[논문 리뷰] Microchain: A Hybrid Consensus Mechanism for Lightweight Distributed Ledger for IoT

Ronghua Xu, Yu Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 30인용 수 12

한 줄 요약

Microchain는 자원이 제한된 IoT 환경에서 경량이며 안전하고 확장 가능한 분산 블록체인을 위한 하이브리드 Proof-of-Credit (PoC)-Voting 기반 체인 최종성(VCF) 합의 기반 메커니즘을 제안한다. 검증자로 구성된 예측 불가능하고 동적인 위원회를 암호학적 정렬 기반의 검증 가능한 난수 함수(VRF)를 사용해 구성함으로써 고처리량, 저지연, 낮은 계산 부하를 달성한다. 이는 라즈베리 파이에서 구현된 프로토타입을 통해 입증되었으며, CPU 사용률 15% 수준에서 PoW 대비 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

A blockchain and smart contract enabled security mechanism for IoT applications has been reported recently for urban, financial, and network services. However, due to the power-intensive and a low-throughput consensus mechanism in existing blockchain, like Bitcoin and Ethereum, there are still challenges in integrating blockchain technology into resource-constrained IoT platforms. In this paper, Microchain, based on a hybrid Proof-of-Credit (PoC)-Voting-based Chain Finality (VCF) consensus protocol, is proposed to provide a secure, scalable and lightweight distributed ledger for IoT systems. By using a bias-resistant randomness protocol and a cryptographic sortition algorithm, a random subset of nodes are selected as a final committee to perform the consensus protocol. The hybrid consensus mechanism relies on PoC, a pure Proof of stake (PoS) protocol, to determine whether or not a participant is qualified to propose a block, given a fair initial distribution of the credit assignment. The voting-based chain finality protocol is responsible for finalizing a history of blocks by resolving conflicting checkpoint and selecting a unique chain. A proof-of-conception prototype is implemented and tested on a physical network environment. The experimental results verify that the Micorchain is able to offer a partially decentralized, scalable and lightweight distributed ledger protocol for IoT applications.

연구 동기 및 목표

• 기존의 블록체인 합의 기반 기술(예: PoW, PBFT)이 자원이 제한된 IoT 환경에서 확장성과 에너지 비효율성 문제를 해결하기 위해.
• 다양하고 동적인 IoT 네트워크, 분산된 관리 및 보안 정책을 고려한 경량이며 부분적으로 탈중앙화된 블록체인 아키텍처를 설계하기 위해.
• Sybil 공격, 이중 지출 공격, 장거리 공격에 대비한 보안성을 유지하면서도 통신 및 계산 부하를 줄이기 위해.
• PoC와 VCF를 기반으로 한 하이브리드 합의 모델을 통해 빠른 거래 최종성과 고처리량을 달성하기 위해.
• 라즈베리 파이와 같은 저전력 IoT 장치에서 작동하는 프로토타입을 통해 실현 가능성 검증하기 위해.

제안 방법

• Proof-of-Credit (PoC)와 투표 기반 체인 최종성(VCF) 프로토콜을 융합한 하이브리드 합의 프로토콜을 구현하여 블록을 최종화한다.
• 암호학적 정렬 기반의 검증 가능한 난수 함수(VRF)를 사용해 편향에 강하고 예측 불가능한 방식으로 네트워크에서 동적 검증자 위원회(‘다이내스티’)를 선출한다.
• 최종 검증자 위원회는 n ≥ 3f+1 노드가 필요로 하는 투표 메커니즘을 통해 블록을 제안하고 체크포인트를 최종화한다. 이는 f개의 Byzantine 장애를 견딜 수 있도록 한다.
• 블록 제안은 PoC 기반으로 이루어지며, 노드의 신용 스테이크에 따라 제안 권한이 결정되어 에너지 효율성과 공정성을 확보한다.
• 체크포인트 기반의 투표 메커니즘을 통해 포크를 해결하고 지속성과 활성화를 보장함으로써 체인 최종성을 달성한다.
• 저전력 장치에 최적화된 경량 데이터베이스와 서명 검증 파이프라인을 도입하여 CPU 및 메모리 사용량을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자원이 제한된 IoT 환경에서 하이브리드 PoC-VCF 합의 기반 기술이 고처리량과 저지연을 달성할 수 있는가?
• RQ2 Sybil 공격을 방지하고 블록 제안 권한의 공정성을 확보하기 위해 예측 불가능하고 동적인 검증자 위원회를 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 PoW 및 PBFT 대비 IoT 환경 구현에서 계산 및 통신 부하를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 VCF 프로토콜이 체인 최종성, 지속성, 이중 지출 및 장거리 공격에 대한 저항성 확보에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 자기 중심 채굴 또는 거래 거부와 같은 악성 행동 상황에서도 시스템이 활성화 및 보안을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• Microchain는 PoW 기반 블록체인보다 유의미하게 높은 처리량을 달성하며, 저전력 IoT 장치에 최적화된 성능을 보였다.
• 라즈베리 파이 B+에서 CPU 사용률은 15%에 불과했으며, PoW 대비 거의 100%에 가까운 사용률을 기록한 것과 대비되어 계산 부하가 극히 낮음을 입증했다.
• 소규모이고 동적인 검증자 위원회 덕분에 낮은 네트워크 지연과 효율적인 통신을 구현했다.
• VRF 기반의 위원회 선출 방식은 예측 불가능성을 보장하여 악성 공격자가 위원회를 제어하거나 장거리 공격을 시도하는 것을 어렵게 한다.
• 체인 최종성 메커니즘은 지속성을 보장하여 확정된 거래가 뒤로 되돌릴 수 없고, 활성화 보장을 통해 유효한 거래가 결국 최종화됨을 보장한다.
• 라즈베리 파이에서의 프로토타입 구현을 통해 Microchain가 실세계 IoT 응용 분야에서의 실현 가능성과 확장성을 확인했다.