[논문]블록체인 DPoS 합의 알고리즘을 활용한 IoT 장치 관리 시스템 개발

김미희; 김영민

doi:10.7471/ikeee.2019.23.2.508

[국내논문] 블록체인 DPoS 합의 알고리즘을 활용한 IoT 장치 관리 시스템 개발
Development of IoT Device Management System Using Blockchain DPoS Consensus Algorithm 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.2, 2019년, pp.508 - 516

김미희 (Dept. of Computer Science & Eng., Computer System Institute, Hankyong National University) , 김영민 (Dept. of Computer Science & Eng., Computer System Institute, Hankyong National University)

초록
AI-Helper

다양한 IoT 기기로 구성된 스마트 홈에서는 편리하고 효율적인 서비스를 제공한다. 그러나 사적인 영상과 음성과 같은 민감한 정보까지 수집 및 처리될 뿐 아니라 인터넷을 통해 공유될 수 있어서 보안이 중요하다. 이러한 스마트 홈 IoT 장치 관리를 위하여 데이터 무결성 및 안전성을 제공하기 위해 블록체인 기술을 활용하고자 한다. 본 논문에서는 기존 검증을 위한 연산을 지속적으로 수행해야 하는 PoW(작업 증명) 블록체인에서 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS(지분 증명), 그 중에서 확장성 부분을 해결하고자 하는 DPoS(위임 지분 증명) 방식으로 스마트 홈 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계를 제안한다. DPoS 체계인 EOSIO 기반으로 제안시스템을 구현하여 실현가능성을 보이고, 성능평가를 통해 트랜잭션 처리 속도 측면의 성능 향상을 보이고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Smart home with various IoT devices provides convenient and efficient services. However, security is important because sensitive information such as private video and audio can be collected and processed, as well as shared over the Internet. To manage such smart home IoT devices, we use blockchain technology that provides data integrity and secure management. In this paper, we utilize a PoS(Proof of Stake) method that verifies the block through the accumulated stake in the network rather than the computation power, out of the PoW(Proof of Work) block chain, in which the computation for the existing verification must be continuously performed. Among them, we propose a blockchain based system with DPoS(Delegated Proof of Stake) method to actively solve the scalability part, for security that is suitable for smart home IoT environment. We implement the proposed system with DPoS based EOSIO to show realization, and we show performance improvement in terms of transaction processing speed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Block structure of Bitcoin. 그림 1. 비트코인의 블록 구조
표 Table 1. Comparison of consensus algorithms. 표 1. 합의 알고리즘의 비교
그림 Fig. 2. Proposed system structure. 그림 2. 제안 시스템 구조도
그림 Fig. 3. Contract structure. 그림 3. 컨트랙트 구조
그림 Fig. 4. Development diagram based on EOSIO. 그림 4. EOSIO로 구현 구성도
그림 Fig. 5. Mutisig sequence diagram. 그림 5. 다중서명 시퀀스 다이어그램
그림 Fig. 6. Sequence diagram of permission setting. 그림 6. 권한 설정의 시퀀스 다이어그램
그림 Fig. 7. Sequence diagram of data request. 그림 7. 자료 요청의 시퀀스 다이어그램
그림 Fig. 8. Transactions in block. 그림 8. 블록 내 트랜잭션
표 Table 2. Gateway specification. 표 2. 게이트웨이 사양
표 Table 3. Block size per block size. 표 3. 트랜잭션 수 당 블록 사이즈
그림 Fig. 9. Transaction time of consensus algorithms. 그림 9. 합의 알고리즘들의 트랜잭션 처리 속도
그림 Fig. 10. Experiment of authority record. 그림 10. 권한 기록 실험

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Ⅵ. 결론

본 논문에서는 다양한 사양의 스마트 홈 IoT 장치의 안전한 관리를 위하여 블록체인 기술을 활용한 관리 시스템을 제안하였다. 기존 검증을 위한 연산을 지속적으로 수행해야 하는 PoW 블록체인에서 벗어나 연산력이 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS 방식, 그중에서 확장성 부분을 적극적으로 해결하고자 하는 DPoS 방식으로 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계를 제안하였다.
이는 네트워크에서 다량의 트랜잭션을 처리할 필요가 있어야 함을 보인다. 네트워크에서 생성된 데이터와 그 데이터 또는 장치에 대한 접근권한 등의 설정 정보 변조를 막기 위해서 본 논문에서는 블록체인 기술을 활용하고자 한다. 이를 통해 데이터의 무결성과 가용성을 모두 확보한 체계를 구축한다.
그러나 이러한 구조에서도 클라우드 서버가 노출되는 경우 데이터의 안전성을 보장할 수 없다. 본 논문에서는 블록체인 기술을 통해 IoT 기기 관리의 안전성을 제공하고 블록체인의 블록을 생성하는데 많은 연산력이 요구되지 않는 합의 알고리즘을 사용하고자 한다.

제안 방법

그림 5는 다중서명을 위한 시퀀스 다이어그램이다. 게이트웨이와 사용자의 서명을 동시에 요구하는 다중서명(Multisig) 트랜잭션을 네트워크에 올려서 게이트웨이가 사용자 소유임을 증명하는 블록을 네트워크에 올린다. 이를 통해 사용자는 게이트웨이로 구성된 네트워크의 권한 정보를 수정할 수 있는 권한을 가진다.
제안하는 시스템 프레임워크는 DPoS 기반의 블록체인 플랫폼을 기반으로 한다. 그 중 대중적인 DPoS 체계인 EOS를 개발하는데 사용한 EOSIO를 통해 구현한다.
본 논문에서는 다양한 사양의 스마트 홈 IoT 장치의 안전한 관리를 위하여 블록체인 기술을 활용한 관리 시스템을 제안하였다. 기존 검증을 위한 연산을 지속적으로 수행해야 하는 PoW 블록체인에서 벗어나 연산력이 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS 방식, 그중에서 확장성 부분을 적극적으로 해결하고자 하는 DPoS 방식으로 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계를 제안하였다. 이러한 블록체인 기반 관리 시스템은 다른 IoT 응용에서도 적용가능 할 것이다.
자료 요청 트랜잭션을 반복적으로 네트워크에 전송하여 승인된 트랜잭션의 수를 확인하고, 트랜잭션 수 당 블록 사이즈를 측정하였다. 또한 PoW와 비교하여 트랜잭션 처리속도를 측정하였다. 실험에서 사용된 기본 게이트웨이 사양은 표 2와 같다.
본 논문에서는 스마트 홈 IoT 장치 관리를 위해 기존 인증 메커니즘의 다양화로 인한 연동 문제를 해결하기 위해 블록체인 기술을 적용한다. 블록체인 기술을 활용한 IoT 장치 관리에 대한 기존 연구에서 블록 검증 절차로 인해 많은 연산력이 요구되는 문제와 데이터 무결성 확인 문제를 개선한 단일블록체인 네트워크를 제안한다.
본 장에서는 DPoS 합의 알고리즘을 이용하여 다양한 IoT 기기들을 안전하고 낮은 오버헤드의 블록체인 기반 관리 시스템을 제안한다.
본 논문에서는 스마트 홈 IoT 장치 관리를 위해 기존 인증 메커니즘의 다양화로 인한 연동 문제를 해결하기 위해 블록체인 기술을 적용한다. 블록체인 기술을 활용한 IoT 장치 관리에 대한 기존 연구에서 블록 검증 절차로 인해 많은 연산력이 요구되는 문제와 데이터 무결성 확인 문제를 개선한 단일블록체인 네트워크를 제안한다. 제안하는 구조는 연산력이 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS(Proof of Stake, 지분 증명) 방식, 그 중에서 확장성 부분을 적극적으로 해결하고자 하는 DPoS(Delegated PoS, 위임 지분 증명) 방식으로 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계이다.
해당 네트워크는 온도, 습도, 조도 등의 환경 변수를 수집하기 위해 만들어졌다. 센서 장치들의 트랜잭션 발생 주기 등을 토대로 네트워크에서 처리해야 할 트랜잭션 수를 이용하고자 한다. 자료 요청 트랜잭션을 반복적으로 네트워크에 전송하여 승인된 트랜잭션의 수를 확인하고, 트랜잭션 수 당 블록 사이즈를 측정하였다.
센서 장치들의 트랜잭션 발생 주기 등을 토대로 네트워크에서 처리해야 할 트랜잭션 수를 이용하고자 한다. 자료 요청 트랜잭션을 반복적으로 네트워크에 전송하여 승인된 트랜잭션의 수를 확인하고, 트랜잭션 수 당 블록 사이즈를 측정하였다. 또한 PoW와 비교하여 트랜잭션 처리속도를 측정하였다.
블록체인 기술을 활용한 IoT 장치 관리에 대한 기존 연구에서 블록 검증 절차로 인해 많은 연산력이 요구되는 문제와 데이터 무결성 확인 문제를 개선한 단일블록체인 네트워크를 제안한다. 제안하는 구조는 연산력이 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS(Proof of Stake, 지분 증명) 방식, 그 중에서 확장성 부분을 적극적으로 해결하고자 하는 DPoS(Delegated PoS, 위임 지분 증명) 방식으로 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계이다.
제안하는 시스템 프레임워크는 DPoS 기반의 블록체인 플랫폼을 기반으로 한다. 그 중 대중적인 DPoS 체계인 EOS를 개발하는데 사용한 EOSIO를 통해 구현한다.
[4]에서는 홈 IoT 관리를 위해서 PoW(Proof of Work, 작업 증명) 합의 알고리즘 기반 스마트 컨트랙트가 동작하는 네트워크를 제안하였다. 하나의 메인 네트워크와 각 가정마다 만든 비공개 네트워크를 기반으로 홈 IoT의 권한 관리와 위협 탐지를 구현하였다. PoW 합의 알고리즘에서는 블록에 담긴 트랜잭션의 무결성 검증을 위해 지속적인 컴퓨팅 파워를 제공해야 하며 동시에 트랜잭션 처리속도에 영향을 주게 되는 문제가 있다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 시스템은 블록체인 네트워크와 스마트 컨트랙트, 게이트웨이, 사용자, IoT 장치로 구성된다. 게이트웨이는 사용자와 IoT 장치로부터 전송받은 데이터를 블록체인 네트워크로 전송한다.

이론/모형

본 논문의 성능 평가를 위해 [15]에서 구축한 센서 네트워크에서의 프로세싱 이벤트를 활용하였다. 해당 네트워크는 온도, 습도, 조도 등의 환경 변수를 수집하기 위해 만들어졌다.
블록체인을 통해 무결성을 유지하려는 시도는 PoW 합의 알고리즘으로 시작되었다. 이 무결성은 유지한 채로 트랜잭션 속도를 통해 확장성까지 확보하는 것이 본 논문에서 사용한 DPoS 기반의 블록체인 시스템이다.

성능/효과

EOSIO를 통해 개발되어 운영되는 EOS의 경우 투표를 통해 블록을 생산하는 노드, BP(Block Producer)를 결정한다[12]. 가장 많은 투표 지분을 확보한 노드가 BP로 결정되며 그 결과로 분산성은 다소 낮아지지만 가용성과 확장성을 확보하였다. 표 1에서는 이러한 합의 알고리즘을 비교하였다.

후속연구

PoS 기반 합의 알고리즘은 트랜잭션 속도가 빠르지만 많은 지분을 가진 노드의 악성 행위를 막기 어렵다. PoS의 블록 생성 방식을 모든 노드가 아닌 대표를 선출하고 대표 노드 간 합의를 통해 블록을 생성하는 DPoS 기반으로 IoT 보안을 관리한다면 악성 행위를 하는 노드를 저지함과 동시에 처리 속도에 영향이 적고 트랜잭션의 기록이 영구적으로 남는 점을 활용할 수 있을 것이다.
기존 검증을 위한 연산을 지속적으로 수행해야 하는 PoW 블록체인에서 벗어나 연산력이 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS 방식, 그중에서 확장성 부분을 적극적으로 해결하고자 하는 DPoS 방식으로 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계를 제안하였다. 이러한 블록체인 기반 관리 시스템은 다른 IoT 응용에서도 적용가능 할 것이다. 향후, 일반적인 홈 게이트웨이가 대용량 저장 장치를 가지고 있지 않으므로 용량 문제에서 자유로운 시스템 체계를 연구할 것이다.
이러한 블록체인 기반 관리 시스템은 다른 IoT 응용에서도 적용가능 할 것이다. 향후, 일반적인 홈 게이트웨이가 대용량 저장 장치를 가지고 있지 않으므로 용량 문제에서 자유로운 시스템 체계를 연구할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IoT 기반 스마트 홈은 어떤 체계인가?	IoT 기반 스마트 홈은 조명 및 난방 장치 등을 원격으로 제어 및 모니터링하고, 정의된 패턴을 통해 해당 장치들의 작동을 자동화하는 체계이다[6]. 스마트 홈은 크게 내부 환경과 외부 환경으로 나눈다.
	블록체인은 무엇을 제공하는가?	블록체인은 제 3의 신뢰 기관(Trusted Third Party) 없이 분산 원장과 네트워크의 참여자(노드) 간 합의로 트랜잭션을 검증하고 블록을 생성하여 데이터의 무결성을 제공한다[2]. 블록체인 기술은 높은 보안성을 제공하고 모든 기록이 공개적으로 접근 가능하다.
	IoT 기반 스마트 홈의 내부환경과 외부환경은 어떤 기능을 수행하는가?	스마트 홈은 크게 내부 환경과 외부 환경으로 나눈다. 내부 환경에서는 댁내에서 백색가전 및 센서들로 구성된 IoT 장치 네트워크들과 사용자로부터 명령을 받거나 상태정보를 모니터링 할 수 있도록 사용자인터페이스가 제공되고, 이들은 홈 게이트웨이를 통해 연결되어 있다. 외부 환경에서는 내부환경의 스마트 홈을 인터넷을 통해 서비스제공자와 컨텐츠 제공자를 연결해 주어 스마트 홈에서 발생한 데이터의 분석이나 응용서비스를 제공한다. 즉 홈 게이트웨이는 스마트홈 내의 장치들을 하나의 네트워크로 연결하고 외부 환경과의 연결을 통해 서비스 제공자, 사용자, 스마트 홈을 연결한다.

참고문헌 (15)

B. L. Risteska Stojkoska and K. V. Trivodaliev, "A review of Internet of Things for smart home: Challenges and solutions," Journal of Cleaner Production, vol.140, pp.1454-1464, 2017. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.10.006

상세보기
Y. Seo, J. Song, Y. Kong, "Blockchain Technology: Prospect and Implications in Perspective of Industry and Society," SPRI Issue Report, No.2017-004, 2017.
A. Dorri, S. S. Kanhere, R. Jurdak, and P. Gauravaram, "Blockchain for IoT security and privacy: The case study of a smart home," in Proc. of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops), pp.618-623, 2017. DOI: 10.1109/PERCOMW.2017.7917634
Y. Zhang, S. Kasahara, Y. Shen, X. Jiang, and J. Wan, "Smart Contract-Based Access Control for the Internet of Things," arXiv:1802.04410 [cs], 2018. DOI: 10.1109/JIOT.2018.2847705

상세보기
EOSIO, https://github.com/eosio
V. Ricquebourg, D. Menga, D. Durand, B. Marhic, L. Delahoche, and C. Loge, "The Smart Home Concept: our immediate future," in Proc. of 1ST IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics, Hammamet, pp.23-28, 2006. DOI: 10.1109/ICELIE.2006.347206
K. Kim, et. al., "IoT based smart home service framework technology," Broadcasting and Media Magazine, Vol.20, No.3, pp.290-302, 2018. DOI: 10.1109/MobServ.2015.66
M. Kim, "A Scheme of IoT Device Management using Virtual Machine at Edge Cloud," Master Thesis, Kyungnam Univ., 2019.
S. Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System," 2008, https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
"Introduction to Smart Contracts-Solidity 0.5.8 documentation." https://solidity.readthedocs.io/en/v0.5.8/introduction-to-smart-contracts.html
V. Buterin, "On Stake," Jul. 2014. https://blog.ethereum.org/2014/07/05/stake/
B. Xu, D. Luthra, Z. Cole, and N. Blakely, "EOS: An Architectural, Performance, and Economic Analysis," https://whiteblock.io/library/eos-test-report.pdf
"Blockchain speeds & the scalability debate $\mid$ Blocksplain." https://blocksplain.com/2018/02/28/transaction-speeds/
X. Hao, L. Yu, L. Zhiqiang, L. Zhen, and G. Dawu, "Dynamic Practical Byzantine Fault Tolerance," in Proc. of IEEE Conference on Communications and Network Security (CNS), Beijing, pp.1-8, 2018. DOI: 10.1109/CNS.2018.8433150
Y. Liu, Y. He, M. Li, J. Wang, K. Liu, and X. Li, "Does Wireless Sensor Network Scale? A Measurement Study on GreenOrbs," IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst., vol.24, no.10, pp.1983-1993, 2013. DOI: 10.1109/TPDS.2012.216

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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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