[논문]블록체인을 이용하여 다층 네트워크를 확장한 확률 기반의 IoT 관리 모델

정윤수

doi:10.15207/jkcs.2020.11.4.033

블록체인을 이용하여 다층 네트워크를 확장한 확률 기반의 IoT 관리 모델
Probability-based IoT management model using blockchain to expand multilayered networks 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.4, 2020년, pp.33 - 39

초록
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최근 LTE보다 빠른 속도와 안정을 가진 5G 기술에 대한 기대감이 증가하고 있는 가운데 5G 통신 보안에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나, 5G는 현재까지 이질적인 영역이 서로 포함되어 있어서 보안 영역에 대한 문제들을 아직 완벽하게 지원하고 있지 않다. 본 논문은 5G 환경에서 IoT 장치의 인증을 블록체인에 적용한 확률 기반의 IoT 관리모델을 제안한다. 제안 모델은 IoT 장치의 인증을 확률적 이론과 물리적 구조를 효율적으로 융합하기 위해서 n 계층의 IoT 사용자를 n+1 계층과 n-1 계층의 관리자가 쌍방향 인증이 이루어지도록 2개의 랜덤키를 역으로 사용한다. 제안 모델은 5G 환경의 IoT 사용자에 대한 인증을 확률적 기반으로 IoT 정보를 계층화시킨 후 IoT 정보를 가중치에 적용하여 그룹핑된 IoT 정보를 블록체인으로 연결한다. 또한, 제안 모델은 5G 네트워크를 계층화된 다층 네트워크로 분할하기 때문에 기존 블록체인보다 향상된 기능을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

Interest in 5G communication security has been growing recently amid growing expectations for 5G technology with faster speed and stability than LTE. However, 5G has so far included disparate areas, so it has not yet fully supported the issues of security. This paper proposes a blockchain-based IoT management model in order to efficiently provide the authentication of users using IoT in 5G In order to efficiently fuse the authentication of IoT users with probabilistic theory and physical structure, the proposed model uses two random keys in reverse direction at different layers so that two-way authentication is achieved by the managers of layers and layers. The proposed model applied blockchain between grouped IoT devices by assigning weights to layer information of IoT information after certification of IoT users in 5G environment is stratified on a probabilistic basis. In particular, the proposed model has better functions than the existing blockchain because it divides the IoT network into layered, multi-layered networks.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. IoT operation process of proposed model
표 Table 1. Notations
그림 Fig. 2. Multi hash chain process of IoT device
그림 Fig. 3. Processing time of IoT device
표 Table 2. Environment Setup
그림 Fig. 4. Efficiency between IoT device
그림 Fig. 5. Overhead of Server

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 5G환경에 적합한 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안한다. 제안 모델은 n계층의 IoT 사용자의 정보를 인증하기 위해서 n+1 계층과 n-1 계층의 정보를 쌍방향으로 교차 인증하도록 임의의 2개 랜덤키를 사용하는 점과 IoT 장치의 가중치 정보 정보를 블록체인을 적용하여 누적 확률값을 사용하는 점이 가장 큰 특징이다.
본 논문에서는 IoT 장치를 사용하는 사용자의 인증을 5G 환경에서 제공하기 위한 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안한다. 제안 모델의 특징은 계층적 구조로 배치된 특정 IoT 장치를 효율적으로 인증하기 위해서 IoT 장치가 위치한 계층에서 n+1 계층과 n-1 계층의 쌍방향 인증을 수행한다.
그러나, 5G 기술은 아직까지 완전하게 보안 서비스를 제공하지 않아 이에 대한 해결책이 필요한 상황이다. 본 논문은 5G 환경에서 IoT 장치의 인증을 안전하게 제공도록 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안하였다. 제안 모델은 n 계층의 IoT 장치를 효율적으로 인증하기 위해서 n+1 계층과 n-1 계층에서 쌍방향으로 인증을 수행하기 2개의 임의의 랜덤키를 사용하였다.
이 절에서는 확률이론을 이용하여 5G에서 동작하는 IoT 장치의 개인 정보를 처리하기 위해서 블록체인을 적용한 관리 모델을 제안한다. 제안 모델은 n계층에서 쌍방향으로 IoT 장치를 교차 인증하도록 2개의 랜덤 키를 사용한다.

제안 방법

둘재, 제안모델은 IoT 장치 안전하게 인증하기 위해서 2개의 랜덤키를 각각 n+1 계층과 n-1 계층에 임의로 나누어 인증함으로써 n+1 계층과 n-1 계층의 쌍방향 인증이 수행되도록 한다.
둘재, 제안모델은 IoT 장치 인증을 위해서 생성한 2개의 랜덤키를 n+1 계층과 n-1 계층의 쌍방향 인증을 위해 사용한다.
그림 4의 결과는 IoT 장치의 정보를 송⋅수신할 때 병목현상을 최소화하기 위해서 2개의 랜덤키를 각각 n+1 계층과 n-1 계층에서 쌍방향 인증을 수행하도록 하였기 때문이다. 또한, IoT 장치의 무결성을 보장하기 위해서 임의의 랜덤키 와 대응되는 공개키를 사용했다.
제안 모델은 n 계층의 IoT 장치를 효율적으로 인증하기 위해서 n+1 계층과 n-1 계층에서 쌍방향으로 인증을 수행하기 2개의 임의의 랜덤키를 사용하였다. 또한, 제안 모델은 계층적으로 구성된 IoT 장치에게 인증 키를 부여하여 다중 해쉬 체인에 적용하였다. 성능평가 결과, IoT 장치의 효율성은 5G 기반 IoT 장치의 효율성은 4G 기반 IoT 장치의 효율성보다 평균 13.
셋째, IoT 장치에 대한 가중치 정보를 블록체인 기술에 적용하도록 다중 해쉬 체인을 사용한다. 제안 모델에 블록체인 기반의 다중 해쉬 체인을 사용하는 이유는 계층적 구조로 분포된 IoT 장치를 안전하게 인증하기 위해서이다.
셋째, 가중치 정보를 부여할 때 블록체인 기반의 해쉬 체인을 사용하여 IoT 인증 키를 구분하여 사용함으로써 인증 정확도를 최적화한다.
제안 기법은 그림 1처럼 계층적 구조로 IoT 장치를 그룹 별로 분류한 후 그룹 내 인증키를 생성한다. 계층적 구조로 네트워크로 구성된 IoT 장치들은 IoT 장치의 중요 정보를 수집하여 전달하는 중간 파티를 선정한다.
제안 모델에서 IoT 인증은 시드 키를 이용하여 IoT장 치를 동기화하면서 제3자가 IoT 장치의 정보를 알 수 없도록 인증을 수행한다. 제안 모델은 시드키를 이용하여 n계층 레벨에서 IoT 장치를 n+1계층과 n-1계층 사이에서 양방향 인증한다.
제안 모델에서 IoT 장치의 암⋅복호 과정을 효율적으로 수행하기 위해서는 계층별 IoT 장치의 중요 정보를 서로 연계하도록 임의의 2개의 랜덤키를 암⋅복호 과정 에서 사용한다.
제안 모델은 IoT 장치 관리를 위해서 암⋅복호 단계, 가중치 정보 부여단계, 인증 단계 등 3단계로 나뉘어 동작한다.
제안 모델은 IoT 장치 관리를 효율적으로 수행하기 위해서 암⋅복호 단계, 가중치 정보 부여단계, 인증 단계등 3단계로 나뉘어 동작한다.
제안 모델은 IoT 장치의 가중치 정보를 블록체인 기술에 적용하여 누적 확률값을 가중치에 적용함으로써 IoT 장치의 인증 정확도를 향상시키고 있다.
본 논문은 5G 환경에서 IoT 장치의 인증을 안전하게 제공도록 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안하였다. 제안 모델은 n 계층의 IoT 장치를 효율적으로 인증하기 위해서 n+1 계층과 n-1 계층에서 쌍방향으로 인증을 수행하기 2개의 임의의 랜덤키를 사용하였다. 또한, 제안 모델은 계층적으로 구성된 IoT 장치에게 인증 키를 부여하여 다중 해쉬 체인에 적용하였다.
이 절에서는 확률이론을 이용하여 5G에서 동작하는 IoT 장치의 개인 정보를 처리하기 위해서 블록체인을 적용한 관리 모델을 제안한다. 제안 모델은 n계층에서 쌍방향으로 IoT 장치를 교차 인증하도록 2개의 랜덤 키를 사용한다. 또한, n-1계층에 가중치를 포함하도록 IoT 장치의 정보를 블록체인 기술에 적용하고 있다.
본 논문에서는 5G환경에 적합한 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안한다. 제안 모델은 n계층의 IoT 사용자의 정보를 인증하기 위해서 n+1 계층과 n-1 계층의 정보를 쌍방향으로 교차 인증하도록 임의의 2개 랜덤키를 사용하는 점과 IoT 장치의 가중치 정보 정보를 블록체인을 적용하여 누적 확률값을 사용하는 점이 가장 큰 특징이다.
제안 모델은 누적 확률값으로 할당된 IoT 장치의 가중치를 일정 간격으로 유지함으로써 서버와 IoT 장치, IoT 장치와 IoT 장치 간 동기화를 유지 및 검증할 수 있다.
제안모델은 확률 이론을 기반으로 블록체인을 IoT 보안에 적용하기 위해서 암⋅복호 단계, 가중치 정보 부여 단계, 인증 단계 등 3단계로 나뉘어 동작한다. 제안 모델은 블록체인과 확률이론을 IoT 장치에 적용하여 효율적인 인증과 정확도를 다음과 같이 수행한다.
본 논문에서는 IoT 장치를 사용하는 사용자의 인증을 5G 환경에서 제공하기 위한 블록체인 기반의 IoT 보안 모델을 제안한다. 제안 모델의 특징은 계층적 구조로 배치된 특정 IoT 장치를 효율적으로 인증하기 위해서 IoT 장치가 위치한 계층에서 n+1 계층과 n-1 계층의 쌍방향 인증을 수행한다. 이 때, 제안 모델은 쌍방향 으로 2개의 임의의 랜덤키를 생성하여 중복되지 않게 교차 사용한다.
제안모델은 확률 이론을 기반으로 블록체인을 IoT 보안에 적용하기 위해서 암⋅복호 단계, 가중치 정보 부여 단계, 인증 단계 등 3단계로 나뉘어 동작한다.
첫째, 5G 환경에서 운용되고 있는 IoT 장치의 병목현 상을 최소화하기 위해서 중앙 서버의 권한에 의존하지 않는 계층적 분산 네트워크 구조로 네트워크를 구성한다.

데이터처리

이 절에서 얻은 시뮬레이션 결과는 Table 2와 같은 다양한 매개변수에 대한 몬테카를로 시뮬레이션의 평균에 기초하여 성능평가를 수행하였다. 시뮬레이션 부분에서 network coverage radius는 1000m로 설정하고, 대여폭은 20MHz / 10MHz으로 설정한다.

이론/모형

제안 모델은 IoT 장치 관리를 위해서 암⋅복호 단계, 가중치 정보 부여단계, 인증 단계 등 3단계로 나뉘어 동작한다. 제안 모델은 가중치 정보 부여단계에서 블록체인과 확률 이론을 적용하였다. 제안 모델은 IoT 장치의 계층화된 누적 확률 값을 IoT 인증에 활용하기 때문에 IoT 장치 인증에 대한 정확도를 높일 수 있다.

성능/효과

IoT 장치의 처리 시간은 5G 기반 IoT 장치의 처리시간이 4G 기반 IoT 장치의 처리시간보다 평균 24.5% 높았다.
5% 높았다. IoT 장치의 효율성은 5G 기반 IoT 장치의 효율성은 4G 기반 IoT 장치의 오버헤드보다 평균 5.7% 낮았다. 향후 연구에서는 다양한 5G 환경에 제안 모델을 적용하여 제안 모델의 문제점 및 보완 사항을 추가적으로 연구 수행할 계획이다.
3은 계층별로 그룹핑된 IoT 장치의 정보를 송⋅ 수신할 때 발생되는 처리시간을 비교한 결과를 보여주고 있다. 그림 3의 실험 결과, IoT 장치의 처리 시간은 5G 기반 IoT 장치의 처리시간 보다 4G 기반 IoT 장치보다 평균 24.5% 높았다. 그림 4의 실험 결과처럼 IoT 장치의 처리시간은 블록체인 기술과 확률이론을 사용하여 IoT 장치를 계층별로 병합 처리하였기 때문에 나타난 결과이다.
4은 5G 환경에 IoT 장치를 적용하였을 경우 IoT 장치의 중요 정보를 n계층에 위치한 IoT 장치가 처리 하였을 때의 효율성을 나타낸 결과이다. 그림 4의 실험 결과처럼, IoT 장치의 효율성은 5G 기반 IoT 장치의 효율성은 4G 기반 IoT 장치의 효율성보다 평균 13.6% 향상되었다.
제안 모델에서 IoT 장치의 암⋅복호 과정을 효율적으로 수행하기 위해서는 계층별 IoT 장치의 중요 정보를 서로 연계하도록 임의의 2개의 랜덤키를 암⋅복호 과정 에서 사용한다. 또한, 제안 모델에서는 5G 통신 환경에 부합하도록 공개키 방식과 비밀키 방식을 모두 사용하여 IoT 장치의 무결성을 보장한다. 공개키 방식과 비밀키 방식을 모두 사용해도 5G의 속도가 빨라 암⋅복호에 사용되는 시간은 크게 반영되지 않는다.
또한, 제안 모델은 계층적으로 구성된 IoT 장치에게 인증 키를 부여하여 다중 해쉬 체인에 적용하였다. 성능평가 결과, IoT 장치의 효율성은 5G 기반 IoT 장치의 효율성은 4G 기반 IoT 장치의 효율성보다 평균 13.6% 향상되었다. IoT 장치의 처리 시간은 5G 기반 IoT 장치의 처리시간이 4G 기반 IoT 장치의 처리시간보다 평균 24.
제안 모델은 확률적 기반으로 IoT 정보를 계층화시킨후 IoT 정보의 계층 정보에 가중치를 블록체인 기반으로 할당하기 때문에 기존 블록체인의 문제점을 해결하고 있다.

후속연구

7% 낮았다. 향후 연구에서는 다양한 5G 환경에 제안 모델을 적용하여 제안 모델의 문제점 및 보완 사항을 추가적으로 연구 수행할 계획이다.

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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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