[논문]포그 기반 IoT 환경의 분산 신뢰 관리 시스템

오정민; 김승주

doi:10.13089/jkiisc.2021.31.4.731

[국내논문] 포그 기반 IoT 환경의 분산 신뢰 관리 시스템
Distributed Trust Management for Fog Based IoT Environment 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.31 no.4, 2021년, pp.731 - 751

오정민 (고려대학교 정보보호대학원) , 김승주 (고려대학교 정보보호대학원)

초록
AI-Helper

사물인터넷은 웨어러블 디바이스, 스마트폰 등의 많은 기기들이 통신하는 거대한 집단으로 네트워크 내 사물의 상호 연결은 기본적인 요구사항이다. 악성 기기와의 통신은 네트워크와 서비스를 악의적으로 손상시켜 품질에 영향을 줄 수 있기 때문에 신뢰할 수 있는 기기를 선택하는 것은 매우 중요하다. 그러나 IoT 기기의 이동성과 자원의 제약으로 신뢰 관리 모델을 만드는 것은 쉽지 않다. 중앙 집중 방식의 경우 독점 운영 및 단일 장애 지점, 기기 중가에 따른 자원 확장의 이슈가 있다. 분산 처리 방식은 기기가 서로 연결된 구조로 별도의 장비 추가 없이도 시스템을 확장 할 수 있으나, IoT 기기의 제한된 자원으로 데이터 교환 및 저장에 한계가 있으며 정보의 일관성을 보장하기 어렵다. 최근에는 포그 노드와 블록체인을 사용하는 신뢰 관리 모델이 제안되고 있다. 그러나 블록체인은 낮은 처리량과 속도 지연의 문제를 가지고 있어 동적으로 변화하는 IoT 환경에 적용하기 위해서는 개선이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 사물인터넷을 위한 블록체인 기술인 IOTA를 적용하여 포그 기반 IoT 환경에서 신뢰할 수 있는 기기를 선택하기 위한 신뢰 관리 모델을 제안한다. 제안된 모델에서는 DAG(Directed Acyclic Graph) 기반 원장 구조를 통하여 신뢰 데이터를 위/변조 없이 관리하고 블록체인의 낮은 처리량과 확장성 문제를 개선한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Internet of Things is a huge group of devices communicating each other and the interconnection of objects in the network is a basic requirement. Choosing a reliable device is critical because malicious devices can compromise networks and services. However, it is difficult to create a trust management model due to the mobility and resource constraints of IoT devices. For the centralized approach, there are issues of single point of failure and resource expansion and for the distributed approach, it allows to expand network without additional equipment by interconnecting each other, but it has limitations in data exchange and storage with limited resources and is difficult to ensure consistency. Recently, trust management models using fog nodes and blockchain have been proposed. However, blockchain has problems of low throughput and delay. Therefore, in this paper, a trust management model for selecting reliable devices in a fog-based IoT environment is proposed by applying IOTA, a blockchain technology for the Internet of Things. In this model, Directed Acyclic Graph-based ledger structure manages trust data without falsification and improves the low throughput and scalability problems of blockchain.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. 5 five design dimensions of trust system
그림 Fig. 2. Directed Acyclic Graph of IOTA[26]
그림 Fig. 3. The architecture of Fog computing
표 Table 1. Compliance requirements of Existing Studies
그림 Fig. 4. Proposed system architecture
그림 Fig. 5. Simulation GUI
표 Table 2. Key parameters
그림 Fig. 6. Trust values of clients in networks with 2 malicious clients
그림 Fig. 7. Trust values of clients in networks with 5 malicious clients
그림 Fig. 8. Trust values of clients in networks with 10 malicious clients
그림 Fig. 9. Malicious client identification by increasing number of clients in networks

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 논문에서는 DAG 기반의 블록체인 모델을 사용하여 기존 블록체인 기반 솔루션의 문제점들을 개선하고, IoT 기기에 적합한 신뢰 관리 모델을 제안한다. 블록체인을 활용한 기존의 모델들의 경우 신뢰 관리 시스템에 대한 공격에 대해서는 제대로 고려하지 않고 일부 공격에 대해서만 고려되고 있다.
이에 본 논문에서는 기존 연구를 분석하여 IoT 기기의 신뢰 관리 모델이 갖추어야 할 요구사항을 정의하고, 사물인터넷 환경에 맞는 분산 신뢰 관리 시스템을 제안하였다. 기존 블록체인 기반 시스템의 한계점을 개선하기 위하여 방향성 비순환 그래프인 DAG 기반의 IOTA를 적용하였다.

제안 방법

최근 연구들에서는 IoT 기기의 신뢰 관리를 위해 포그 노드와 블록체인을 사용하는 모델들이 제안되고 있다. 신뢰 데이터의 저장과 처리를 포그 노드로 이관하여 IoT 기기의 자원 제약 문제를 해결하고, 포그 노드를 블록체인 네트워크에 참여 시켜 중앙 집중 방식의 문제를 해결한다. 그러나 블록체인은 데이터베이스의 일관성을 보장하기 위해 많은 시간이 요구되며, 그에 따라 처리량이 적기 때문에 IoT 기기가 생성하는 대량의 데이터를 처리하기에는 적합하지 않다.
특히 포그 노드에 대한 신뢰는 프라이빗 블록체인을 사용하여 해결함으로써 탈중앙화 요구사항을 완전하게 달성하지 못한다. 이에 탈중앙화 목표를 달성하기 위하여 IOTA라는 퍼블릭 블록체인을 사용하여 시스템의 투명성과 공정성을 제공한다. 또한 기존 블록체인의 선형 연결 방식이 아닌 DAG 구조를 사용함으로써 확장성을 개선한다.
앞서 관련 연구에서 본 것과 같이 블록체인과 포그 컴퓨팅 기술을 적용하여 신뢰 관리시스템의 안정성을 높이기 위한 시도들이 많이 있다. 본 절에서는 IoT 환경의 분산 신뢰 관리 시스템이 갖추어야 할 요구사항을 정의하고, 이를 기반으로 기존 연구를 분석한다.
본 절에서는 포그 컴퓨팅 기반 사물인터넷 환경에서 상호 작용하는 IoT 기기의 신뢰도를 평가하고, 저장하는 신뢰 관리 모델을 제안한다. 3절에서 정의한 요구사항 중 탈중앙화, 데이터 무결성, 일관성을 위하여 블록체인 기술을 적용한다.
3절에서 정의한 요구사항 중 탈중앙화, 데이터 무결성, 일관성을 위하여 블록체인 기술을 적용한다. 기존 블록체인 시스템의 낮은 처리량과 확장성, 높은 비용의 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 DAG 기반 블록체인 시스템인 IOTA를 기본 모델로 사용하여 신뢰 데이터에 대한 투명성과 일관성을 보장한다.
IOTA는 IoT 환경에 적합한 솔루션 제공을 목표로 하고 있어 클라이언트가 아닌 포그 노드에서 작업 증명을 수행할 수 있는 옵션을 제공하고 있다. 따라서 본 논문에서는 원격 작업 증명(remote PoW)을 통해 IoT 기기의 자원 사용을 최소화한다. 마지막으로 시드로부터 파생된 개인 키(private key)를 이용하여 트랜잭션을 서명한 후, 트랜잭션이 Tangle에 연결될 수 있도록 포그 노드로 전송한다.
다음으로는 네트워크 규모에 따른 악성 노드 탐지 여부를 파악하기 위하여 참여하는 클라이언트의 수를 증가시켜 시뮬레이션을 진행하였다. 클라이언트의 수는 20개부터 50개까지 10단위로 증가시켰고, 악성클라이언트는 전체의 1/3 수준을 유지하도록 설정하였다.
또한 네트워크에 참여하는 포그 노드를 ‘마나’ 기반의 평판 시스템을 통해 관리하고, 최종 신뢰도 계산 시, 평가자에 해당하는 기기의 신뢰도에 따라 가중치를 부여함으로써 신뢰 기반 공격을 방어하였다.
이에 본 논문에서는 기존 연구를 분석하여 IoT 기기의 신뢰 관리 모델이 갖추어야 할 요구사항을 정의하고, 사물인터넷 환경에 맞는 분산 신뢰 관리 시스템을 제안하였다. 기존 블록체인 기반 시스템의 한계점을 개선하기 위하여 방향성 비순환 그래프인 DAG 기반의 IOTA를 적용하였다. 기존 블록체인이 한 번에 하나의 블록만 순차적으로 처리하는 방식이었다 면, DAG 기반의 IOTA에서는 동시에 여러 트랜잭션을 병렬로 처리하여 병목 현상을 해결하고, 데이터 추가 속도를 개선하였다.

대상 데이터

앞에서 계산된 직접 신뢰도를 포함하는 IOTA 트랜잭션을 생성하여 포그 노드로 전달한다. 트랜잭션을 생성하기 위해서는 IOTA 코어 클라이언트 라이브러리를 사용한다. 가장 먼저 트랜잭션을 보낼 노드를 선택한다.

성능/효과

최근 연구들에서는 IoT 기기의 신뢰 관리를 위해 포그 노드와 블록체인을 사용하는 모델들이 제안되고 있다. 신뢰 데이터의 저장과 처리를 포그 노드로 이관하여 IoT 기기의 자원 제약 문제를 해결하고, 포그 노드를 블록체인 네트워크에 참여 시켜 중앙 집중 방식의 문제를 해결한다. 그러나 블록체인은 데이터베이스의 일관성을 보장하기 위해 많은 시간이 요구되며, 그에 따라 처리량이 적기 때문에 IoT 기기가 생성하는 대량의 데이터를 처리하기에는 적합하지 않다.
기존 블록체인 기반 시스템의 한계점을 개선하기 위하여 방향성 비순환 그래프인 DAG 기반의 IOTA를 적용하였다. 기존 블록체인이 한 번에 하나의 블록만 순차적으로 처리하는 방식이었다 면, DAG 기반의 IOTA에서는 동시에 여러 트랜잭션을 병렬로 처리하여 병목 현상을 해결하고, 데이터 추가 속도를 개선하였다. 또한 네트워크에 참여하는 포그 노드를 ‘마나’ 기반의 평판 시스템을 통해 관리하고, 최종 신뢰도 계산 시, 평가자에 해당하는 기기의 신뢰도에 따라 가중치를 부여함으로써 신뢰 기반 공격을 방어하였다.
IOTA는 사물 인터넷을 위한 분산 원장으로 DAG 구조를 사용하여 IoT 기기와 트랜잭션 증가에 대한 확장성 문제를 효과적으로 해결 할 수 있는 솔루션이다. 또한 기존의 중앙 노드 역할을 하는 코디네이터를 제거함으로써 탈중앙화의 특징을 만족하여 투명성과 공정성이 중요한 신뢰 관리 시스템에 적합하다.

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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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