[논문 리뷰] Designing a blockchain-based IoT infrastructure with Ethereum, Swarm and LoRa

Kazım Rıfat Özyılmaz, Arda Yurdakul|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 12인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 데이터를 Swarm에 저장하고 액세스를 이더리움 스마트 컨트랙트를 통해 조정하는 표준화된 블록체인 기반 IoT 백엔드를 제시하며, LoRa 게이트웨이 기반의 PoC로 시연한다.

ABSTRACT

Today, the number of IoT devices in all aspects of life is exponentially increasing. The cities we are living in are getting smarter and informing us about our surroundings in a contextual manner. However, there lay significant challenges of deploying, managing and collecting data from these devices, in addition to the problem of storing and mining that data for higher-quality IoT services. Blockchain technology, even in today's nascent form, contains the pillars to create a common, distributed, trustless and autonomous infrastructure system. This paper describes a standardized IoT infrastructure; where data is stored on a DDOS-resistant, fault-tolerant, distributed storage service and data access is managed by a decentralized, trustless blockchain. The illustrated system used LoRa as the emerging network technology, Swarm as the distributed data storage and Ethereum as the blockchain platform. Such a data backend will ensure high availability with minimal security risks while replacing traditional backend systems with a single "smart contract".

연구 동기 및 목표

• IoT 기기 발견, 통신 및 데이터 제출을 블록체인-backed 백엔드로 표준화한다.
• 피어투피어, 내결함성, DDOS-저항 인프라를 IoT 데이터 저장 및 접근을 위해 구축한다.
• 스마트 컨트랙트와 통합 인터페이스를 통해 IoT 기기로부터의 쿼리 및 데이터 검색을 용이하게 한다.
• LoRa 게이트웨이와 Swarm 저장 및 이더리움 스마트 컨트랙트의 통합을 PoC로 시연한다.

제안 방법

• 데이터가 Swarm에 저장되고 참조(해시)가 이더리움에 스마트 컨트랙트를 통해 저장되는 게이트웨이 중심의 IoT 아키텍처를 기술한다.
• LoRa 게이트웨이를 이더리움과 Swarm에 통합하여 단일 프로토콜로 데이터 푸시, 저장 및 검색이 가능하도록 한다.
• 게이트웨이의 통합 전략(게이트웨이가 풀 노드, 게이트웨이가 얇은 클라이언트, 엔드 디바이스가 다양한 블록체인 클라이언트로 작동)들을 제안한다.
• 장치 데이터와 Swarm 파일 해시를 매핑하고 데이터 제출 시 이벤트를 발생시키는 샘플 스마트 컨트랙트 데이터 구조를 제시한다.
• LoRaWAN 하드웨어를 사용한 PoC를 통해 센서에서 Swarm 저장소 및 이더리움 기반 접근까지의 엔드-투-엔드 데이터 흐름을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IoT 게이트웨이와 엔드 디바이스를 이더리움과 Swarm을 사용하여 블록체인 기반 백엔드에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ2 데이터 모델과 스마트 컨트랙트 구조가 IoT 데이터와 Swarm 저장 핸들을 효율적으로 연결하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 LoRa 게이트웨이를 활용한 블록체인 기반 IoT 백엔드의 배치에서 자원, 처리량, 아키텍처상의 함의는 무엇인가?
• RQ4 PoC가 LoRa 엔드 디바이스에서 Swarm으로의 엔드-투-엔드 데이터 푸시를 이더리움 스마트 컨트랙트를 통해 접근 가능하게 시연할 수 있는가?

주요 결과

• 블록체인 기반 IoT 백엔드는 Swarm을 통한 DDOS-저항 저장소와 이더리움 스마트 컨트랙트를 통한 신뢰 없는 데이터 접근을 제공할 수 있다.
• LoRa 기반 PoC는 엔드 디바이스에서 게이트웨이를 거쳐 Swarm 저장소와 이더리움으로의 데이터 흐름을 보여주며, 스마트 컨트랙트가 장치 데이터를 Swarm 해시와 연결한다.
• 다양한 게이트웨이 및 디바이스 통합 모드(풀 노드, 얇은 클라이언트, 서버 신뢰 클라이언트, 얇은 대 풀 노드의 차이)로 통합 용이성 및 신뢰 가정 간의 trade-off가 존재한다.
• 프라이빗 이더리움 네트워크에서 처리량은 초당 약 16건에 도달할 수 있으며, 작성 시점의 퍼블릭 이더리움은 약 10.6건/p초였다.
• Swarm을 가진 게이트웨이는 메모리 사용을 증가시키지만(프라이빗 네트워크의 마이닝 풀 노드에 1.2–1.5GB, 퍼블릭 네트워크에서 최대 4GB) IoT 데이터 처리의 확장성을 가능하게 한다.
• 이 논문은 PoS로의 전환, 암호화 및 접근 제어 문제, 대역폭 고려사항, IoT 블록체인 시스템의 실시간 데이터 요구사항 등의 개선 가능성을 논의한다.