[논문 리뷰] DLedger: An IoT-Friendly Private Distributed Ledger System Based on DAG

Zhiyi Zhang, Vishrant Vasavada외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 24.

Caching and Content Delivery참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

DLedger는 제약 조건이 있는 이질적인 IoT 환경에서 데이터 무결성, 가용성, 진위성을 보장하기 위해 방향성 비순환 그래프(DAG)와 인증 증명(PoA)을 사용하는 경량이며 IoT 우호적인 비공개 분산 장부 시스템을 제안한다. 이는 효율적인 데이터 확산을 위해 명명된 데이터 네트워킹(NDN)을 활용하며, 임계값 기반 보안 정책과 일정한 꼬리 기록 크기를 통해 네트워크 장애가 발생하더라도 빠르고 확장 가능하며 안전한 장부 운영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

With the ever growing Internet of Things (IoT) market, ledger systems are facing new challenges to efficiently store and secure enormous customer records collected by the IoT devices. The authenticity, availability, and integrity of these records are critically important for both business providers and customers. In this paper, we describe DLedger, a lightweight and resilient distributed ledger system. Instead of a single chain of blocks, DLedger builds the ledger over a directed acyclic graph (DAG), so that its operations can tolerate network partition and intermittent connectivity. Instead of compute-intensive Proof-of-Work (PoW), DLedger utilizes Proof-of-Authentication (PoA), whose light-weight operations are IoT-friendly, to achieve consensus. Furthermore, DLedger is built upon a data-centric network called Named Data Networking (NDN), which facilitates the peer-to-peer data dissemination in heterogeneous IoT networks.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중식 및 블록체인 기반 장부 시스템이 사설 IoT 비즈니스 네트워크에서 확장성, 연결성, 기기 제약 조건이라는 핵심 과제를 해결하지 못하는 데에 대비하기 위해.
• 간헐적인 연결성과 네트워크 분할 상황에서도 데이터 무결성, 진위성, 가용성을 보장하는 분산 장부 시스템을 설계하기 위해.
• 제약 조건이 있는 IoT 기기가 인증 증명(PoA)과 같은 경량 메커니즘을 통해 안전하고 효율적으로 장부 합의에 참여할 수 있도록 하기 위해.
• 특히 명명된 데이터 네트워킹(NDN)을 활용한 데이터 중심 네트워크 아키텍처를 통해 데이터 확산을 향상시키고 구현 복잡성을 감소시키기 위해.
• 시스템이 손상되기 전에 k명 이상의 N명의 피어가 손상되지 않는 한, 공격자 간의 공모 공격에 저항할 수 있는 임계값 기반 보안 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• DLedger는 선형 블록체인 대신 방향성 비순환 그래프(DAG)를 사용하여 장부를 구성함으로써 동시에 여러 기록 승인을 가능하게 하고, 네트워크 분할 후 쉽게 재통합할 수 있도록 한다.
• 계산 비용이 높은 작업 증명(Proof-of-Work)을 대체하는 경량 합의 메커니즘인 인증 증명(PoA)을 적용하여 제약 조건이 있는 IoT 기기의 효율적 참여를 가능하게 한다.
• 시스템은 (k, N) 임계값 보안 정책을 사용하여, k명 이하의 피어만 손상된 한 장부가 안전하게 유지되도록 보장함으로써 공모 공격에 저항한다.
• DLedger는 원천적으로 콘텐츠 기반 라우팅, 멀티캐스트, 강력한 데이터 가용성 지원을 제공하는 명명된 데이터 네트워킹(NDN) 기반으로 설계되어, 이질적인 IoT 네트워크에서의 데이터 확산 효율성을 향상시킨다.
• 각 기록은 생성자와 암호학적으로 연결되어 있으며, 새로운 기록을 생성하기 위해선 기존의 마지막 기록을 승인해야 하므로 안정적이고 예측 가능한 마지막 기록 크기를 확보한다.
• 시스템은 네트워크 지연 시간 T를 고려해 기록 승인을 포isson 과정으로 모델링하고, 안정적인 마지막 기록 크기 C = (nλT)/(n−1)를 유도함으로써 시스템 안정성과 예측 가능한 확인 시간을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 제약 조건이 있는 네트워크에서 네트워크 분할과 간헐적 연결성에 저항할 수 있는 IoT 우량 분산 장부 시스템을 설계할 수 있는가?
• RQ2 제약 조건이 있는 IoT 기기의 참여를 가능하게 하면서도 보안성과 일致성을 유지할 수 있는 경량 합의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 다양한 기기 가용성과 연결성 수준을 가진 이질적인 IoT 네트워크에서 데이터 가용성과 효율적인 확산은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ4 사설이고 신원이 확인된 장부 시스템에서 공모 공격에 저항할 수 있는 보안 모델은 무엇인가?
• RQ5 다양한 네트워크 조건과 높은 트랜잭션 처리량 상황에서도 안정적인 마지막 기록 크기와 예측 가능한 확인 시간을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• DLedger는 C = (nλT)/(n−1)의 안정적인 마지막 기록 크기를 달성하여 동적 워크로드 상황에서도 예측 가능한 시스템 행동과 일致된 성능을 보장한다.
• 기록의 예상 확인 시간은 t_confirm ≤ (TNn)/(n−1) × Σ_{i=0}^{W_confirm−1} 1/(N−i)로 제한되며, 피어 수에 대해 비선형적으로 확장되며 기록을 효율적으로 확인한다.
• 네트워크 분할 상황에서도 시스템이 강건함을 입증하였으며, DAG 기반 장부 아키텍처 덕분에 장애 복구 후 분리된 노드가 원활하게 재통합될 수 있다.
• 시뮬레이션과 이론적 분석을 통해 DLedger는 임계값 기반 보안 정책 덕분에 시비 및 이클립스 공격과 같은 다양한 공격 시나리오에 강력한 확장성과 내성적 저항성을 보였다.
• NDN의 사용은 내장된 멀티캐스트 지원을 통해 효율적이고 콘텐츠 기반의 데이터 확산을 가능하게 하여, 기존 P2P 접근 방식 대비 지연 시간과 구현 복잡성을 감소시켰다.
• DLedger의 PoA 메커니즘은 에너지 집약적인 채굴 또는 스테이킹 메커니즘에 의존하지 않는 경량이고 효율적인 합의를 가능하게 하여 제약 조건이 있는 IoT 기기와도 잘 어울린다.