[논문 리뷰] PoAh: A Novel Consensus Algorithm for Fast Scalable Private Blockchain for Large-scale IoT Frameworks

Deepak Puthal, Saraju P. Mohanty외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 21.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 34

한 줄 요약

본 논문은 PoAh를 도입한다. PoAh는 인증 기반 메커니즘을 이용해 private IoT 블록체인에서 PoW를 대체하는 경량 합의 알고리즘이며, 시뮬레이션과 Raspberry Pi 테스트베드를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In today's connected world, resource constrained devices are deployed for sensing and decision making applications, ranging from smart cities to environmental monitoring. Those recourse constrained devices are connected to create real-time distributed networks popularly known as the Internet of Things (IoT), fog computing and edge computing. The blockchain is gaining a lot of interest in these domains to secure the system by ignoring centralized dependencies, where proof-of-work (PoW) plays a vital role to make the whole security solution decentralized. Due to the resource limitations of the devices, PoW is not suitable for blockchain-based security solutions. This paper presents a novel consensus algorithm called Proof-of-Authentication (PoAh), which introduces a cryptographic authentication mechanism to replace PoW for resource constrained devices, and to make the blockchain application-specific. PoAh is thus suitable for private as well as permissioned blockchains. Further, PoAh not only secures the systems, but also maintains system sustainability and scalability. The proposed consensus algorithm is evaluated theoretically in simulation scenarios, and in real-time hardware testbeds to validate its performance. Finally, PoAh and its integration with the blockchain in the IoT and edge computing scenarios is discussed. The proposed PoAh, while running in limited computer resources (e.g. single-board computing devices like the Raspberry Pi) has a latency in the order of 3 secs.

연구 동기 및 목표

• 제약된 자원 환경의 IoT 및 에지에서 블록체인의 보안성과 확장성 문제를 해결한다.
• 암호학적 인증으로 PoW를 대체하는 경량 합의 메커니즘을 제안한다.
• 시뮬레이션과 실제 하드웨어 테스트베드를 통해 PoAh의 타당성과 성능을 입증한다.

제안 방법

• IoT 및 엣지 디바이스를 위한 암호학적 인증 기반 합의로서 Proof-of-Authentication (PoAh)을 제안한다.
• 블록 검증 흐름 내에서 서명, MAC 검증 및 암호화에 ElGamal 암호학을 사용한다.
• 인증된 블록을 검증하고 브로드캐스트하기 위해 신뢰 노드 기반 인증 프로세스를 구현한다.
• 거짓 인증을 완화하고 51% 공격에 저항하기 위해 노드 신뢰 값을 할당하고 조정한다.
• Python 기반 시뮬레이션과 6-node Raspberry Pi 테스트베드를 통해 PoAh의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoAh가 제약된 자원을 가진 IoT 디바이스에서 PoW/PoS와 비교하여 안전하고 빠른 블록 검증을 제공할 수 있는가?
• RQ2 IoT 시나리오에서 블록 검증의 에너지 및 시간 소모를 줄이면서 블록체인 보안을 유지하는가?
• RQ3 신뢰 노드 인증 메커니즘이 IoT 블록체인의 확장성과 공격에 대한 회복력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과 PoAh의 평균 인증 시간이 3.34초로 500회 반복에서 나타났다.
• 여섯 대의 Raspberry Pi 장비를 이용한 하드웨어 테스트베드가 PoAh 작동을 실시간 데이터 및 인증 워크플로와 함께 시연한다.
• PoAh는 해시 역산 PoW를 빠른 암호학적 인증으로 대체하여 에너지 및 시간 비용을 감소시킨다.
• 신뢰 노드가 블록을 브로드캐스트하기 전에 인증하여 IoT 네트워크의 불안정성 및 51% 공격 문제를 해결한다.