[논문]학점은행제를 위한 블록체인 시스템

손기봉; 손민영; 김영학

doi:10.5392/jkca.2020.20.05.011

학점은행제를 위한 블록체인 시스템
Blockchain System for Academic Credit Bank System 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.20 no.5, 2020년, pp.11 - 22

손기봉 (금오공과대학교 컴퓨터공학과) , 손민영 (금오공과대학교 컴퓨터공학과) , 김영학 (금오공과대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

학점은행제는 평생학습사회를 구현하기 위한 교육 시스템이다. 이 시스템의 조건을 충족한 학습자는 전문대, 4년제 대학교의 학위와 동등한 학사 학위를 취득할 수 있다. 이 학습자의 학점과 학위 정보는 중앙 기관에 기록되어 관리되고 있다. 그러나 이러한 시스템은 중앙관리로 인해 해킹 등과 같은 보안 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 블록체인 기술을 기반으로 학점과 학위 정보를 관리할 수 있는 학점은행제 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 학점과 학위 정보는 블록에 저장되고 영구적인 방식으로 공개 원장에 기록된다. 블록들은 해킹과 조작 등의 보안 문제를 개선하기 위해 분산 네트워크 환경에서 블록체인 형식으로 연결되어진다. 또한 중앙 기관의 기능들이 네트워크 참여자들에게 분산되기 때문에 학점 은행 관리의 효율성이 증대될 수 있다. 제안된 시스템의 프로토타입은 Go-Ethereum 플랫폼에서 구현되었으며 스마트 컨트랙트를 사용하여 참여기관 간의 블록체인 정보를 실험적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The academic credit banking system is an educational system to implement a lifelong learning society. Students who meet the requirements of this system can achieve academic degrees equivalent to those of junior colleges or four-year universities. Credits and degree information of these students are recorded and managed by the central institution. However, this system can cause security problem such as hacking due to centralized management. In this paper, we propose an academic credit banking system which can manage credits and degree information based on blockchain technology. In the proposed system, credits and degree information are stored in block and managed in the public ledger in a permanent manner. Blocks are connected in the form of blockchain on a distributed network to improve security problems such as hacking and manipulation. Also, the efficiency of credit bank management can be increased because the functions of the central institution are distributed to the network participants. The prototype of the proposed system was implemented on the Go-Ethereum platform and experimentally verified the blockchain information among participating organizations using smart contracts.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 블록체인 기반 학점은행관리 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 프라이빗 블록체인에서 PoW방식을 사용하며, 참여한 계정의 권한을 차등으로 부여하여 기관과 학습자의 역할을 분리한다.
본 연구에서 제안하는 블록체인 형태의 학점관리 시스템은 [그림 2]와 같다. 본 연구는 학생의 성적에 관련된 정보를 블록체인에 보관하는 방식으로 보안성과 무결성, 투명성을 보완한 방법을 제안한다. 이 방법은 기존 중앙 집중형 학점관리 시스템의 단점을 다음과 같이 개선할 수 있다.
본 연구에서는 스마트 계약 개발 및 컴파일을 용이하게 하기 위하여 Remix로 시스템을 프로토타입을 구현하고 결과를 확인한다. 이 연구에서 제안한 학습 데이터를 블록체인에 기록하기 위해 Solidity 언어를 사용한다.
이를 해결하기 위해 본 연구에서는 블록체인 기술을 이용하여 학점은행제의 블록체인 기반 시스템을 제안 하고 제시한 시스템 설계를 바탕으로 프로토타입을 구현하였다. 학습기관, 학습자 정보 들을 포함하여 학습 정보를 블록체인에 저장함으로서 관리를 하는 방법이 다.

제안 방법

첫째, 학점 처리 과정에 학습자가 참여하여 검증할 수 있다. 둘째, 학습 결과를 투명하게 공유함으로써 조작에 대한 의심을 제거하고 신뢰성을 확보한다. 셋째, 학습 데이터를 분산 저장하여 단일 공격 지점을 제공하지 않아 네트워크 장애가 발생하여도 시스템이 동작가능하다.
본 연구에서 제안된 시스템의 프로토타입은 이더리움 플랫폼 상에서 구현되었으며, 스마트 컨트랙트를 사용하여 참여기관 사이의 블록체인 정보 공유를 실험적으로 검증하였다. 본 논문에서 제안된 시스템은 프로타입으로 구현되어 실제 환경에 적용하는데 한계가 있다.
본 연구에서 제안하는 시스템에서는 학습 정보가 블록체인에 기록되고 관리되기 때문에 학습 정보의 왜곡이 어렵고, 학습자의 학습내용은 암호화되어 학습자가 동의하는 제3자에게만 공개 가능하도록 설정된다. 블록 체인에 참여하는 모든 노드가 관리자 역할을 하기 때문에 운영 및 관리 측면에서 우수하다.
본 연구에서 제안하는 시스템은 블록체인의 보안, 익명성, 무결성, 투명성의 장점을 활용하여 고등 교육 이수 정보를 관리하는 프라이빗 블록체인 시스템을 제안한다. 학생들이 이수한 학점을 블록체인에 활용함으로써 보안과 투명성을 보장할 수 있다.
본 연구에서 제안하는 시스템을 구축하기 위하여 블록체인의 스마트 컨트랙트를 ProposedSystem으로 나타내었으며, ProposedSystem은 국가평생교육진흥원 (admin), 학습자들(students), 학습 기관들(orgs)에 대한 정보를 가지고 있다. 학습자(StudentDetail)는 이름 (name), 생일(birth), 평균 학점(averageGrade), 총시수(totalCredit), 학습 내역 배열(history), 조회 허용 기관 배열(allowList)로 구성되어있다.
본 연구에서 제안한 방법을 사용하면 학습에 관련된 모든 이력이 블록체인으로 구성된다. 따라서 학습 정보가 필요한 이해 관계자는 블록체인의 정보를 사용하여 학습 이력을 조회할 수 있다.
본 연구에서 제안한 시스템의 프로토타입 구현을 위해 Go-Ethereum 플랫폼을 사용하여 블록체인에 스마트 컨트랙트를 활용하여 학습 데이터를 기록 조회할 수있는 DApp을 개발한다. 이더리움은 블록 크기에 제한이 없으며 키값을 중복 저장하지 않기 때문에 공간을 절약한다.
또한 참여 기관 간의 블록체인 채굴에 대한 합의 방법이 개선되어야 한다. 본 연구에서는 블록체인 합의를 위해 PoW 분산 합의 방식을 사용하여 채굴을 시스템 이해 관계자에게 할당하였다. 그러나 학생이 수강하지 않은 참여기관도 합의의 주체가 되는 문제가 있을 수도 있기 때문에 향후 합의와 관련된 부분을 발전시키거나 채굴이 필요 없는 PoS 분산 합의 방식으로의 연구가 필요하다.
본 장에서는 현재 운영 중인 평생교육원 시스템과 제안된 블록체인 기반 시스템을 비교 분석을 한다. 현재 운영 중인 평생교육원 시스템은 국가평생교육진흥원의 중앙 집중형 통합 시스템으로 운영되는 방식이다.
스마트 계약은 블록체인에서 실행되는 응용 프로그램 단위이다. 스마트 컨트랙트를 통해 이 연구에서 제안한 시스템 코드를 작성하고 이더리움 가상 머신 (EVM) 컴파일러에 의해 EVM 바이트 코드가 블록체인에 작성 및 배포된다. EVM은 가상 시스템에서 실행되므로 플랫폼 독립적 기능이다.
따라서 본 연구에서는 블록체인 기반 학점은행관리 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 프라이빗 블록체인에서 PoW방식을 사용하며, 참여한 계정의 권한을 차등으로 부여하여 기관과 학습자의 역할을 분리한다. PoW는 채굴이 필수적이기 때문에 일반적으로 보상을 통해 채굴을 장려하는데, 본 연구에서는 권한이 부여된 학습기관과 국가평생교육진흥원이 필수적으로 채굴하도록 하며 별도의 보상은 주어지지 않는다.

이론/모형

본 연구에서는 PoW 방식의 블록체인 분산 합의 방식을 사용한다. 초기단계에서 참여기관이 한정된 프라이빗 네트워크를 사용하기 때문에 가장 이해관계가 깊은 국가평생교육진흥원과 해당 교육기관에서 채굴을 하도록 한다.
본 연구에서는 스마트 계약 개발 및 컴파일을 용이하게 하기 위하여 Remix로 시스템을 프로토타입을 구현하고 결과를 확인한다. 이 연구에서 제안한 학습 데이터를 블록체인에 기록하기 위해 Solidity 언어를 사용한다.

성능/효과

학습자는 전달받은 계정을 설정하고 국가평생교육진흥원은 학습자의 블록체인 지갑이 정상적으로 등록되었는지 확인되면 가입 완료한다. 두 번째로 학습자가 가입한 상태에서 수강 신청을 하게 되면 기관에서는 학습자와 과목의 정보를 받아서 국가평생교육진흥원에 등록 신청을 하고 완료가 되면 학습자는 수강 신청을 완료할 수 있다.
본 구현에서 테스트를 통하여 학습자가 조회를 허용하는 경우에만 학습자의 성적이 조회되는 것을 확인하였고, 기존의 중앙화 서버를 데이터 분산 저장에 의하여 동작하도록 함으로써 데이터 위·변조로부터 안정성을 확보하였다.
중앙 집중식 관리 시스템은 유지 관리 비용이 많이들 뿐만 아니라 중앙 서버의 데이터 조작과 같은 보안에 취약하므로 데이터 변형과 왜곡 같은 사고를 추적하기 어렵다. 블록체인을 이용한 제안 시스템은 분산 관리를 통해 유지 보수 비용이 낮으며 분산 학습 히스토리 저장을 통해 학습자의 학습 히스토리를 검색할 때 안정성을 보장한다. 또한, 해당 학습자의 학업 내용이 공개되어 있기 때문에 역 추적 등을 통한 과정을 통해 다양한 시스템에 활용될 수 있다.
둘째, 학습 결과를 투명하게 공유함으로써 조작에 대한 의심을 제거하고 신뢰성을 확보한다. 셋째, 학습 데이터를 분산 저장하여 단일 공격 지점을 제공하지 않아 네트워크 장애가 발생하여도 시스템이 동작가능하다.
또한, 해시 함수를 이용하여 데이터의 무결성을 확보할 수 있으므로 학습 내역의 조작 등이 어려워 이해관계자에게 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있다. 중앙 집중식 관리 시스템의 경우 해킹등 악의적인 공격으로 인해 학습 정보가 변경될 수 있지만 본 연구에서 제안한 블록체인 시스템의 학습 정보는 조작이 불가능하다. 또 한 데이터 암호화를 위해 ECIES 및 AES-256 암호화 알고리즘을 사용하여 기밀 성을 제공할 수 있고, Secp256k1 ECDSA 디지털 서명을 사용하여 인증 및 데이터 위조를 방지할 수 있다 [20].

후속연구

본 연구에서는 블록체인 합의를 위해 PoW 분산 합의 방식을 사용하여 채굴을 시스템 이해 관계자에게 할당하였다. 그러나 학생이 수강하지 않은 참여기관도 합의의 주체가 되는 문제가 있을 수도 있기 때문에 향후 합의와 관련된 부분을 발전시키거나 채굴이 필요 없는 PoS 분산 합의 방식으로의 연구가 필요하다.
블록체인을 이용한 제안 시스템은 분산 관리를 통해 유지 보수 비용이 낮으며 분산 학습 히스토리 저장을 통해 학습자의 학습 히스토리를 검색할 때 안정성을 보장한다. 또한, 해당 학습자의 학업 내용이 공개되어 있기 때문에 역 추적 등을 통한 과정을 통해 다양한 시스템에 활용될 수 있다.
본 연구에서 제안된 시스템의 프로토타입은 이더리움 플랫폼 상에서 구현되었으며, 스마트 컨트랙트를 사용하여 참여기관 사이의 블록체인 정보 공유를 실험적으로 검증하였다. 본 논문에서 제안된 시스템은 프로타입으로 구현되어 실제 환경에 적용하는데 한계가 있다. 본 시스템을 실제 환경으로 확장 운영하기 위해서는 일반 사용자들이 쉽게 접속하기 위한 사용자 인터페이스를 위한 API가 추가적으로 개발되어야 한다.
본 논문에서 제안된 시스템은 프로타입으로 구현되어 실제 환경에 적용하는데 한계가 있다. 본 시스템을 실제 환경으로 확장 운영하기 위해서는 일반 사용자들이 쉽게 접속하기 위한 사용자 인터페이스를 위한 API가 추가적으로 개발되어야 한다. 또한 참여 기관 간의 블록체인 채굴에 대한 합의 방법이 개선되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블록체인을 사용하는 것이 투명한 거래가 가능하게 하는 이유는 무엇인가?	블록체인 기술은 개인 간(P2P)의 모든 거래 내역이 네트워크에 참여한 참여자들에게 분산 저장되어 해킹으로부터 보호될 수 있다. 뿐만 아니라 블록체인을 사용하는 것은 중앙 시스템(제3의 시스템)의 개입이 없기 때문에 비용을 절감할 수 있고 네트워크 참여자들의 합의를 통해야 하기 때문에 투명한 거래가 가능하다.
	학점 은행제는 무엇인가?	학점 은행제는 법률에 따라 학교 안팎에서 다양한 형태의 학습 및 자격을 인정하는 시스템이다. 이 시스템은 열린 평생학습 사회와 열린 교육을 실현하기 위한 제도라고 할 수 있다. 모든 학점은 중앙 기관인 국가평생교육진흥원의 통합 시스템에 의해 관리되고 있기 때문에 서비스가 통일적으로 제공되는 장점이 있다.
	저자가 블록체인 기술을 이용하여 만든 시스템의 특징은 무엇인가?	학습기관, 학습자 정보 들을 포함하여 학습 정보를 블록체인에 저장함으로서 관리를 하는 방법이 다. 학습자의 등록부터 학점 확인 및 증명까지 학습 정보는 기관과 학습자 본인을 포함하여 학습자가 공개를 원하는 제3자도 언제든 조회할 수 있다. 또한, 등록된 학습 정보는 역추적이 가능하며, 신뢰할 수 있는 학습 정보 히스토리를 제공한다. 이는 학습자의 학습 정보를 토대로 제공할 수 있는 추가 서비스의 개발이 가능하도록 기반을 마련할 수 있다.

참고문헌 (20)

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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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