[논문 리뷰] ChainSplitter: Towards Blockchain-based Industrial IoT Architecture for Supporting Hierarchical Storage

Gang Wang, Zhijie Shi외 2명|IACR Cryptology ePrint Archive|2019. 10. 02.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반의 산업용 인터넷 사물(IIoT) 아키텍처인 ChainSplitter를 제안하며, 계층적 스토리지 구조를 통해 대부분의 블록체인 데이터를 클라우드에 저장하면서도 최근 블록은 현지 IIoT 오버레이 네트워크에 유지함으로써 로컬 자원 사용을 줄입니다. 블록체인 커넥터를 사용해 IIoT 데이터에서 블록을 구성하고, 클라우드 커넥터를 통해 클라우드 스토리지와 동기화함으로써 자원이 제한된 장치의 스토리지 부담을 크게 줄이며 동시에 불변성과 검증 가능성을 유지합니다.

ABSTRACT

The fast developing Industrial Internet of Things (IIoT) technologies provide a promising opportunity to build large-scale systems to connect numerous heterogeneous devices into the Internet. Most existing IIoT infrastructures are based on a centralized architecture, which is easier for management but cannot effectively support immutable and verifiable services among multiple parties. Blockchain technology provides many desired features for large-scale IIoT infrastructures, such as decentralization, trustworthiness, trackability, and immutability. This paper presents a blockchain-based IIoT architecture to support immutable and verifiable services. However, when applying blockchain technology to the IIoT infrastructure, the required storage space posts a grant challenge to resource-constrained IIoT infrastructures. To address the storage issue, this paper proposes a hierarchical blockchain storage structure, extit{ChainSplitter}. Specially, the proposed architecture features a hierarchical storage structure where the majority of the blockchain is stored in the clouds, while the most recent blocks are stored in the overlay network of the individual IIoT networks. The proposed architecture seamlessly binds local IIoT networks, the blockchain overlay network, and the cloud infrastructure together through two connectors, the extit{blockchain connector} and the extit{cloud connector}, to construct the hierarchical blockchain storage. The blockchain connector in the overlay network builds blocks in blockchain from data generated in IIoT networks, and the cloud connector resolves the blockchain synchronization issues between the overlay network and the clouds. We also provide a case study to show the efficiency of the proposed hierarchical blockchain storage in a practical Industrial IoT case.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한된 산업용 인터넷 사물(IIoT) 환경에서 막대한 블록체인 스토리지 요구를 해결하기 위해.
• 다자간 IIoT 시스템에서 탈중앙화되고 신뢰할 수 있으며 검증 가능한 데이터 관리를 가능하게 하기 위해.
• 대부분의 블록체인 데이터를 클라우드 스토리지로 이관함으로써 IIoT 네트워크의 로컬 스토리지 오버헤드를 줄이기 위해.
• 분산된 IIoT 네트워크와 클라우드 인fra구조 간의 블록체인 일관성과 무결성을 유지하기 위해.
• 장기적인 블록체인 운영을 산업 환경에서 지원할 수 있는 확장성 있고 계층적인 스토리지 아키텍처를 설계하기 위해.

제안 방법

• 로컬 IIoT 네트워크, 블록체인 오버레이 네트워크, 클라우드 인fra구조로 구성된 3단계 아키텍처를 제안합니다.
• 최근 블록은 오버레이 네트워크에 로컬으로 저장하고 오래된 블록은 클라우드에 저장하는 계층적 블록체인 스토리지 모델을 도입합니다.
• 오버레이 네트워크에 블록체인 커넥터를 배치하여 IIoT 트랜잭션 데이터를 집계하고 새로운 블록을 구성합니다.
• 최신 블록을 로컬 오버레이 네트워크에서 클라우드로 동기화하기 위해 클라우드 커넥터를 사용하여 일관성을 확보합니다.
• 블록체인 크기와 노드 스토리지 용량에 따라 로컬 및 클라우드 스토리지 간의 스플릿 비율을 동적으로 조정합니다.
• 클라우드 기반의 블록체인 지속성과 무결성을 관리하기 위해 기존의 탈중앙화된 클라우드 스토리지 시스템(예: Storj)을 활용합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자원이 제한된 장치에 스토리지 부담을 가중시키지 않고 어떻게 블록체인을 IIoT 시스템에 통합할 수 있는가?
• RQ2 IIoT 네트워크와 클라우드 간에 효율적이고 확장성 있고 일관된 블록체인 운영을 가능하게 하는 계층적 스토리지 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 로컬 IIoT 네트워크는 어떻게 최근 블록체인 데이터를 유지하면서 오래된 데이터를 클라우드로 이관할 수 있는가?
• RQ4 로컬 오버레이 네트워크와 클라우드 기반 블록체인 스토리지 간의 일관성과 동기화를 보장하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 제안된 아키텍처는 분산된 IIoT 환경에서 블록체인의 불변성과 검증 가능성을 어떻게 유지하는가?

주요 결과

• 로컬 공식 노드에 저장되는 블록체인 데이터 비율은 스토리지 한계로 인해 시간이 지남에 따라 감소하며, 이는 자동으로 클라우드 동기화를 유도합니다.
• 시스템은 로컬 및 클라우드 스토리지 간에 동적인 균형을 유지하며, 로컬 스토리지 임계값(예: 100GB)이 클라우드 동기화의 트리거로 작용합니다.
• 계층적 스토리지 모델은 대부분의 블록체인 데이터를 클라우드로 이관함으로써 개별 IIoT 장치의 스토리지 부담을 줄입니다.
• 블록체인 커넥터와 클라우드 커넥터의 사용은 로컬 IIoT 네트워크, 오버레이 블록체인 네트워크, 클라우드 스토리지 간의 원활한 통합을 가능하게 합니다.
• 제안된 아키텍처는 각 장치에 전체 블록체인 복제를 요구하지 않으면서도 다자간 IIoT 환경에서 검증 가능하고 불변성 있는 데이터 로깅을 지원합니다.
• 이 접근법은 기존의 클라이언트 측 최적화나 부분 검증 기반의 접근 방식이 아닌, 체인 구조 수준에서 블록체인 스토리지 확장성을 처음으로 해결한 사례입니다.