[논문 리뷰] A Survey on Blockchain Technology and Its Potential Applications in Distributed Control and Cooperative Robots

Ameer Tamoor Khan, Xinwei Cao외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 종합 검토는 분산 제어 시스템(DCS)과 협동 로봇 분야에서 블록체인 기술을 신뢰할 수 없는 공감대와 변하지 않는 성질을 활용해 보안성과 탈중앙화된 솔루션으로 제안한다. 이는 내재된 보안 및 조율 과제를 해결하기 위해 설계되었으며, 블록체인을 통한 로봇 간 공감대 형성과 DCS 내 안전한 작업 조율을 시뮬레이션 실험을 통해 입증한다. 이는 단일 장애 지점 제거 및 공격에 대한 강건성 향상 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

As a disruptive technology, blockchain, particularly its original form of bitcoin as a type of digital currency, has attracted great attentions. The innovative distributed decision making and security mechanism lay the technical foundation for its success, making us consider to penetrate the power of blockchain technology to distributed control and cooperative robotics, in which the distributed and secure mechanism is also highly demanded. Actually, security and distributed communication have long been unsolved problems in the field of distributed control and cooperative robotics. It has been reported on the network failure and intruder attacks of distributed control and multi-robotic systems. Blockchain technology provides promise to remedy this situation thoroughly. This work is intended to create a global picture of blockchain technology on its working principle and key elements in the language of control and robotics, to provide a shortcut for beginners to step into this research field.

연구 동기 및 목표

• 분산 제어 시스템(DCS)과 협동 로봇 분야에서 지속적인 보안 및 프라이버시 취약성을 해결하기 위해, 특히 침입 및 단일 장애 지점 위험에 대비한다.
• 제어 및 로봇 분야 용어로 블록체인의 核심 메커니즘인 탈중앙화, 공감대, 변하지 않는 성질을 설명하여 다학제적 지식 격차를 메운다.
• 블록체인을 활용한 로봇 간 안전하고 신뢰할 수 없는 조율의 실현 가능성을 시뮬레이션 실험과 사례 연구를 통해 입증한다.
• 블록체인의 주요 한계, 예를 들어 지연, 51% 공격, 프라이버시 우려 등을 특정하여 분석함으로써 향후 연구 및 구현을 안내한다.

제안 방법

• 시스템 이론적 시각을 통해 블록체인 구성 요소(예: 분산 원장, 공감대 알고리즘, 암호화 해싱)를 제어 및 로봇 시스템 요구사항에 매핑한다.
• 로봇 간 조율을 블록체인 상의 공감대 과정으로 모델링하며, 각 로봇이 노드이자 마이너 역할을 수행하여 결론과 신원을 공유하고 변하지 않는 기록을 유지한다.
• 로봇이 등록, 작업 수신, 완료 보고를 블록체인 트랜잭션을 통해 수행하는 블록체인 기반 디스패처 시스템을 구현하여 감사 가능성과 무결성을 확보한다.
• 신뢰할 수 없는 조건 하에서 집단적 의사결정을 검증하기 위해, 분산 환경에서 다수의 색상 결정을 위한 블록체인 공감대를 사용한 색상 탐지 작업을 시뮬레이션한다.
• 네트워크 크기 제약 조건 하에서 블록체인 성능을 분석하기 위해 거래 지연(예: 비트코인의 경우 약 10분, 이더리움의 경우 10~15초) 및 확장성 지표를 사용한다.
• 51% 공격 및 데이터 무결성 위협과 같은 보안 위협을 평가하고, 대규모 마이닝 풀 및 키 관리와 같은 대응 전략을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기술은 분산 제어 시스템과 협동 로봇 분야에서 신뢰 부족과 보안 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ2 제어 및 로봇 시스템 요구사항에 매핑할 수 있는 블록체인의 핵심 메커니즘(예: 공감대, 변하지 않는 성질, 탈중앙화)은 무엇인가?
• RQ3 블록체인은 중심 기관 없이도 로봇 간 안전하고 탈중앙화된 조율을 가능하게 하는가? 실질적으로는 어떻게 검증되는가?
• RQ4 실시간 분산 제어 및 로봇 시스템에 적용했을 때 블록체인의 성능 및 보안 한계는 무엇인가?
• RQ5 지연, 프라이버시, 암호화 취약성은 로봇 및 제어 시스템에 블록체인을 실용적으로 구현하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 블록체인은 중심 기관에 의존하지 않고도 로봇 간 공감대를 형성함으로써 협동 로봇 분야에서 안전하고 탈중앙화된 조율을 가능하게 한다. 예를 들어, 환경 내에서 가장 흔한 색상을 식별하는 등의 결정에 대해 공감대를 형성할 수 있다.
• 블록체인 기반 디스패처를 사용한 시뮬레이션 실험에서 로봇이 등록, 작업 수신, 완료 보고를 블록체인 트랜잭션을 통해 수행하는 작업 디스patch 및 완료 추적 기능이 성공적으로 작동함을 입증했다.
• 블록체인의 사용은 단일 장애 지점 위험을 감소시키고, 한 대의 로봇이나 노드의 실패가 전체 시스템을 붕괴시키지 않도록 하여 시스템의 강건성을 향상시켰다.
• 그러나 블록체인은 지연을 유발한다. 비트코인의 경우 트랜잭션이 완료되기까지 약 10분이 걸리며, 이더리움은 이를 10~15초로 단축시킨다. 이는 실시간 적용에 제한을 둔다.
• 51% 공격은 여전히 심각한 취약점으로 남아 있으며, 네트워크의 계산 능력의 절반 이상을 제어하는 공격자가 블록체인을 조작할 수 있다. 이는 대규모이고 분산된 마이닝 풀이 필요함을 시사한다.
• 프라이버시는 여전히 도전 과제이며, 공개 블록체인은 기본적으로 트랜잭션 데이터를 노출한다. 또한 비밀 키를 상실할 경우 디지털 자산에 영구적으로 접근할 수 없게 된다.