[논문 리뷰] EdgeChain: An Edge-IoT Framework and Prototype Based on Blockchain and Smart Contracts

Jianli Pan, Jianyu Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 18인용 수 26

한 줄 요약

EdgeChain는 엣지 컴퓨팅 환경에서 IoT 디바이스 행동을 보호하고 규제하기 위해 스마트 계약과 신용 기반 자원 관리 시스템을 통합한 허가된 블록체인 기반 프레임워크를 제안한다. 내부 '코인'을 통해 엣지 클라우드 자원을 디바이스 계정과 연결하고 스마트 계약을 통해 정책을 이행함으로써 EdgeChain는 확장성 있고 감사 가능하며 신뢰할 수 없는 자원 할당을 실현하며, 수용 가능한 성능 오버헤드를 보이며 프로토타입 실험을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

The emerging Internet of Things (IoT) is facing significant scalability and security challenges. On the one hand, IoT devices are "weak" and need external assistance. Edge computing provides a promising direction addressing the deficiency of centralized cloud computing in scaling massive number of devices. On the other hand, IoT devices are also relatively "vulnerable" facing malicious hackers due to resource constraints. The emerging blockchain and smart contracts technologies bring a series of new security features for IoT and edge computing. In this paper, to address the challenges, we design and prototype an edge-IoT framework named "EdgeChain" based on blockchain and smart contracts. The core idea is to integrate a permissioned blockchain and the internal currency or "coin" system to link the edge cloud resource pool with each IoT device' account and resource usage, and hence behavior of the IoT devices. EdgeChain uses a credit-based resource management system to control how much resource IoT devices can obtain from edge servers, based on pre-defined rules on priority, application types and past behaviors. Smart contracts are used to enforce the rules and policies to regulate the IoT device behavior in a non-deniable and automated manner. All the IoT activities and transactions are recorded into blockchain for secure data logging and auditing. We implement an EdgeChain prototype and conduct extensive experiments to evaluate the ideas. The results show that while gaining the security benefits of blockchain and smart contracts, the cost of integrating them into EdgeChain is within a reasonable and acceptable range.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한되고 취약한 디바이스로 인해 발생하는 대규모 IoT 배포 환경에서의 확장성과 보안 도전 과제를 해결한다.
• 중앙 집중식 클라우드 컴퓨팅과 기존의 퍼미터 기반 보안의 한계를 극복한다.
• 블록체인과 스마트 계약을 활용하여 IoT 디바이스 행동과 자원 사용에 대한 탈중앙화되고 자동화되며 감사 가능한 제어를 가능하게 한다.
• 디바이스 우선순위, 애플리케이션 유형 및 이력 행동에 따라 동적으로 엣지 자원 할당을 조절하는 신용 기반 시스템을 설계한다.
• 블록체인과 스마트 계약을 엣지-IoT 시스템에 통합하는 타당성과 성능 비용을 평가하기 위해 프로토타입을 개발한다.

제안 방법

• 모든 IoT 트랜잭션과 디바이스 활동의 무결성 있는 로깅을 위해 허가된 블록체인을 구현한다.
• 디바이스 전용 자원 신용과 사용량을 표현하고 추적하기 위해 내부 '코인' 시스템을 도입한다.
• 접근 제어 정책을 강제 이행하여 비부인성과 자동화된 자원 할당 규칙 이행을 보장하기 위해 스마트 계약을 사용한다.
• 디바이스 우선순위, 애플리케이션 유형 및 이력 행동에 따라 자원 가용성을 조정하는 신용 기반 자원 관리 모델을 설계한다.
• 상호 운용성과 배포 유연성을 확보하기 위해 기존 엣지 클라우드 플랫폼(예: Cloudlet 또는 HomeCloud)과 프레임워크를 통합한다.
• 수용률, 자원 활용도 및 성능 오버헤드를 측정하기 위해 다양한 워크로드와 시스템 구성에서 광범위한 시뮬레이션과 프로토타입 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인과 스마트 계약은 엣지-IoT 시스템에 어떻게 효과적으로 통합되어 보안성과 확장성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 실시간 IoT 자원 관리에 허가된 블록체인과 스마트 계약을 사용할 경우 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ3 신용 기반 시스템은 다양한 IoT 디바이스 간의 엣지 자원 할당에서 공정성과 제어를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 스마트 계약은 탈중앙화되고 비부인 가능한 방식으로 엣지-IoT 환경에서 디바이스 행동 정책을 신뢰성 있게 이행할 수 있는가?
• RQ5 다양한 가격 책정 및 입국 정책은 자원 수용률과 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• EdgeChain 프로토타입은 블록체인과 스마트 계약을 엣지-IoT 프레임워크에 수용 가능한 성능 오버헤드로 성공적으로 통합하였다.
• 신용 기반 자원 관리 시스템은 우선순위, 애플리케이션 유형 및 이력 행동에 기반해 디바이스 액세스를 효과적으로 규제하여 공정성과 제어를 향상시켰다.
• 가격 책정 메커니즘의 최적의 베타 값은 [1.3, 1.4] 범위에서 도출되었으며, 수용률과 우선순위 이행 간의 균형을 잘 맞췄다.
• 제안된 가격 책정 알고리즘은 FCFS 및 다중 수준 우선순위 스케줄링보다 요청 수용률 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 엣지 자원 용량이 감소함에 따라 가격 책정 메커니즘이 높은 수용률을 유지하여 자원 부족 상황에서도 뛰어난 강건성을 입증하였다.
• CPU, 메모리, 스토리지 및 대역폭 용량과 같은 시스템 파라미터는 실험에서 조정되었으며, 다양한 구성에서도 안정적인 성능을 보였다.