ou sistema físico do mundo real, as empresas podem obter ganhos significativos ao longo da prototipagem, desenvolvimento e testes, além de abrir novos fluxos de receita. Embora a tecnologia DT tenha sido utilizada principalmente da indústria, à medida que se encaminha para cenários voltados para o consumidor, há o potencial para que as questões de privacidade e ética dos dispositivos inteligentes baseados em tecnologias IoT sejam ainda mais agravadas pela tecnologia DT. Tais questões derivam da centralização em repositórios corporativos, suscetíveis a violações de segurança, e do facto de que as corporações são as únicas beneficiárias da negociação de dados pessoais. Consequentemente, surge uma necessidade premente de estabelecer soluções DT que ofereçam maior controlo dos dados aos consumidores. O objetivo deste estudo é criar um sistema de armazenamento seguro e confiável para DT no nível do consumidor. Uma solução utilizando Hyperledger Fabric e IPFS é apresentada e testada. Os nossos testes demonstram que é um meio eficaz de proteger os dados de um DT contra modificações não autorizadas ou adulterações. Este esforço integra um projeto maior que foi desenvolvido utilizando o Eclipse Ditto, Hyperledger Fabric e outras Tecnologias de Registro Descentralizado (DLT).