[논문 리뷰] Incentivized Delivery Network of IoT Software Updates Based on Trustless Proof-of-Distribution

Oded Leiba, Yechiav Yitzchak외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 11.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반 스마트 계약과 영지식 조건 지급(ZKCP)을 사용하여 탈중앙화되고 인센티브 기반인 IoT 소프트웨어 업데이트 배포 네트워크를 제안한다. 이는 배포자에게 신뢰할 수 없는 공정한 보상 보장을 위해 설계되어 있으며, 스마트 계약을 통해 제조사의 약속을 마이크로페이먼트와 연결하고 ZKCP를 활용해 배포 증명을 위조할 수 없게 함으로써 중앙집중화된 인프라나 중개자를 신뢰할 필요 없이도 확장성 있고 안전하며 감사 가능한 보안 업데이트 배포를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The prevalence of IoT devices makes them an ideal target for attackers. To reduce the risk of attacks vendors routinely deliver security updates (patches) for their devices. The delivery of security updates becomes challenging due to the issue of scalability as the number of devices may grow much quicker than vendors' distribution systems. Previous studies have suggested a permissionless and decentralized blockchain-based network in which nodes can host and deliver security updates, thus the addition of new nodes scales out the network. However, these studies do not provide an incentive for nodes to join the network, making it unlikely for nodes to freely contribute their hosting space, bandwidth, and computation resources. In this paper, we propose a novel decentralized IoT software update delivery network in which participating nodes referred to as distributors) are compensated by vendors with digital currency for delivering updates to devices. Upon the release of a new security update, a vendor will make a commitment to provide digital currency to distributors that deliver the update; the commitment will be made with the use of smart contracts, and hence will be public, binding, and irreversible. The smart contract promises compensation to any distributor that provides proof-of-distribution, which is unforgeable proof that a single update was delivered to a single device. A distributor acquires the proof-of-distribution by exchanging a security update for a device signature using the Zero-Knowledge Contingent Payment (ZKCP) trustless data exchange protocol. Eliminating the need for trust between the security update distributor and the security consumer (IoT device) by providing fair compensation, can significantly increase the number of distributors, thus facilitating rapid scale out.

연구 동기 및 목표

• 빠르게 성장하는 기기 생태계에서 중앙집중화된 IoT 소프트웨어 업데이트 배포의 확장성과 가용성 문제를 해결하기 위해.
• 비제조사 노드가 대역폭, 스토리지, 계산 자원을 기여하도록 경제적 인centives를 도입하여 탈중앙화된 업데이트 네트워크의 무료 승객 문제를 해결하기 위해.
• 영지식 조건 지급(ZKCP)을 활용한 공정한 교환 메커니즘을 통해 배포자와 IoT 기기 간의 신뢰를 제거하기 위해.
• 제조사가 업데이트 배포를 모니터링하고 중요 패치를 우선순위 처리하며, 블록체인 검증 증명을 통해 소프트웨어 무결성을 보장할 수 있도록 하기 위해.
• 기존 블록체인 플랫폼(예: 이더리움)과의 호환성과 함께 고가용성, 감사 가능성, 확장성을 확보한 시스템 설계를 위해.

제안 방법

• 공개 블록체인 상의 스마트 계약을 사용하여 특정 IoT 기기에게 업데이트를 배포하는 데 대한 제조사의 약속을 마이크로페이먼트와 결합한다.
• 배포자가 배포 증명을 위조할 수 없게 하기 위해, 업데이트를 제공한 후에만 보상을 받을 수 있도록 한다. 이 증명은 영지식 조건 지급(ZKCP) 프로토콜을 통해 생성된다.
• ZKCP는 신뢰 없는 교환을 가능하게 하며, 배포자가 업데이트를 전송하고 IoT 기기가 챌린지에 서명하여 업데이트가 전달되었음을 증명하는 방식이다.
• 배포 증명은密码학적으로 검증 가능하며, 블록체인에 게시되어 보상 청구가 가능해지며, 공정성과 불가역성을 보장한다.
• 시스템은 zk-SNARKs를 활용하여 오직 정확한 배포만 유효한 증명을 생성하게 하며, 위조 가능성이 극도로 낮다.
• 최적화로는 배치 처리된 거래와 공개 키 인덱싱을 통해 블록체인 스토리지와 거래 부담을 줄였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙집중화된 인프라에 의존하지 않고도 탈중앙화된 IoT 업데이트 네트워크가 고가용성과 확장성을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 비제조사 노드가 업데이트를 배포하는 데 적극적으로 참여하도록 효과적으로 모델링할 수 있는 경제적 인센티브는 무엇인가?
• RQ3 ZKCP와 같은 신뢰 없는 교환 프로토콜을 사용하여 배포자와 IoT 기기 간의 신뢰를 제거하면서도 공정한 보상을 보장할 수 있는가?
• RQ4 허가 없는 탈중앙화된 네트워크에서 소프트웨어 업데이트의 무결성과 진위성을 보장할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 시스템이 감사 가능하고 확장 가능하며, 중요 패치나 클라이언트별 배포와 같은 제조사 고유의 우선순위를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 인centivized 노드 간의 분산 배포를 통해 확장성 있고 장애 내성적이며 고가용성 있는 IoT 업데이트 배포 네트워크를 제공한다.
• 배포 증명은 암호학적으로 위조할 수 없으며, 위조 가능성이 극도로 낮아 오직 유효한 배포만 보상 대상이 된다.
• 블록체인 상의 스마트 계약은 제조사의 약속을 불가역적으로 이행하여, 배포자가 성공적으로 배포한 경우에만 보상을 지급하도록 보장한다.
• ZKCP의 사용은 공정한 교환을 보장한다: 배포자가 업데이트를 배포해야만 보상을 받고, 기기는 업데이트를 수신한 후에만 서명한다.
• 시스템은 프로그래밍 가능한 인센티브를 지원하여, 스마트 계약 논리로 특정 업데이트나 클라이언트의 우선순위를 설정할 수 있다.
• 블록체인의 현재 거래 제한에도 불구하고, 배치 처리된 거래와 서명 집계 최적화를 통해 오버헤드를 크게 줄이고 확장성을 향상시킬 수 있다.