[논문 리뷰] Trusted Wireless Monitoring based on Blockchain over NB-IoT Connectivity

Lam Duc Nguyen, Anders E. Kalør외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 14.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 14인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 있는 환경 모니터링을 위한 블록체인 통합 NB-IoT 프레임워크를 제안하며, 공기 오염 및 배출가스 데이터의 변하지 않는 투명한 로깅을 가능하게 한다. NB-IoT 기기에서 Hyperledger Fabric를 활용함으로써, 기기의 전체 노드로 기능하지 않음에도 불구하고 데이터 무결성과 신뢰성을 확보한다. 다만, 큰 블록을 사용할 경우 다운링크 트래픽과 엔드 투 엔드 지연 시간이 최대 1.63초 증가한다.

ABSTRACT

The data collected from Internet of Things (IoT) devices on various emissions or pollution, can have a significant economic value for the stakeholders. This makes it prone to abuse or tampering and brings forward the need to integrate IoT with a Distributed Ledger Technology (DLT) to collect, store, and protect the IoT data. However, DLT brings an additional overhead to the frugal IoT connectivity and symmetrizes the IoT traffic, thus changing the usual assumption that IoT is uplink-oriented. We have implemented a platform that integrates DLTs with a monitoring system based on narrowband IoT (NB-IoT). We evaluate the performance and discuss the tradeoffs in two use cases: data authorization and real-time monitoring.

연구 동기 및 목표

• 배출가스 데이터의 경제적 가치가 높고 조작에 취약한 IoT 기반 환경 모니터링 시스템에서의 데이터 무결성과 신뢰 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 오염 모니터링 및 데이터 승인을 위한 분산장부기술(DLT)과 낙폭 IoT(NB-IoT)의 통합 평가를 위해.
• 블록체인을 NB-IoT 네트워크에 적용할 경우 트래픽 균형, 통신 오버헤드, 엔드 투 엔드 지연 시간 간의 트레이드오프를 분석하기 위해.
• 에너지 제약이 있고 업링크 중심인 NB-IoT 환경에서 경량 DLT인 Hyperledger Fabric의 사용 가능성을 평가하기 위해.
• 블록체인이 IoT 기기의 전체 노드로 기능하지 않더라도 환경 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 NB-IoT 기기를 활용해 센서 데이터(예: CO2, NOx)를 블록체인 트랜잭션으로 생성하고 중앙 집중식 DLT 네트워크로 전송한다.
• Hyperledger Fabric의 스마트 컨트랙트를 통해 평균 CO2 농도를 계산하고 임계치를 초과할 경우 레지스트리 업데이트를 트리거한다.
• 프레임워크는 공인된 피어(E)를 활용해 공식 합의 이전에 트랜잭션을 검증하며, 업링크의 경우 50 B에서 200 B, 다운링크의 경우 31 B의 페이로드 크기를 가진다.
• 블록 크기(b)는 블록당 10에서 100개의 트랜잭션으로 다양하게 설정되어 엔드 투 엔드 지연 시간과 트래픽 부하에 미치는 영향을 평가한다.
• 시스템은 두 가지 사용 사례에서 평가된다: 데이터 승인 및 실시간 CO2 모니터링이며, 트래픽 비율, 지연 시간, 오버헤드를 측정한다.
• 다양한 공인 피어 수와 블록 크기 설정에서 통신 오버헤드와 지연 시간을 측정하여 확장성과 효율성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인을 NB-IoT에 통합할 경우 업링크 대 다운링크 트래픽 비율과 전체 통신 오버헤드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 블록체인 기반 NB-IoT 모니터링 시스템에서 트랜잭션 확인의 엔드 투 엔드 지연 시간은 얼마이며, 블록 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 공인 피어 수를 늘릴 경우 다운링크 트래픽 부하와 시스템 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 블록체인 통합이 모니터링 응용 프로그램에서 NB-IoT 기기의 에너지 효율성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 Hyperledger Fabric와 같은 경량 DLT가 전체 블록체인 노드로 기능하지 않아도 NB-IoT 네트워크에서 효과적으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 블록체인 통합으로 인해 평균 업링크 대 다운링크 트래픽 비율이 크게 증가하며, 공인 피어 수(E)가 2이고 업링크 페이로드가 50 B일 경우 약 2:1에 도달한다.
• 기존 NB-IoT의 경우 엔드 투 엔드 지연 시간이 0.832초였으나, 블록체인 기반 NB-IoT에서는 블록당 100개의 트랜잭션을 사용할 경우 1.63초로 증가한다.
• 다운링크 트래픽 증가 폭이 업링크 트래픽 증가 폭보다 훨씬 크며, 특히 공인 피어 수가 증가할수록 트래픽 대칭성의 급격한 변화가 나타난다.
• 지연 시간과 다운링크 부하가 증가함에도 불구하고 성능 오버헤드는 비교적 낮게 유지되며, 일반적인 모니터링 간격에서 엔드 투 엔드 지연 시간은 2초 이내로 유지된다.
• 작은 블록 크기(예: b = 10)는 더 낮은 엔드 투 엔드 지연 시간을 제공하며, 기존 NB-IoT와 유사한 성능을 보여, 시간 민감도가 높은 모니터링 응용에 적합하다.
• 분산 합의와 암호화 해싱을 통해 강력한 데이터 무결성과 신뢰성을 확보하였으며, IoT 기기의 전체 레지스트리 저장 및 검증이 필요하지 않다.