[논문]블록체인 기반 스마트 미터 집계 보안 시스템 구축

김용길; 문경일

doi:10.7236/jiibc.2020.20.2.1

블록체인 기반 스마트 미터 집계 보안 시스템 구축
Implementation of Secure System for Blockchain-based Smart Meter Aggregation 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.2, 2020년, pp.1 - 11

김용길 (조선이공대학교 컴퓨터보안과) , 문경일 (호남대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

스마트 그리드 환경의 중요한 기본 구성 요소라 할 수 있는 스마트 미터기는 유틸리티 기관에게 실시간 전력소비 정보를 제공한다. 그렇지만, 스마트 미터기에 의한 전력 소비 데이터 집계 과정에서 정보 보안 및 사생활 보호를 보장하는 작업은 쉽지 않다. 최근 몇 년 동안 특정 소비자의 전력 소비 정보 추출을 방지하는 정보 보안 데이터 집계 프로세스에 관해 많은 연구가 있었으나 대부분 내부 공격자로부터 안전하지 않거나 데이터 무결성을 제공하지 못하고 있다. 게다가, bilinear pairing 또는 hash-to-point 작업이 스마트 미터기에서 수행되기 때문에 계산 비용이 만족스럽지 않은 상황이다. 현재 에너지 공급 회사, 신생 기업, 기술 개발자, 금융 기관, 국가 정부 및 학계에서 큰 관심을 끌고 있는 기술로 블록체인 또는 분산 원장 기술이 활발히 연구되고 있다. 특히, 전력 소비 네트워크와 관련하여 블록체인은 상당한 이점과 혁신을 가져올 것으로 소개되고 있다. 이에 본 연구에서는 블록체인 기술을 사용한 분산된 전력 소비 정보 보호 및 보안 미터 데이터 집계 시스템을 제안하고, 손쉽게 구현할 수 있는 자바 프로그램을 나타낸다. 여기에서 스마트 미터 데이터는 계층적 Merkle 트리에 의해 집계 및 검증되며, 비잔틴 결함 허용 프로토콜에 의한 합의 방식이 지원된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As an important basic building block of the smart grid environment, smart meter provides real-time electricity consumption information to the utility. However, ensuring information security and privacy in the smart meter data aggregation process is a non-trivial task. Even though the secure data aggregation for the smart meter has been a lot of attention from both academic and industry researchers in recent years, most of these studies are not secure against internal attackers or cannot provide data integrity. Besides, their computation costs are not satisfactory because the bilinear pairing operation or the hash-to-point operation is performed at the smart meter system. Recently, blockchains or distributed ledgers are an emerging technology that has drawn considerable interest from energy supply firms, startups, technology developers, financial institutions, national governments and the academic community. In particular, blockchains are identified as having the potential to bring significant benefits and innovation for the electricity consumption network. This study suggests a distributed, privacy-preserving, and simple secure smart meter data aggregation system, backed up by Blockchain technology. Smart meter data are aggregated and verified by a hierarchical Merkle tree, in which the consensus protocol is supported by the practical Byzantine fault tolerance algorithm.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. 미터 시스템 운영 및 관련 개체 Fig. 1. Meter system operation and related objects
그림 그림 2. 블록체인 기반 스마트 미터 집계 Fig. 2. Blockchain-based Smart Meter Aggregation
그림 그림 3. 집계 블록 구조 Fig. 3. Aggregate block structure
그림 그림 4. 거래, 블록 생성 및 채굴 결과 Fig. 4. Transaction, block generation and mining results
그림 그림 5. 서버상의 최근 블록체인 Fig. 5. Recent blockchain on server

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 블록체인의 Merkle 해시 트리 기술을 사용하여 스마트 미터 집계 시스템을 보호하는 인증체계와 자바 구현을 나타낸다. 제안되는 블록체인 기반 스마트 미터 집계 시스템은 소비량 집계 관련 보안 및 개인정보 보호를 크게 높일 수 있다.
본 연구에서는 스마트 미터 데이터 섭동 및 집계와 관련하여 블록체인 접근 방식을 나타내고, 손쉽게 구현할수 있는 자바 코드를 작성하였다. 제안된 블록체인 기반전력 소비 데이터 집계 체계는 효율적이고 가벼운 방식으로 섭동 기술의 강력함과 암호화 시스템을 결합하여스마트 미터기와 같은 제한된 하드웨어 장치에 쉽게 적용할 수 있음을 확인하였다.
제안된 블록체인 기반전력 소비 데이터 집계 체계는 효율적이고 가벼운 방식으로 섭동 기술의 강력함과 암호화 시스템을 결합하여스마트 미터기와 같은 제한된 하드웨어 장치에 쉽게 적용할 수 있음을 확인하였다. 블록체인의 주요 목적은 중개자의 필요성을 제거하고 거래를 확인하고 원장의 무결성을 보호하기 위해 분산된 디지털 사용자 네트워크로 대체하는 것이다. 그렇지만, 에너지 관련 기관들이 블록체인 기술의 채택에 앞서 해결할 몇 가지 문제들이 있는 데, 무엇보다도 중요한 점은 체계적이고 기술적인 정보화를 위해서 분산 원장의 기본 원칙, 에너지 블록체인 시스템의 중요한 기술적 특성을 결정하는 시스템 아키텍처및 합의 알고리즘에 대한 고찰이 우선이고, 다음으로 에너지 부문에 대한 최적화된 블록체인 시스템 구축을 위한 여러 가지 사례와 비즈니스 기회를 검토할 필요가 있다.

제안 방법

각 블록의 타임 스탬프 및 해싱 값은 블록체인 네트워크에서 블록 추적을 가능하게 한다. Merkle 해시 트리는 블록의 모든 트랜잭션을 하나의 메시지 다이제스트로 인코딩하여 블록 유효성 검사를 효율적으로 수행한다. 특정 응용 프로그램의 경우에 관련된 비즈니스 규칙에 따라 블록체인 시스템의 실행을 지원하도록 서로 다른 사용자 정의, 합의 메커니즘 및 블록 구조를 설계할 수 있다.
데이터의 수집과 관련하여 같은 그룹의 다른 사용자로 부터 신원을 숨기려면 익명을 사용하여 사용자의 실제신원을 대체하고 각 사용자는 전력 소비 데이터를 여러익명으로 묶어서 더욱 난해하게 만들 수 있다. 각 소비자의 전력 소비 데이터를 각 시간대로 무작위 분할하고 소비량, 소인, 익명 등으로 구성된 순서쌍을 공개한다. 사용자 익명의 타당성 검토와 관련하여 소비자가 다른 소비자가 보낸 순서 쌍으로 구성된 전력 소비 데이터를 수신하면 발신자의 익명을 사용하여 서명을 확인한다.
제어 센터는 집계기를 통해 안전한개인 정보 보호 방식으로 각 부분 집합에 대한 전력 사용량 데이터의 합계를 얻을 수 있다. 개인 정보 보호를 위해 동형 암호 시스템을 사용하여 전력 소비 데이터를 집계한다. 이 체계의 단점은 자원이 제한된 스마트 계량기에 대해 계산 비용이 만족스럽지 못하고, 스마트 미터기가 손상되는 문제가 있다.
제출 방식은 검증자가 이러한 마디들을 사용하여 선택된 잎에서 루트에이르는 경로상에서 해시들을 계산할 수 있도록 마디들로 부터 해시값 집합을 트리의 각 레벨에서 하나씩 제공한다. 검증자는 먼저 1회 서명 방식에 따른 메시지 검증을 하고, 트리 루트에 이르는 경로를 따진 후에 계산된 해시값이 공용 키의 해시값에 부합되는지 검토한다. 잎마다하나의 메시지 서명이 주어지기 때문에, 서명하려는 메시지들이 어느 정도인지에 따라 매개 변수화 방식이 진행된다.
이것은 모든 노드가 참조하는 중앙집중식 블록체인을 갖는 것과 다르다. 또한, 합의 프로토콜과 관련해서 각 노드는 최근 블록체인을 얻기 위해서버에서 이를 검색하고 서버 블록체인과 자체 블록체인의 길이를 비교하는데, 암호 화폐의 프로토콜에 따라 더 긴블록체인이 채택된다. 즉, 로컬 블록체인이 더 길면 노드가 이를 유지하지만, 서버에 게시된 최신 블록체인이 더길면 노드는 서버 블록체인을 자체 블록체인으로 채택한다.
전력 소비자는 소비 유형에 따라 여러 그룹으로 나눌 수 있는데, 각 그룹에 대한 큐를 사용할 수 있다. 먼저, w개의 비트를 갖는 배열을 설정한 후에, k개의 해시 함수들을 사용하여같은 그룹에 있는 모든 익명에 대해 해시 처리를 한다. 해시 처리된 값을 w로 나눈 나머지가 인덱스의 값과 같다면 1로 처리한다.
즉, 블록이 검증되고 작업 증명 알고리즘이 구현된 이후에 추가된다. 본구현에서는 익명 검토 대신에 가장 최근 거래를 하는 노드 선택 관련 startMine()을 통해 작업 증명을 거친 후에블록을 체인에 추가하도록 한다. 작업 증명은 단순히 블록 마이닝 과정 중에 일부 연산이 진행되었음을 증명하는 방식으로 진행한다.
이어서 채굴 노드는 루트 해시, 소인, 이전 블록의 해시, 익명 및 평균을 블록 헤더에 기록되고, 새 블록은 메시지인증을 위해 다른 소비자에게 게시된다. 블록 검증과 관련하여, 새로운 블록을 수신한 후에 각 소비자는 기록의 타당성을 검토한다. 새 블록의 순서쌍이 올바른 경우에소비자는 이 블록을 자신의 데이터 집합에 저장된 블록체인에 연결한다.
마지막으로 보고서를 집계기로 보낸다. 스마트 미터기로부터 자료를 수집할 때 집계기는 배치 검증을 수행하여 미터기로부터 수신된 모든 서명을 확인한다. 집계프로토콜은 Man-in-the-Middle, 집계기 및 유틸리티기업에 대한 내외부 공격에 대해 안전한 것은 사실이지만, 배치 프로세싱의 계산 비용이 집계기에서 만족스럽지못한 단점을 가지고 있으며, 많은 미터기 배치와 관련해서 프로토콜이 효율적이지 못하다.
인증 기관은 초기 시스템 작동과 관련하여 예비 명령을 통해 프로그램을 로딩할 수 있도록 한다. 시스템 초기화 관련하여 키 생성, 데이터의 수집, 신원 인증, 마이닝 노드 선정, 새로운 블록 설정, 블록검증, 청구 단계를 진행한다. 키 생성과 관련해서는 두 개의 큰 소수 p, q를 선택하여 n = p*q를 계산한 후에, 1< e <E_n인 정수 e를 선택한다.

성능/효과

이러한 활동은 동적 청구 단계에서 실행된다. 마지막으로, 집중기로부터 다른 가격이 수령되면 고객은 고객 검증 단계에서 운영 센터의 청구를 확인할 수 있다.
각 서버는 Paillier 암호 해독 알고리즘을 사용하여 집계된 데이터를 암호 해독할 수 있다. 제안 방식은 악의적인 데이터 집중기 게이트웨이 또는 제어 센터로부터 고객의 개인 정보 보호가 가능하다. Wang이 제안한 신원 기반 데이터 집계 프로토콜로 주요 개념은 서명과 함께 식별자 기반 암호화 체계를 사용하는 것이다^[5].
본 연구에서는 블록체인의 Merkle 해시 트리 기술을 사용하여 스마트 미터 집계 시스템을 보호하는 인증체계와 자바 구현을 나타낸다. 제안되는 블록체인 기반 스마트 미터 집계 시스템은 소비량 집계 관련 보안 및 개인정보 보호를 크게 높일 수 있다. Merkle 해시 트리 구조는 분산 합의 알고리즘을 통해 효율적인 자료수집 및 저장을 원활하게 하는 분산 데이터 저장 시스템의 역할을 한다.
본 연구에서는 스마트 미터 데이터 섭동 및 집계와 관련하여 블록체인 접근 방식을 나타내고, 손쉽게 구현할수 있는 자바 코드를 작성하였다. 제안된 블록체인 기반전력 소비 데이터 집계 체계는 효율적이고 가벼운 방식으로 섭동 기술의 강력함과 암호화 시스템을 결합하여스마트 미터기와 같은 제한된 하드웨어 장치에 쉽게 적용할 수 있음을 확인하였다. 블록체인의 주요 목적은 중개자의 필요성을 제거하고 거래를 확인하고 원장의 무결성을 보호하기 위해 분산된 디지털 사용자 네트워크로 대체하는 것이다.
Merkle 해시 트리 구조는 분산 합의 알고리즘을 통해 효율적인 자료수집 및 저장을 원활하게 하는 분산 데이터 저장 시스템의 역할을 한다. 제안된 블록체인 네트워크는 모든 시스템 노드에서 공유 원장의 사본을 저장하고 동기화함으로써 단일 지점실패 및 신뢰성 문제를 효과적으로 방지한다. 특히, 블록체인이 분산성을 갖기 때문에 네트워크 전반에 걸친 블록체인 갱신과 관련하여, 블록을 채굴한 노드가 추가 사항을 전역적인 블록체인에 중계하여, 다른 블록 노드가볼 수 있도록 HTTP 서버로 보내는 방식으로 새 블록체인을 중계한다.
해커가 블록체인의 정보를 변경하려면 블록체인 일부를 검증하기 위해 51%의 마이닝 능력이 요구되는데, 사실상 거의 불가능하다. 즉, 해커의 처리 능력이 블록체인 마이닝 풀에서 전체 처리 능력의 51%를 차지해야 가능하다. 더 나아가서, 블록체인은 암호화를 사용하여 정보를 보호하고 체인을 주기적으로 검증하기 때문에 해킹은 더욱 불가능하다.

후속연구

이 체계에서, 스마트 미터의 익명 작업은 스마트 미터에 여러 개의 임시 식별자를 발행함으로써 달성된다. 제안된 방식은 현실적인 상황에서 문제가 될 수 있는데, 임시 식별자 재발급에 반드시 사용자 참여가 요구되며, 더 나아가서, 악의적인 집계기에서는 작동하지 않을 수 있다. 지금까지 소개된 스마트 미터 보안 시스템 개발과 관련해서 대부분 자원이 제한된 스마트 미터기에 대해 계산 비용이 만족스럽지 않거나 악의적인 공격에 취약할 수 있다.
디지털 보안 관점에서 이 개체는 특정 기간 또는 전체 기간의 실제 사용자 소비사용량 데이터를 도출할 수 없으며, 전송 메시지의 무결성을 검증할 수 있다. 추후 수신된 동적 가격에 기초하여암호화 데이터를 계산하여 운영 센터와 소비자만이 실제가격을 도출 할 수 있다. 집중기는 자원이 풍부한 장치로서 스마트 미터와 비밀 및 공유 키를 저장하기에 충분한변조 방지 저장 장치를 갖추고 있어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 그리드의 소비 데이터 전송 방식은 어떻게 이루어지는가?	스마트 그리드는 양방향 통신 기술을 사용하여 주기적으로 소비 데이터를 데이터 집중기 게이트웨이에 보낸다음 유틸리티 회사에 전송하게 되는데, 양방향 통신은 많은 잠재적인 보안 및 개인 정보 위협을 유발한다. 소비데이터가 동적 가격 책정 및 청구 목적과 함께 에너지 피드백을 위한 건전한 목적보다는 해커에게 잘못된 데이터를 주입하는 기회를 제공함으로써 로드 관리와 동적 가격 시스템의 균형을 맞출 수 없게 된다.
	스마트 미터 집계 보안 및 개인 정보 보호를 위한 접근 방식은 어떻게 구분되는가?	스마트 미터 집계 보안 및 개인 정보 보호를 위한 접근 방식은 현재 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 하나는 전통 암호화 체계에 의한 것과 블록체인의 Merkle 해시 트리 접근으로 나눌 수 있다.
	스마트 미터 개체는 어떠한 자원을 가지는가?	스마트 미터 개체는 실시간으로 측정되는 전력 소비관련 고정 기간의 암호화 정보를 집중기에 전송한다. 이 개체는 보편적으로 제한된 자원을 가진다. 스마트 미터와 집중기 간에 통신은 로라 네트워크와 같은 저전력 또는 전력선 통신을 통해 구축할 수 있다.

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원문보기 상세보기
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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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