[논문 리뷰] BlendMAS: A BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart Public Safety

Ronghua Xu, Seyed Yahya Nikouei외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 24인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 허가된 블록체인과 스마트 계약을 활용하여 분산된 IoT 기기 간에 안전하고 확장성 있으며 세밀한 접근 제어를 가능하게 하는 탈중앙화된 마이크로서비스 아키텍처인 BlendMAS를 제안한다. 보안 및 감시 기능을 엣지 및 퍼그 노드에 배포된 컨테이너화된 마이크로서비스로 분해하고, 블록체인 기반 스마트 계약을 통해 데이터 무결성과 접근 제어를 보장함으로써 중앙 집중형 기관에 대한 의존도를 줄이고, 동적인 이질적인 환경에서도 낮은 지연 시간과 높은 내성성을 유지한다.

ABSTRACT

Thanks to rapid technological advances in the Internet of Things (IoT), a smart public safety (SPS) system has become feasible by integrating heterogeneous computing devices to collaboratively provide public protection services. While a service oriented architecture (SOA) has been adopted by IoT and cyber-physical systems (CPS), it is difficult for a monolithic architecture to provide scalable and extensible services for a distributed IoT based SPS system. Furthermore, traditional security solutions rely on a centralized authority, which can be a performance bottleneck or single point failure. Inspired by microservices architecture and blockchain technology, this paper proposes a BLockchain-ENabled Decentralized Microservices Architecture for Smart public safety (BlendMAS). Within a permissioned blockchain network, a microservices based security mechanism is introduced to secure data access control in an SPS system. The functionality of security services are decoupled into separate containerized microservices that are built using a smart contract, and deployed on edge and fog computing nodes. An extensive experimental study verified that the proposed BlendMAS is able to offer a decentralized, scalable and secured data sharing and access control to distributed IoT based SPS system.

연구 동기 및 목표

• 대규모 분산형 IoT 기반 스마트 공공안전(SPS) 시스템에서 단일 모듈형 및 중앙 집중형 보안 아키텍처의 한계를 해결한다.
• 다양한 도메인의 이질적인 IoT 구현에서 내재된 중앙 집중형 신뢰 모델의 성능 저하 요인과 단일 장애 지점 문제를 해결한다.
• 공공안전 응용 분야에서 일반적인 신뢰할 수 없는 동적인 환경에서 세밀한 분산형 접근 제어와 데이터 무결성 검증을 가능하게 한다.
• 임무 중심 개발과 지속적 배포를 지원하는 확장성 있고 상호 운용성이 뛰어난 시스템 아키텍처를 설계한다.
• 실세계 엣지-퍼그 컴퓨팅 인fra에서 블록체인 기반 보안 메커니즘과 경량 마이크로서비스를 통합하는 것이 가능함을 입증한다.

제안 방법

• SPS 및 보안 기능을 엣지 및 퍼그 컴퓨팅 노드에 배포된 독립적이고 컨테이너화된 마이크로서비스로 분해한다.
• 암호학적 해시값과 접근 결정 정보를 저장하기 위한 변조 방지 레지스트리로 기능하는 허가된 블록체인 네트워크(개인용 이더리움)를 구현한다.
• 신원 인증 및 접근 제어 정책을 블록체인에서 실행되는 스마트 계약으로 인코딩하여 분산 신뢰를 강제한다.
• 승인된 마이너 간의 합의 기반 메커니즘을 통해 블록을 검증하고 첨부함으로써 데이터 무결성과 감사 가능성을 확보한다.
• 비교 평가를 위해 블록체인 기반 접근 제어 모듈(BlendCAC)을 단일 모듈형 및 마이크로서비스 기반 응용 스택에 모두 통합한다.
• 실제 엣지 및 퍼그 장치를 사용한 물리적 IoT 네트워크 환경에서 프로토타입을 구축하고 성능 및 보안의 상충 관계를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기반 마이크로서비스 아키텍처가 단일 모듈형 및 중앙 집중형 모델에 비해 분산형 IoT 기반 공공안전 시스템의 보안성과 확장성 향상에 기여하는가?
• RQ2 스마트 계약과 블록체인 기술의 통합이 이질적이고 엣지 컴퓨팅 환경에서 세밀한 분산형 신뢰 없는 접근 제어를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 자원 제약이 있는 엣지 및 퍼그 컴퓨팅 플랫폼에 블록체인 기반 접근 제어를 구현할 경우 발생하는 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 실시간 공공안전 응용 분야의 맥락에서 마이크로서비스 기반 통신의 지연 시간은 단일 모듈형 내부 프로세스 통신(IPC)에 비해 어떻게 다를까?
• RQ5 허가된 블록체인과 스마트 계약 시스템이 감시 데이터 스트림에서 데이터 무결성을 보장하고 변조를 방지하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• BlendMAS 아키텍처는 보안 및 감시 기능을 모듈화되고 컨테이너화된 마이크로서비스로 분리하여 엣지 및 퍼그 노드에서의 영구적이고도 영리한 배포 및 유지보수를 가능하게 했다.
• 퍼그 노드에서 마이크로서비스 기반 아키텍처(Micro_App)는 데이터 확보에 평균 133.5 ms의 지연 시간을 보였고, 단일 모듈형 버전(Mono_App)의 59.9 ms 대비 73.6 ms의 오버헤드를 기인한 것으로 분석되었다. 이는 원격 프로시저 호출(RPC)에 기인한다.
• 엣지 장치에서는 두 아키텍처 모두 유사한 지연 시간(147.1 ms for Micro_App 대비 140.3 ms for Mono_App)을 보였으며, 이는 RPC 통신에 기인한 6.8 ms의 차이로 설명된다.
• 마이크로서비스 모델의 네트워크 지연 시간이 높음에도 불구하고, 아키텍처는 느슨한 결합성, 플랫폼 간 상호 운용성, 장애 내성성 측면에서 뚜렷한 이점을 보였다.
• 블록체인 기반 접근 제어 메커니즘이 암호학적 해시값을 고정된 레지스트리에 저장하여 데이터 변조를 효과적으로 방지했다.
• 프로토타입은 BlendMAS가 실제 물리적 IoT 환경에서 실현 가능하고 효과적임을 입증하였으며, 스마트 공공안전 시스템에 대해 확장성 있고 안전하며 탈중앙화된 솔루션으로서의 잠재력을 확인했다.