[논문]에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷에 대한 블록체인 적용 방안 연구

최정열

doi:10.14400/jdc.2019.17.12.219

에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷에 대한 블록체인 적용 방안 연구
A study on the application of blockchain to the edge computing-based Internet of Things 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.17 no.12, 2019년, pp.219 - 228

초록
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정보기술의 발달과 스마트한 서비스의 활성화로 인해서 다양한 스마트기기가 네트워크에 연결되는 사물인터넷 기술이 지속적으로 발전해오고 있다. 기존의 사물인터넷 구조에서는 클라우드 컴퓨팅 기술을 기반으로 중앙 집중형으로 데이터를 처리해왔으나, 단일 장애 지점, 종단간 전송 지연, 보안에 대한 우려가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 탈중앙화된 블록체인 기술을 사물인터넷에 적용할 필요가 있다. 하지만 많은 사물인터넷 기기들은 컴퓨팅 성능이 부족하여 블록 채굴과 같은 막대한 자원이 소요되는 일을 처리하기에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해서 본 논문은 컴퓨팅 자원이 부족한 사물인터넷 기기에서도 블록체인 기술을 적용할 수 있는 에지 컴퓨팅 기술 기반의 사물인터넷 구조를 제안한다. 본 논문은 또한 에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷에서의 블록체인의 동작 절차를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thanks to the development of information technology and the vitalization of smart services, the Internet of Things (IoT) technology, in which various smart devices are connected to the network, has been continuously developed. In the legacy IoT architecture, data processing has been centralized based on cloud computing, but there are concerns about a single point of failure, end-to-end transmission delay, and security. To solve these problems, it is necessary to apply decentralized blockchain technology to the IoT. However, it is hard for the IoT devices with limited computing power to mine blocks, which consumes a great amount of computing resources. To overcome this difficulty, this paper proposes an IoT architecture based on the edge computing technology that can apply blockchain technology to IoT devices, which lack computing resources. This paper also presents an operaional procedure of blockchain in the edge computing-based IoT architecture.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Logical representation of a blockchain
표 Table 1. Comparison of consensus algorithms for blockchain
그림 Fig. 2. Edge computing-based Internet of Things architecture applied for Blockchain
표 Table 2. Comparison of edge computing technologies
그림 Fig. 3. Operational procedure of blockchain in edge computing-based Internet of Things

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 컴퓨팅 자원이 불충분한 사물인터넷 기기가 블록체인 네트워크에 참여하도록 에지 컴퓨팅 기술을 활용한 사물인터넷 구조에서의 블록체인 적용 방안에 대해서 살펴본다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다.
본 논문은 컴퓨팅 기술이 도입된 사물인터넷 구조에서 블록체인을 적용하기 위한 방안을 연구하였다.
사물인터넷 구조에서 사물인터넷 기기와 클라우드의 중간 계층으로 저장공간 및 처리 능력을 제공할 수 있는 에지 컴퓨팅 기술을 활용한다면, 센서나 아두이노와 같은 컴퓨팅 자원이 부족한 사물인터넷 기기들도 블록체인 네트워크에 참여할 수 있게 되며, 신속한 트랜잭션 처리 및 블록 생성이 가능하게 된다. 본 장에서는 에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷에 블록체인 기술을 적용하기 위한 방안을 소개한다.
한편, 센서 등과 같이 말단의 사물인터넷 기기들은 블록의 검증 및 채굴을 수행하기에 컴퓨팅 성능이 부족한 경우가 있어 게이트웨이를 활용하거나[10,12,13], 다계층 구조[7,9], 또는 에지 컴퓨팅 기술[3,8] 등을 이용하려는 노력이 있어 왔다. 본 절에서는 사물인터넷에 블록체인을 적용하기 위한 선행 연구들을 분석한다.
앞 장에서는 사물인터넷에 블록체인 기술을 적용할 때 얻게 되는 장점과 이러한 장점을 얻기 위해서 선행되었던 블록체인-사물인터넷 결합 기술에 대해서 살펴보았다. 다방면으로 연구가 진행되었는데, 특히 컴퓨팅 자원 부족으로 인해 사물인터넷 기기가 직접 블록 생성에 참여하기 어려운 점을 해결함이 중요함을 알 수 있었다.

제안 방법

트랜잭션이 블록에 포함되는 과정은 다음과 같다. 먼저 참여자들은 자발적으로 P2P 네트워크 상에서 새롭게 생성되어 유통되는 트랜잭션의 정상 유무를 검증한다. 정상적인 트랜잭션으로 판명이 되면 블록에 추가하게 된다.
본 논문은 사물인터넷 기기 계층, 에지 컴퓨팅 계층, 클라우드 컴퓨팅 계층의 3계층으로 구성된 에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷 구조를 Fig. 2와 같이 제시한다. 사물 인터넷 기기 계층에는 스마트폰, 가전기기, TV, 자동차, 각종 센서 등이 존재한다.

후속연구

다른 선행 연구에서는 게이트웨이가 블록체인의 기능을 일부 수행하는데 반해서[10,12], 이 연구에서는 블록체인은 네트워크 서버에서 동작된다. 다만, 논문에서는 LoRaWAN에 특화된 블록체인 동작 방식 및 구현에 대한 자세한 결과는 제시되지 않아 향후 후속 연구가 필요해 보인다.
일반적인 블록체인 네트워크에 비해서 사물인터넷은 엄청나게 많은 기기들이 연결되기 때문에 무엇보다도 확장성이 요구된다. 이를 위해서 블록이 하나의 체인으로 연결된 구조를 탈피해서, 하나의 블록이 여러 선행 블록과 연결되는 blockDAG 이나 블록이 아닌 트랜잭션으로 구성되는 TDAG와 같은 블록리스 구조에 대한 심도있는 연구가 필요하다.
향후 에지 컴퓨팅 기반의 사물인터넷에서 블록체인 기술을 개발하기 위해서 추가로 진행되어야 할 연구 과제는 다음과 같다. 특정 지역을 담당하는 에지 컴퓨팅 장치가 다수로부터 자원 요청을 받을 경우 가용한 자원이 부족해 질 수 있는 가능성이 존재하므로, 블록체인 참여자의 요청에 따른 에지 컴퓨팅 장치의 효율적인 관리에 대한 연구가 필요하다. 특히, 컴퓨팅 자원 이용을 통한 블록 채굴에 따른 보상과 에지 컴퓨팅 서비스 제공에 따른 이익 간의 상충을 만족시킬 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중앙형 처리 구조의 장단점은?	현재의 사물인터넷 구조에서 각종 센서 및 스마트기기로부터 입수되는 데이터 및 정보들은 클라우드 컴퓨팅 장치에서 처리된다. 이러한 중앙형 처리 구조는 대규모의 컴퓨팅 자원을 이용해서 효과적으로 정보를 처리할 수 있다는 장점은 있으나, 장애 발생 시 파급 효과가 크며, 종단간 전송 및 처리 지연이 발생할 수 있다는 단점도 존재한다[2,3]. 자율주행 자동차와 같이 초저지연 통신을 요구하는 서비스의 경우에는 지연 시간 감축을 위해서 중앙형 클라우드 컴퓨팅 대신에 포그 컴퓨팅과 같은 에지 컴퓨팅 기술을 활용하고자 많은 연구가 진행 중이다[4,5].
	블록체인의 장점은?	블록체인은 전자서명, 해시함수 등 암호화 기술을 이용하는 암호화폐인 비트코인을 지원하기 위해서 개발되었다[11]. 중앙의 관리자가 없이도 공개된1) 네트워크에 참가한 사람들에 의해서 생성된 거래 내역이 참임을 증명하는 것에 대해서 합의를 이룰 수 있고(따라서 ‘분산형 합의’라 한다.), 모든 거래 내역을 추적할 수 있으며, 한번 거래된 내역을 위변조하기 어렵다는 장점을 지니고 있다. 분산되고 독립적이며 개방된 원장 관리의 장점으로 인해서 암호화폐 이외에도 에너지, 수송, 물류, 헬스케어, 금융, 스마트시티 등 다양한 응용으로 그 쓰임새가 확대되고 있다[3].
	IBM이 '블록체인-사물 인터넷 개념 증명'을 위해 제시한 3가지 피어 구조는 무엇인가?	IBM은 확장성 및 보안이 강화된 블록체인-사물 인터넷 개념 증명을 위해서 3가지 피어 구조를 제시하였다[9]. Light peer는 가벼운 응용을 지원하는 작은 센서, 기기 등과 같이 낮은 메모리 및 저장공간을 갖춘 기기들에 적용될 수 있는 구조이다. 블록체인을 저장하지 않으며, 블록체인 주소 및 잔고를 저장하는 가벼운 지갑(light wallet)을 관리한다. 자신과 관련된 블록체인 내의 트랜잭션을 얻기 위해서는 light peer는 다른 신뢰할 수 있는 피어를 의지한다. Standard peer는 핵심 프로토콜은 light peer와 유사하나, 일정 기간 동안 블록체인의 일부를 보유할 수 있다. 이는 자신의 최근 트랜잭션이나 계약 상의 합의일 수 있다. Standard peer는 light peer의 파일 교환을 지원하며 피어들 간에 메시지 교환을 수행한다. Peer Exchange는 높은 처리 능력 및 저장 공간을 갖춘 고성능 기기로서, 조직이나 기관이 운용하는 피어이다. 블록체인 전체를 저장하고 복합한 질의 및 블록체인 분석 등의 기능을 수행하게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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