[논문 리뷰] A Survey on Consensus Protocols in Blockchain for IoT Networks

Mehrdad Salimitari, Mainak Chatterjee|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 46인용 수 86

한 줄 요약

이 논문은 자원 제약이 있는 IoT 장치에 적합한 블록체인 기반 합의 방법을 조사하고, 공개 블록체인과 프라이빗/블록체인 옵션을 비교하며 IoT 배포를 위한 남은 과제를 요약합니다.

ABSTRACT

The success of blockchain as the underlying technology for cryptocurrencies has opened up possibilities for its use in other application domains as well. The main advantages of blockchain for its potential use in other domains are its inherent security mechanisms and immunity to different attacks. A blockchain relies on a consensus method for agreeing on any new data. Most of the consensus methods which are currently used for the blockchain of different cryptocurrencies require high computational power and thus are not apt for resource-constrained systems. In this article, we discuss and survey the various blockchain based consensus methods that are applicable to resource constrained IoT devices and networks. A typical IoT network consists of several devices which have limited computational and communications capabilities. Most often, these devices cannot perform intensive computations and are starved for bandwidth. Therefore, we discuss the possible measures that can be taken to reduce the computational power and convergence time for the underlying consensus methods. We also talk about some of the alternatives to the public blockchain like private blockchain and tangle, along with their potential adoption for IoT networks. Furthermore, we review the existing consensus methods that have been implemented and explore the possibility of utilizing them to realize a blockchain based IoT network. Some of the open research challenges are also put forward.

연구 동기 및 목표

• IoT 제약(제한된 계산력, 대역폭, 저장소)이 블록체인 합의 적합성에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.
• IoT 적용 가능성을 위한 기존 합의 방법을 조사하고 비교한다.
• IoT를 위한 프라이빗/컨소시엄 블록체인 및 탱글 대안을 논의한다.
• IoT 배포를 위한 남은 연구 과제와 실용적 적응 방안을 식별한다.

제안 방법

• 블록체인 기초 및 합의 메커니즘의 개요를 제공한다.
• 적용을 촉진하기 위한 IoT 네트워크 요구사항과 한계를 분석한다.
• 합의 방법을 정리하고 분류한다(PoW, PoW 대안, 비잔틴 합의, 하이브리드).
• IoT에 대한 적합성을 고려해 Hyperledger와 같은 프라이빗/컨소시엄 블록체인 접근법을 논의한다.
• IoT 맥락에서 방법의 장단점을 비교하고 채택 시 고려사항을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제약이 있는 IoT 장치와 네트워크에서 실현 가능한 합의 프로토콜은 무엇인가?
• RQ2 프라이빗 블록체인, 탱글 등의 방식으로 IoT 제약을 해소하되 필수 보장을 해치지 않는 방법은 무엇인가?
• RQ3 각 합의 방법이 IoT 배포에 대해 갖는 상대적 장점과 단점은 무엇인가?
• RQ4 IoT 기반 블록체인 구현의 광범위한 가능성을 열기 위해 해결해야 할 남은 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 작업 증명(PoW)은 높은 계산 및 대역폭 요구로 인해 IoT에 비현실적이다.
• PoC, PoET 및 기타 저전력 합의 변형은 에너지 효율성을 제공하지만 저장소 의존성이나 신뢰 구성 요소에 대한 의존성 같은 트레이드오프가 있다.
• 프라이빗 블록체인(예: Hyperledger)은 계산 및 대기 시간을 줄이지만 일부 분산성과 개방성을 희생한다.
• 비잔틴 오류 허용형 접근( PBFT, dBFT, SCP, Ripple)은 소형 IoT 네트워크에 적합한 높은 처리량과 낮은 지연을 제공하나 확장성 및 네트워크 오버헤드의 트레이드오프가 있다.
• 연합형 및 비잔틴 기반 프로토콜은 낮은 지연을 달성할 수 있지만 신뢰 가정이나 IoT 시나리오에의 적응이 필요할 수 있다.
• 이 논문은 IoT-블록체인 솔루션의 확장성, 보안성, 프라이버시 및 실용적 배치를 둘러싼 남은 연구 과제를 강조한다.