[논문 리뷰] Trustworthy Edge Computing through Blockchains

Abdullah Al-Mamun, Dongfang Zhao|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 15.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자원 제약 조건 하에서 신뢰할 수 있는 데이터 공유를 가능하게 하는 블록체인 기반 공인 프로토콜인 DEAN을 제안한다. 이는 엣지 노드 간의 신뢰를 분산시킴으로써 이루어진다. 병렬 블록 처리와 스마트 로드 밸런싱을 활용하여, 1,000개 노드 네트워크에서 이더리움, 파리티, 하이퍼레지스트리 프ابر릭보다 최대 25배 높은 처리량과 18배 낮은 지연 시간을 달성하면서도, 임의의 장애 발생 조건에서도 50% 이상의 신뢰할 수 있는 노드를 유지하는 높은 내성 확보한다.

ABSTRACT

Edge computing draws a lot of recent research interests because of the performance improvement by offloading many workloads from the remote data center to nearby edge nodes. Nonetheless, one open challenge of this emerging paradigm lies in the potential security issues on edge nodes and end devices, e.g., sensors and controllers. This paper proposes a cooperative protocol, namely DEAN, across edge nodes to prevent data manipulation, and to allow fair data sharing with quick recovery under resource constraints of limited storage, computing, and network capacity. Specifically, DEAN leverages a parallel mechanism equipped with three independent core components, effectively achieving low resource consumption while allowing secured parallel block processing on edge nodes. We have implemented a system prototype based on DEAN and experimentally verified its effectiveness with a comparison with three popular blockchain implementations: Ethereum, Parity, and Hyperledger Fabric. Experimental results show that the system prototype exhibits high resilience to arbitrary failures: the percentile of trusty nodes is much higher than the required 50\% in most cases. Performance-wise, DEAN-based blockchain implementation outperforms the state-of-the-art blockchain systems with up to $25 imes$ higher throughput and $18 imes$ lower latency on 1,000 nodes.

연구 동기 및 목표

• 자원 제약이 있는 엣지 노드와 종단 장치에 특화된 안전하고 확장성 있고 효율적인 공인 프로토콜의 부족을 해결한다.
• 전통적인 블록체인 시스템이 가지는 높은 스토리지, 컴퓨팅, 네트워크 요구 사항으로 인해 엣지 환경과 호환되지 않는 문제점을 해결한다.
• 이질적이고 무선 기반의 엣지 네트워크에서 데이터 무결성과 임의의 노드 장애에 대한 내성을 보장하는 탈중앙화된, 장애 내성 프로토콜을 설계한다.
• 엣지 환경에서의 컴퓨팅, 스토리지, 네트워크 자원에 대한 최적화된 로드 밸런싱을 통해 고성능과 낮은 오버헤드를 달성한다.
• 실제 시스템 프로토타입을 통해 비교 벤치마크를 제공함으로써, 블록체인 기반 신뢰 체계가 엣지 컴퓨팅 환경에 효과적으로 적용될 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 자원 압박을 줄이고 부하 균형을 맞추기 위해 엣지 노드를 센서 및 스토리지 역할로 분할하는 탈중앙화된, 엣지 최적화 블록체인 프로토콜인 DEAN을 제안한다.
• 블록 생성, 검증, 스토리지의 세 가지 독립적인 핵심 구성 요소를 갖춘 병렬 블록 처리 메커니즘을 구현하여 동시 실행을 가능하게 하고 지연 시간을 감소시킨다.
• PBFT와 완전 복제의 영감을 받은 하이브리드 공인 모델을 사용하여, 기존 PBFT보다 메시지 수를 줄이고 스토리지 오버헤드를 최소화하면서도 바이진트 폭발 장애 내성 보장을 한다.
• 스토리지 요구량을 줄이기 위해 데이터 압축과 얕은 복제 기법을 적용하여 메모리와 스토리지가 제한된 장치에서도 블록체인을 구현 가능하게 한다.
• 트랜잭션 처리를 센서 노드와 스토리지 노드에 분산시켜 계산 및 네트워크 부하를 균형 잡고 스케일러빌리티와 장애 내성을 향상시킨다.
• 노드의 이질성과 네트워크 조건에 적응하는 동적 로드 밸런싱 전략을 설계하여 다양한 센서-스토리지 노드 비율에서 성능을 균일하게 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고성능 하드웨어나 중심화된 신뢰 기반 없이도 자원 제약이 있는 엣지 노드에 블록체인 기반 공인 프로토콜을 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 엣지 네트워크에서 임의의 노드 장애 발생 조건에서도 DEAN 프로토콜이 높은 데이터 무결성과 내성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 대규모 엣지 환경에서 기존의 블록체인 시스템인 이더리움, 파리티, 하이퍼레지스트리 프ابر릭과 비교해 DEAN이 처리량과 지연 시간 측면에서 어느 정도 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ4 실세계 엣지 환경에서 센서 노드 대 스토리지 노드 비율의 변화가 DEAN 프로토콜의 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 병렬 처리와 스마트 로드 밸런싱의 조합이 엣지 컴퓨팅 환경에서 강력한 보안 보장을 유지하면서도 자원 소비를 상당히 줄일 수 있는가?

주요 결과

• DEAN 기반 블록체인 프로토타입은 1,000개 노드 엣지 네트워크에서 이더리움, 파리티, 하이퍼레지스트리 프ابر릭 대비 최대 25배 높은 처리량과 18배 낮은 지연 시간을 달성한다.
• 대부분의 구성에서 신뢰할 수 있는 노드 비율이 50%를 초과하여, 임의의 노드 장애에 대한 강력한 내성을 입증한다.
• 다양한 센서-스토리지 노드 비율에서도 처리량과 지연 시간이 안정적으로 유지되며, 극단적인 비율(예: 1:5)에서도 성능 저하가 관찰되지 않는다.
• 더 큰 센서-스토리지 비율(예: 1:5)은 센서-스토리지 간 링크가 일반적으로 내부 스토리지 노드 네트워크보다 더 높은 대역폭을 제공하므로 네트워크 이질성이 감소하여 더 매끄러운 성능 곡선을 만들어낸다.
• 모든 테스트된 노드 규모에서 성능 추세가 일관되고 예측 가능하여, DEAN이 네트워크 크가 증가함에 따라 효과적으로 확장됨을 시사한다.
• 시스템 프로토타입은 최소한의 변동성을 보이며 높은 트랜잭션 부하를 효과적으로 처리하여, 병렬 처리와 로드 밸런싱 설계의 견고성을 확인한다.