[논문 리뷰] Towards Secure Blockchain-enabled Internet of Vehicles: Optimizing Consensus Management Using Reputation and Contract Theory

Jiawen Kang, Zehui Xiong외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 22.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 24인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 신뢰도 기반 마이너 선택과 계약 이론 기반 블록 검증을 활용하여 블록체인 기반 차량 인터넷(BIoV)에 대한 이중 단계 소프트 보안 강화 기법을 제안한다. 다중 가중 주관적 논리에 기반한 신뢰도 평가와 인센티브 호환 계약을 활용함으로써, 악성 마이너 탐지율을 13% 향상시키고, 공모 위험을 감소시켜 자원 제약이 있는 IoV 환경에서 합의 보안성과 효율성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In Internet of Vehicles (IoV), data sharing among vehicles is essential to improve driving safety and enhance vehicular services. To ensure data sharing security and traceability, highefficiency Delegated Proof-of-Stake consensus scheme as a hard security solution is utilized to establish blockchain-enabled IoV (BIoV). However, as miners are selected from miner candidates by stake-based voting, it is difficult to defend against voting collusion between the candidates and compromised high-stake vehicles, which introduces serious security challenges to the BIoV. To address such challenges, we propose a soft security enhancement solution including two stages: (i) miner selection and (ii) block verification. In the first stage, a reputation-based voting scheme for the blockchain is proposed to ensure secure miner selection. This scheme evaluates candidates' reputation by using both historical interactions and recommended opinions from other vehicles. The candidates with high reputation are selected to be active miners and standby miners. In the second stage, to prevent internal collusion among the active miners, a newly generated block is further verified and audited by the standby miners. To incentivize the standby miners to participate in block verification, we formulate interactions between the active miners and the standby miners by using contract theory, which takes block verification security and delay into consideration. Numerical results based on a real-world dataset indicate that our schemes are secure and efficient for data sharing in BIoV.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 기반 차량 인터넷(BIoV) 시스템에서 마이너 투표 및 블록 검증 공모와 같은 심각한 공모 공격 문제를 해결한다.
• 위임된 증명 방식(DPoS)에서 전통적인 스테이크 기반 투표의 한계를 극복하기 위해 공정성과 보안성을 향상시키기 위해 신뢰도 기반 마이너 선정 메커니즘을 도입한다.
• 블록 검증 과정에서 활성 마이너 간의 내부 공모를 완화하기 위해 계약 이론 기반 메커니즘을 활용해 대기 마이너를 인cent라이즈한다.
• DPoS 합의의 딱딱한 보안 기반과 소프트 보안 조치를 통합함으로써 P2P 차량 데이터 공유의 전반적인 보안성과 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• 역사적 상호작용과 제3자 추천 정보를 바탕으로 마이너 후보의 신뢰도를 평가하기 위해 다중 가중 주관적 논리(MWSL) 기법을 활용하여 강력하고 정확한 신뢰도 평가를 보장한다.
• 이중 단계 합의 메커니즘을 구현한다: (1) 신뢰도 기반 투표를 통해 후보자 중에서 활성 및 대기 마이너를 선정하고, (2) 대기 마이너가 블록을 검증하여 활성 마이너 간의 공모를 방지한다.
• 블록 관리자(계약 발행자)와 마이너(검증자) 간의 상호작용을 모델링하기 위해 계약 이론을 적용하고, 검증 보안성과 지연 시간을 균형 잡는 인센티브 계약을 설계한다.
• 계약 모델에서 개인 합리성(IR) 및 인센티브 호환성(IC) 제약 조건을 수립하여 검증자가 자신의 신뢰도 유형에 맞는 계약을 선택하도록 보장한다.
• 실제 차량 데이터를 활용하여, 다양한 검증자 유형 수에 따라 신뢰도 평가 기법의 탐지율과 계약 모델의 수익 성능을 평가한다.
• 특히 비대칭 정보 조건 하에서 높은 검증 신뢰성과 낮은 지연을 확보하면서도 블록 관리자의 유틸리티를 극대화할 수 있도록 계약 설계를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 스테이크 기반 투표 대비 신뢰도 기반 투표는 블록체인 기반 IoV 시스템에서 악성 마이너 후보의 탐지율을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 활성 마이너가 내부적으로 공모할 경우, 대기 마이너는 블록 검증 보안을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 계약 이론 기반 인센티브 메커니즘은 블록 검증에 참여하고 신뢰도를 높이는 대기 마이너의 참여도와 신뢰도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 비대칭 정보 조건에서 계약 기반 검증 모델의 성능은 대칭 정보 설정과 비교해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 검증자 유형의 수가 블록 관리자의 수익과 합의 과정의 전반적인 보안성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 다중 가중 주관적 논리(MWSL) 기법은 보안 기준치가 0.2로 설정된 경우, 기존 TSL 기법 대비 더 높은 블록 검증 정확도를 확보하여 내부 공모 위험을 크게 감소시킨다.
• MWSL 기법은 기존의 신뢰도 평가 기법보다 악성 마이너 후보의 탐지율을 향상시켜 손상된 실체를 더 이르고 정확하게 식별할 수 있다.
• 계약 기반 검증 메커니즘은 모든 신뢰도 유형의 검증자가 자신의 유형에 맞는 계약을 선택하도록 보장하여 개인 합리성(IR) 및 인센티브 호환성(IC) 제약 조건을 모두 충족시킨다.
• 비대칭 정보 조건 하에서 제안된 계약 모델은 스택엘베르크 게임 모델 대비 블록 관리자의 수익이 뛰어나며, 특히 고신뢰도 검증자로부터의 잉여 수익을 더 효과적으로 추출할 수 있다.
• 대칭 정보 조건 하에서의 계약 모델은 비대칭 정보 조건 대비 더 높은 수익을 올리며, 블록 관리자가 검증자의 행동을 사전에 파악하고 계약 조건을 전략적으로 설정할 수 있기 때문이다.
• 실제 데이터 기반 수치 결과는 제안된 기법이 BIoV 환경에서 보안성과 효율성을 모두 향상시켜 합의 과정에서의 공모 공격을 특히 효과적으로 완화함을 확인한다.