[논문]효율적 위·변조 탐지 및 무결한 차량 운행 정보의 안정적 질의를 위한 블록체인 기반 분산 데이터 관리 방안 연구

문준오; 민찬기; 임종민; 윤영

효율적 위·변조 탐지 및 무결한 차량 운행 정보의 안정적 질의를 위한 블록체인 기반 분산 데이터 관리 방안 연구
Blockchain-based Distributed Database System for Efficient Falsification Detection and Reliable Inquiry of Faultless Automobile Driving Information 원문보기

문준오 (홍익대학교 컴퓨터공학과 Application Platform Lab) , 민찬기 (홍익대학교 컴퓨터공학과 Application Platform Lab) , 임종민 (홍익대학교 경제학과) , 윤영 (홍익대학교 컴퓨터공학과 Application Platform Lab)

차량에서 생성되는 데이터의 가치가 상승함에 따라 데이터 소스와 데이터 내용에 대한 보안 위협 또한 증가하고 있다. 데이터 소스인 차량의 경우에는 운행의 안정성을 보장하고자 블록체인을 결합하려는 시도가 있어왔지만, 무결한 차량 운행 데이터 관리 시스템에 대한 이해 부족으로 데이터 위·변조 등 차량 데이터에 대한 사이버 공격에 적절히 대응하지 못하고 있다. 이에 본 논문은 수집된 차량 데이터의 무결성을 보장하고 수집된 데이터에 대한 질의가 가능한 블록체인 기반 데이터 베이스 시스템을 제안한다. 본 시스템을 통하여 분산 합의 기반 데이터 무결성 검증, 블록을 구성하는 해시트리의 복제 저장 없이 위·변조된 차량 데이터 검출, 일정 수준의 장애를 허용한 상태 하에서의 질의문 처리 등이 가능해진다. 본 시스템은 높은 공간 효율성과 확장성을 가지며, 수소전기차 공유 업체의 차량 운행 정보를 바탕으로 한 성능 평가 결과 평균적으로 데이터 블록 저장에 4.0 초, 각 블록 검증에 2.4 초, 질의 처리를 위한 합의 과정에 1.3 초가 소요됨을 확인하였다.

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문제 정의

질의에 대한 평가는 질의의 복잡도에 따라 질의 처리 시간이 크게 차이가 날 수 있다. 따라서 본 논문에서는 질의에 대한 시간을 평가하는 대신 질의의 복잡도와 무관하게 오버헤드로 작용하는 합의 시간을 평가했다. 표 2의 각 n 에 대한 합의 시간은 표 2의 블록 검증 시에 소요되는 순수한 합의 시간만을 측정한 값이다.
본 논문은 블록체인을 이용하여 분산 저장소의 무결성을 보장하고, 위·변조된 데이터가 존재할 경우 이를 검출하며, 질의 처리부를 두어 데이터 분석기능을 제공하는 실용적 시스템을 제안하였다. 해시트리 전체를 저장하는 대신 ciphertext 의 복호화 결과에 기반한 위·변조 징후 포착 기술 구현을 통하여 공간 효율성을 꾀하였다.
본 논문은 신뢰성 높은 차량 데이터 수집 및 분석 시스템을 위하여 비공개 블록체인을 활용한 차량 데이터의 위·변조 여부 판별법은 물론, 장애 상황에서도 안정적 질의 기능을 제공하는 신개념 데이터베이스 시스템을 제안한다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다: 2 장에서는 관련 연구를 다룬다; 3 장에서는 데이터 저장, 검증 및 질의 과정을 위한 시스템 구성을 설명한다; 4 장에서는 시스템의 장애 내성과 위협 모델에 대하여 기술한다; 5 장에서는 시스템의 성능을 평가하고; 6 장에서는 추후 연구 방향과 함께 결론을 내린다.
본 시스템에 대하여 가능한 위협 및 대응 방안을 소개한다. 첫 번째 위협은 블록체인 네트워크에 대한 공격이다.

제안 방법

데이터 검증은 설정 가능한 주기마다 모니터링 프로세스 (MP)가 블록체인 네트워크에 각 블록에 대한 검증 요청을 하는 것으로 이루어진다. MP 의 i 번째 블록에 대한 검증을 요청을 수신한 각 블록체인 서버는 Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) 방식 [9]에 따라 요청이 유효한 것인지 판단한 후 Algorithm 1 을 수행하여 검증을 진행한다. 블록체인 네트워크의 각 서버는 검증 결과를 모니터링 프로세스에 반환하며 위·변조가 발생한 경우 문제를 야기한 d 를 검출한다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 크게 데이터를 수집하는 메시징 큐 (queue), 데이터를 검증하는 블록체인 네트워크, 저장부 그리고 질의 처리부로 구성된다. 데이터 저장, 검증 및 질의 시 각 모듈의 수행 방식은 다음과 같다.
본 시스템은 단순한 데이터 기록을 위한 아카이브에 그치지 않고, 다양한 분석으로 연계되는 데이터 질의 기능을 수행할 수 있도록 설계되었다. 질의 처리부는 블록체인 네트워크 내부 모듈로 디자인하였다.
블록체인 네트워크는 PBFT 를 이용하여 합의를 이끌어내는데, PBFT 는 시스템이 정지하거나 잘못된 결과를 다른 시스템 자원에 전송하는 등의 장애를 포함하는 비잔틴 장애를 허용할 수 있도록 설계되었다. 구체적으로, 블록체인 네트워크의 2/3 보다 많은 서버가 정상적으로 동작할 시에 나머지 서버가 일으키는 비잔틴 장애를 허용할 수 있다 [10, 9].
해시트리 전체를 저장하는 대신 ciphertext 의 복호화 결과에 기반한 위·변조 징후 포착 기술 구현을 통하여 공간 효율성을 꾀하였다. 블록체인의 질의 처리부를 관리하도록 하여 단일 중단점 공격을 예방하고, leader election 기반의 마스터 노드 장애 대응을 통하여 안전성을 더했다. 시스템의 성능은 평균적으로 한 블록에 대하여 저장에 4.
해시트리의 모든 노드를 블록체인에 복제하여 저장하는 것은 시스템에 급소한 과부하를 야기할 수 있다. 이를 극복하기 위하여 본 시스템은 cipher c 를 활용하여 새로운 기술을 고안하였다. 데이터의 위·변조가 확인되면 각 서버는 블록을 구성하는 데이터 중 위·변조된 d 를 검출하기 위하여 블록을 구성하는 각 d 에 대하여 Algorithm 2 를 이용하여 무결성 검증 절차를 수행한다.
본 논문은 블록체인을 이용하여 분산 저장소의 무결성을 보장하고, 위·변조된 데이터가 존재할 경우 이를 검출하며, 질의 처리부를 두어 데이터 분석기능을 제공하는 실용적 시스템을 제안하였다. 해시트리 전체를 저장하는 대신 ciphertext 의 복호화 결과에 기반한 위·변조 징후 포착 기술 구현을 통하여 공간 효율성을 꾀하였다. 블록체인의 질의 처리부를 관리하도록 하여 단일 중단점 공격을 예방하고, leader election 기반의 마스터 노드 장애 대응을 통하여 안전성을 더했다.

대상 데이터

시스템 평가는 블록체인 네트워크에 사용된 4 대의 서버와 분산 저장소로 사용된 7.3.0 버전 Elasticsearch 서버 4 대로 수행되었다. 실험은 수소전기차 공유 업체인 J'CAR²의 차량 접속, 탑승, 운행 등의 기록정보를 가공하여 진행되었다.
0 버전 Elasticsearch 서버 4 대로 수행되었다. 실험은 수소전기차 공유 업체인 J'CAR²의 차량 접속, 탑승, 운행 등의 기록정보를 가공하여 진행되었다.

데이터처리

이를 극복하기 위하여 본 시스템은 cipher c 를 활용하여 새로운 기술을 고안하였다. 데이터의 위·변조가 확인되면 각 서버는 블록을 구성하는 데이터 중 위·변조된 d 를 검출하기 위하여 블록을 구성하는 각 d 에 대하여 Algorithm 2 를 이용하여 무결성 검증 절차를 수행한다. 각 d는 (e, c)로 구성되어 있으므로 e 와 c 모두에 대한 검증이 필요하다.
제시한 실험환경에서 한 블록에 속하는 e 의 개수 n 에 변화를 주며 블록 저장 및 블록 검증에 소요되는 시간을 측정한 결과는 표 2 와 같으며 각 실험은 100번 수행한 값의 평균치이다.

성능/효과

34 초 내외로 측정되었는데, 이는 블록체인의 합의 과정이 n 의 크기와 관계없이 질의문을 해싱한 값으로 이루어지기 때문이다. 따라서 질의 시에는 질의문을 평가하는 데 소요되는 시간 이외에도 합의를 위한 오버헤드로 약 1.34 초가 소요됨을 확인할 수 있다.
블록체인의 질의 처리부를 관리하도록 하여 단일 중단점 공격을 예방하고, leader election 기반의 마스터 노드 장애 대응을 통하여 안전성을 더했다. 시스템의 성능은 평균적으로 한 블록에 대하여 저장에 4.0 초, 검증에 2.4 초가 소요되었으며 질의의 경우 1.34 초의 합의를 위한 오버헤드가 추가됨을 확인할 수 있었다. 본 논문은 당초 차량 운행 정보를 무결하게 저장하고 이를 안정적으로 질의할 목적으로 개발되었으나, 의료, 사물인터넷 등 여타 다양한 분야에서도 범용적으로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
실험 결과 한 블록을 저장하는데 약 4 초가 소요되는 것을 확인하였다. 블록 저장에 소요되는 시간의 증가폭은 n 의 증가폭보다 작은 것을 확인할 수 있었다.
종합적으로, 선행 연구들은 데이터 분석을 위한 질의 기능과 블록체인 기반 검증 기능을 함께 효과적으로 제공하지 못하고 있다고 요악할 수 있다.

후속연구

34 초의 합의를 위한 오버헤드가 추가됨을 확인할 수 있었다. 본 논문은 당초 차량 운행 정보를 무결하게 저장하고 이를 안정적으로 질의할 목적으로 개발되었으나, 의료, 사물인터넷 등 여타 다양한 분야에서도 범용적으로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
본 시스템은 주기적인 블록 검증을 통하여 데이터에 대한 신뢰성을 제공하나 매 질의 결과에 대한 신뢰성 검증은 질의자의 명시적인 요구가 있을 때만 제공된다. 질의 시에 검증을 수행할 경우 참조된 데이터에 대한 전수 검증이 필요하다.
따라서 질의 결과는 물론 테이블에 대한 전수검사가 필요하며, 이는 오버헤드로 작용한다. 질의 결과에 대한 신뢰성 보증과 질의 응답 시간 증가 간 상충 간계 해소에 대한 후속 연구가 필요하다.

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