[논문 리뷰] Trinity: A Distributed Publish/Subscribe Broker with Blockchain-based Immutability

Gowri Ramachandran, Kwame-Lante Wright외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

Trinity은 다중 스테이크홀더 IoT 및 공급망 응용 분야에서 데이터의 불변성, 일관성 및 신뢰를 보장하는 분산형 블록체인 통합 게시-구독 브로커를 제안한다. MQTT와 Tendermint 블록체인, 스마트 계약을 결합함으로써 Trinity는 최소한의 성능 오버헤드로 탈중앙화되고 변조 금지된 데이터 로깅을 가능하게 하며, 20개 노드로 구성된 라즈베리파이 3 네트워크에서 약 3초의 엔드 투 엔드 지연을 달성한다.

ABSTRACT

Internet-of-Things (IoT) and Supply Chain monitoring applications rely on messaging protocols for exchanging data. Contemporary IoT deployments widely use the publish-subscribe messaging model because of its resource-efficiency. However, the systems with publish-subscribe messaging model employ a centralized architecture, wherein the data from all the devices in the application network flows via a central broker to the subscribers. Such a centralized architecture make publish-subscribe messaging model susceptible to a central point of failure. Besides, it provides an opportunity for the organization that owns the broker to tamper with the data. In this work, we contribute Trinity, a novel distributed publish-subscribe broker with blockchain-based immutability. Trinity distributes the data published to one of the brokers in the network to all the brokers in the network. The distributed data is stored in an immutable ledger through the use of the blockchain technology. Furthermore, Trinity executes smart contracts to validate the data before saving the data on the blockchain. Through the use of a blockchain network, Trinity can guarantee persistence, ordering, and immutability across trust boundaries. Our evaluation results show that Trinity consumes minimal resources, and the use of smart contracts enable the stakeholders to automate the data management processes. To the best of our knowledge, Trinity is the first framework that combines the components of the blockchain technology with the publish-subscribe messaging model.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중형 IoT 게시-구독 시스템의 단일 장애 지점과 데이터 변조 위험을 해결하기 위해.
• 데이터 불변성과 일관성을 보장함으로써 공급망 및 IoT 모니터링에서 다수의 스테이크홀더 간의 신뢰를 확립하기 위해.
• 기존의 게시-구독 메시징 프로토콜에 블록체인 기술을 통합하면서 효율성을 희생하지 않도록 하기 위해.
• 탈중앙화된 다중 조직 환경에서 스마트 계약을 통해 자동화된 데이터 검증을 지원하기 위해.
• 실제 자원 제약 환경에서 블록체인 통합의 성능 오버헤드를 평가하기 위해.

제안 방법

• 메시지는 한 브로커에 게시되고 공식 메커니즘을 통해 모든 다른 브로커로 전파되는 분산 브로커 아키텍처를 사용한다.
• 모든 브로커 간에 암호학적으로 안전하고 복제된 로그를 유지하기 위해 Tendermint 블록체인 프레임워크를 통합한다.
• 각 메시지는 블록체인에 커밋되기 전에 스마트 계약에 의해 검증되어 정책 준수를 보장한다.
• 신뢰할 수 있는 스테이크홀더 간의 신뢰를 유지하면서도 데이터 순서와 지속성을 확보하기 위해 허가된 블록체인을 사용한다.
• 블록체인 로직과 브로커 로직을 분리함으로써, 어떤 블록체인 또는 메시징 프로토콜과도 통합이 가능하도록 한다.
• CPU, 메모리 및 지연 시간 오버헤드를 측정하기 위해 MQTT와 Tendermint를 사용하여 20개 노드로 구성된 라즈베리파이 3 테스트베드에서 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 스테이크홀더 IoT 환경에서 단일 장애 지점과 데이터 변조 위험에 대비한 게시-구독 브로커를 구현할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기술이 MQTT와 같은 기존의 경량 메시징 프로토콜과 효율적으로 통합되어 불변성과 순서를 보장할 수 있는가?
• RQ3 자원 제약 환경에서 분산 브로커에 블록체인 기반의 불변성을 추가할 경우 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ4 스마트 계약이 탈중앙화된 다중 조직 시스템에서 데이터 검증을 효과적으로 자동화할 수 있는가?
• RQ5 중앙 기관 없이 분산 브로커 간에 메시지의 일관성과 순서를 유지하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• Trinity은 20개 노드로 구성된 라즈베리파이 3 테스트베드에서 약 3초의 엔드 투 엔드 지연 증가를 기록하여 실용적 구현 가능성을 입증한다.
• 블록체인 합의와 복제를 통해 신뢰 경계를 초월한 데이터 불변성, 순서 및 지속성을 달성한다.
• 스마트 계약은 정의된 정책에 따라 데이터를 성공적으로 검증하여 스테이크홀더 간의 합의를 자동으로 이행한다.
• 시스템은 추가적인 CPU 및 메모리 오버헤드가 극히 적어, 합의 및 블록 생성 중에도 CPU 사용률과 램 사용률이 낮게 유지된다.
• Trinity은 게시-구독 메시징과 블록체인 기반 불변성을 결합한 최초의 프레임워크로, 다중 스테이크홀더 IoT 및 공급망 응용 분야에 새로운 솔루션을 제공한다.
• 평가 결과, 실세계 구현에서 블록체인 통합의 신뢰 이점은 약간의 성능 비용을 상쇄할 수 있음을 확인한다.