[논문 리뷰] Blockchain as privacy and security solution for smart environments: A Survey

Maad Ebrahim, Abdelhakim Hafid외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 16.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 14

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 스마트 환경에서 프라이버시와 보안을 향상시키기 위해 블록체인, IoT, AI, SDN, 엣지/안개/클라우드 컴퓨팅을 통합적으로 제안한다. 탈중앙화된 신뢰 레이어로 블록체인을 활용함으로써 분산된 IoT 시스템 간에 안전한 데이터 공유, 액세스 제어 및 인증을 가능하게 하며, AI 기반의 SDN이 실시간으로 트래픽 및 자원 할당을 최적화한다.

ABSTRACT

Blockchain was always associated with Bitcoin, cryptocurrencies, and digital asset trading. However, its benefits are far beyond that. It supports technologies like the Internet-of-Things (IoT) to pave the way for futuristic smart environments, like smart homes, smart transportation, smart energy trading, smart industries, smart supply chains, and more. To enable these environments, IoT devices, machines, appliances, and vehicles, need to intercommunicate without the need for centralized trusted parties. Blockchain replaces these trusted parties in such trustless environments. It provides security enforcement, privacy assurance, authentication, and other key features to IoT ecosystems. Besides IoT-Blockchain integration, other technologies add more benefits that attract the research community. Software-Defined Networking (SDN), Fog, Edge, and Cloud Computing technologies, for example, play a key role in enabling realistic IoT applications. Moreover, the integration of Artificial Intelligence (AI) provides smart, dynamic, and autonomous decision-making capabilities for IoT devices in smart environments. To push the research further in this domain, we provide in this paper a comprehensive survey that includes state-of-the-art technological integration, challenges, and solutions for smart environments, and the role of these technologies as the building blocks of such smart environments. We also demonstrate how the level of integration between these technologies has increased over the years, which brings us closer to the futuristic view of smart environments. We further discuss the current need to provide general-purpose Blockchain platforms that can adapt to unique design requirements of different applications and solutions. Finally, we provide a simplified architecture of futuristic smart environments that integrate these technologies, showing the advantage of such integration.

연구 동기 및 목표

• 블록체인을 IoT, AI, SDN, 엣지/안개/클라우드 컴퓨팅과 융합하여 안전하고 프라이버시를 보장하는 스마트 환경을 구축하는 데 초점을 맞춘다.
• 실제 스마트 환경에 블록체인 기반 솔루션을 구현할 때 발생하는 테스트, 확장성, 성능과 관련된 주요 과제를 규명한다.
• 다양한 애플리케이션 중심의 요구사항을 수용할 수 있는 일반 목적의 블록체인 플랫폼 개발을 촉구한다.
• 신속한 스마트 환경 기술과의 종단 간 통합을 보여주는 통합 아키텍처 모델을 제시한다.
• 기존의 블록체인 구현 사례를 평가하고, 보안, 프라이버시, 상호운용성 측면에서의 격차를 부각시킨다.

제안 방법

• 2016~2020년 사이의 최근 연구 70편 이상을 체계적으로 조사하여 블록체인의 IoT 및 스마트 환경 응용에 대해 분석한다.
• 사용 사례(예: 스마트 홈, 공급망, 차량 네트워크), 합의 메커니즘(PoW, PBFT, PoS), 배포 모델(공용, 비공용, 협의체)에 따라 블록체인 기반 솔루션을 분류한다.
• 동적 트래픽 및 데이터 관리를 위한 엣지, 안개, 클라우드 및 AI 강화된 SDN과 통합된 단순화된 다층 아키텍처를 제안한다.
• 탈중앙화된 IoT 생태계에서 액세스 제어, 인증, 데이터 무결성 확보에 기여하는 스마트 계약의 역할을 분석한다.
• 기여된 논문들에서의 시뮬레이션 및 프로토타입 기반 결과를 활용하여 시간 민감한 응용 분야에서 블록체인의 성능 및 구현 가능성을 평가한다.
• 스마트 환경 워크로드에 특화된 미래의 일반 목적 블록체인 플랫폼을 위한 설계 패턴과 아키텍처 추상화를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인이 IoT, AI, SDN, 엣지/안개/클라우드 컴퓨팅과 효과적으로 통합되어 스마트 환경에서 프라이버시와 보안을 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 실제 스마트 환경에 블록체인 기반 솔루션을 구현할 때 발생하는 주요 과제는 무엇이며, 이는 시뮬레이션 결과와 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 다양한 스마트 환경 사용 사례에 가장 적합한 합의 메커니즘과 배포 모델(공용, 비공용, 협의체)은 무엇인가?
• RQ4 AI와 SDN은 트래픽 제어, 데이터 오프로딩, 자원 스케줄링 측면에서 통합된 블록체인 기반 IoT 시스템을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 다양한 스마트 환경 응용 분야를 위한 일반 목적의 블록체인 플랫폼을 실현하기 위해 필요한 아키텍처 및 플랫폼 수준의 혁신은 무엇인가?

주요 결과

• 블록체인은 IoT 생태계에서 중심화된 신뢰 기관을 효과적으로 대체하여 탈중앙화된 인증, 액세스 제어 및 데이터 무결성 확보를 가능하게 한다.
• AI와 SDN의 융합은 엣지, 안개, 클라우드 계층을 가로질러 IoT 데이터의 동적이고 지능적인 트래픽 관리 및 최적 경로 설정을 가능하게 한다.
• 엣지 및 안개 컴퓨팅은 블록체인 또는 클라우드로의 전송 이전에 IoT 데이터를 사전 처리함으로써 지연 시간과 대역폭 사용량을 줄인다.
• 기업 수준의 스마트 환경에서는 공용 블록체인보다 프라이빗 및 협의체 블록체인이 프라이버시 및 성능 측면에서 우수하므로 선호된다.
• 스마트 계약은 탈중앙화된 시장에서 IoT 데이터 공유, 액세스 제어, 금전 거래의 자동화에 널리 사용된다.
• 다양한 프로토타입은 유망한 결과를 보였지만, 시뮬레이션에서는 드러나지 않는 숨겨진 시스템 수준의 문제들로 인해 실제 물리적 구현이 여전히 주요 과제로 남아 있다.