[논문 리뷰] SPB: A Secure Private Blockchain-based Solution for Energy Trading

Ali Dorri, Fengji Luo외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 28.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

SPB는 원자적 메타트랜잭션을 통해 신뢰할 수 있는 제3자(TTP)를 제거하고 익명 스마트 미터 인증을 통해 프라이버시를 향상시키는 보안성과 비공개성을 확보한 블록체인 프레임워크를 제안한다. 공개 키 기반 라우팅을 통해 패킷 오버헤드를 감소시키고 암호화된 확인서를 통해 에너지 수령을 보장하여 스마트 그리드 환경에서의 주요 공격에 대한 강건성을 입증한다.

ABSTRACT

Blockchain is increasingly being used to provide a distributed, secure, trusted, and private framework for energy trading in smart grids. However, existing solutions suffer from lack of privacy, processing and packet overheads, and reliance on Trusted Third Parties (TTP). To address these challenges, we propose a Secure Private Blockchain-based (SPB) framework. SPB enables the energy producers and consumers to directly negotiate the energy price. To reduce the associated packet overhead, we propose a routing method which routes packets based on the destination Public Key (PK). SPB eliminates the need for TTP by introducing atomic meta-transactions. The two transactions that form a meta-transaction are visible to the blockchain participants only after both of them are generated. Thus, if one of the participants does not commit to its tasks in a pre-defined time, then the energy trade expires and the corresponding transaction is treated as invalid. The smart meter of the consumer confirms receipt of energy by generating an Energy Receipt Confirmation (ERC). To verify that the ERC is generated by a genuine smart meter, SPB supports authentication of anonymous smart meters which in turn enhances the privacy of the meter owner. Qualitative security analysis shows the resilience of SPB against a range of attacks.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인 기반 에너지 거래 시스템에서의 프라이버시, 오버헤드, TTP 의존도 문제를 해결하기 위해.
• 중개자에 의존하지 않고 에너지 생산자와 소비자 간에 직접적으로 안전한 가격 협상이 가능하도록 하기 위해.
• 블록체인 내에서 공개 키 기반 라우팅을 통해 네트워크 패킷 오버헤드를 감소시키기 위해.
• 원자적 메타트랜잭션과 에너지 수령 확인서(ERCs)를 활용해 거래의 유효성과 에너지 수령의 진위성을 보장하기 위해.
• 익명이지만 검증 가능한 미터 인증을 통해 스마트 미터 소유자의 강력한 프라이버시 보장을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 상호의존적 트랜잭션이 모두 생성된 후에만 가시성이 보장되는 원자적 메타트랜잭션을 도입하여 상호 약속을 보장한다.
• 수신자의 공개 키(PK)를 기반으로 메시지를 라우팅함으로써 패킷 오버헤드를 최소화하는 공개 키(PK)-기반 라우팅을 적용한다.
• 두 단계 검증 프로세스를 구현: 에너지 공급 후 소비자 스마트 미터에서 암호화된 서명을 받은 ERC를 생성한다.
• 소유자 프라이버시를 보호하면서도 진짜 장치에서만 ERC가 생성되도록 보장하는 익명 스마트 미터 인증을 구현한다.
• 암호학적 원리를 적용해 트랜잭션과 수령 확인서를 신원에 연결하지만 기초 데이터를暴露하지 않아 프라이버시를 향상시킨다.
• 접근 제어와 데이터 기밀성을 유지하면서도 불가변성과 감사 가능성을 확보하기 위해 사적 블록체인에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기반 에너지 거래에서 트랜잭션 무결성을 확보하면서도 TTP를 어떻게 제거할 수 있는가?
• RQ2 에너지 거래 블록체인 시스템에서 패킷 오버헤드를 줄일 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 에너지 거래 검증 과정에서 스마트 미터 소유자의 프라이버시를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ4 에너지 수령 확인서가 진위성과 익명성을 동시에 확보할 수 있는 암호학적 원리는 무엇인가?
• RQ5 원자적 메타트랜잭션은 어떻게 상호 약속을 강제하고 단독적인 트랜잭션 실패를 방지할 수 있는가?

주요 결과

• SPB 프레임워크는 상호 약속을 보장하는 원자적 메타트랜잭션을 통해 신뢰할 수 있는 제3자(TTP) 의존도를 성공적으로 제거했다.
• 공개 키 기반 라우팅을 통해 패킷 오버헤드가 감소하였으며, 보안에 영향을 주지 않으면서도 메시지 전달을 최적화했다.
• 암호화된 확인서를 통해 검증되고 진짜 스마트 미터에 연결된 에너지 수령 확인서(ERCs)는 공급의 무결성을 보장한다.
• 신원을暴露하지 않으면서도 익명 스마트 미터 인증이 구현되어 사용자 프라이버시가 크게 향상되었다.
• 정성적 보안 분석을 통해 이중 지출, 시빌, 재생 공격 등 일반적인 공격에 대한 강건성이 확인되었다.
• 엔드 투 엔드 암호학적 보장을 갖춘 사적 블록체인 아키텍처를 통해 데이터 기밀성과 불가변성이 유지되었다.