[논문 리뷰] Blockchain enabled fog structure to provide data security in IoT applications

Mozhdeh Farhadi, Daniele Miorandi외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 15.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 없는 IoT 환경에서 종단 간 데이터 보안을 보장하기 위해 퍼블릭 블록체인을 퍼그 컴퓨팅 인프라에 구현한 허가된 블록체인 아키텍처를 제안한다. 블록체인의 변경 불가능성과 탈중앙화 특성을 활용함으로써, 다수의 당사자에 대한 IoT 데이터 스트림에 대해 기밀성, 무결성, 신원 확인, 비인정 방지, 가용성을 제공하며, 퍼그 노드가 분산 장부 참가자로 작동하여 지연 시간을 줄이고 확장성을 향상시킨다.

ABSTRACT

IoT provides services by connecting smart devices to the Internet, and exploiting data generated by said devices to enable value-added services to individuals and businesses. In such cases, if data is exposed, tampered or lost, the service would not behave correctly. In this article, we discuss data security in IoT applications across five dimensions: confidentiality, integrity, authenticity, non-repudiation and availability. We discuss how distributed ledger technology could be used to overcome these issues and propose to use a fog computing architecture as decentralized computational support to deploy the ledger.

연구 동기 및 목표

• 서로를 신뢰하지 않는 데이터 소유자와 서비스 제공자가 참여하는 이질적이고 다수의 당사자로 구성된 IoT 시스템에서의 데이터 보안 과제를 해결한다.
• 탈중앙화된 IoT 생태계에서 중심화된 신뢰 모델에 의존하는 기존 암호화 솔루션의 한계를 극복한다.
• 모든 다섯 가지 보안 차원(기밀성, 무결성, 신원 확인, 비인정 방지, 가용성)을 지원하는 탈중앙화되고 확장 가능하며 내구성이 있는 데이터 보안 계층을 제공한다.
• 클라우드 기반 솔루션과 비교해 지연 시간과 대역폭 소비를 줄이기 위해 블록체인을 퍼그 인프라 위에 소프트 보안 계층으로 통합한다.
• 허가된 IoT 디바이스와 서비스만 기록을 쓸 수 있도록 공개 허가 블록체인을 설계함으로써 액세스 제어와 검증 가능성 모두를 확보한다.

제안 방법

• 퍼그 컴퓨팅 인프라에 허가된 공개 블록체인을 구현하여 IoT 데이터를 위한 탈중앙화된 장부로 활용한다.
• 비대칭 암호화를 사용해 데이터를 암호화하고, 공개 키 암호화를 통해 암호화 키를 인증된 수신자에게 안전하게 배포한다.
• 퍼그 노드에서 합의 프로토콜을 적용하여 장부 일관성을 유지하고 악성 수정을 방지한다.
• 블록체인에 저장되는 것은 암호화된 포인터와 메타데이터뿐이며, 민감한 데이터는 암호화된 상태로 외부에 저장되어 스토리지 오버헤드를 줄인다.
• 블록체인의 변경 불가능성과 데이터 소스의 암호화 서명을 통해 데이터 무결성과 비인정 방지를 확보한다.
• 블록체인의 공개성 덕분에 모든 인증된 당사자가 읽기 액세스를 가능하게 하되, 쓰기 액세스는 인증된 참가자에 한해 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로를 신뢰하지 않는 다수의 데이터 소유자와 다수의 서비스 제공자가 참여하는 IoT 환경에서 데이터 보안을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ2 퍼그에 배포된 블록체인 아키텍처가 IoT 데이터 스트림에 대해 기밀성, 무결성, 신원 확인, 비인격 방지, 가용성을 어느 정도 확보할 수 있는가?
• RQ3 IoT 데이터 보안을 위해 퍼그 노드에 허가된 공개 블록체인을 사용할 경우 성능과 확장성의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 블록체인과 퍼그 컴퓨팅의 통합이 클라우드 기반 장부 솔루션 대비 지연 시간과 대역폭 소비를 얼마나 줄이는가?
• RQ5 공격 트리 분석을 통해 제안된 아키텍처가 다섯 가지 데이터 보안 차원 전반에서 모든 공격 벡터를 효과적으로 차단할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 블록체인-퍼그 아키텍처는 암호화 원리와 탈중앙화를 통해 기밀성, 무결성, 신원 확인, 비인격 방지, 가용성 등 다섯 가지 보안 차원을 네이티브로 지원한다.
• 데이터 무결성과 비인격 방지는 블록체인 기록의 변경 불가능성과 암호화 결합으로 인해 확보되며, 합의 후에는 수정이 불가능하다.
• 데이터 소스가 개인 키로 데이터를 서명하도록 요구함으로써 신원 확인과 비인격 방지 기능이 실현되며, 이는 모든 참가자가 검증할 수 있다.
• 기밀성은 블록체인에 암호화된 데이터만 저장하고, 암호화 해독 키는 인증된 수신자에게 공개 키 암호화를 통해 보호함으로써 유지된다.
• 블록체인의 분산 특성 덕분에 단일 장애 지점이 없어지므로 가용성이 암묵적으로 보장된다.
• 공격 트리 분석 결과, 블록체인 계층이 다섯 가지 보안 차원 전반에서 루트 불량 사건으로 이어지는 모든 공격 경로를 효과적으로 차단함을 확인하였으며, 이는 시스템의 내구성을 검증한다.