[논문 리뷰] What is a Blockchain? A Definition to Clarify the Role of the Blockchain in the Internet of Things

Lorenzo Ghiro, Francesco Restuccia외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 07.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 146인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 강력한 분산 합의, 완전한 공개 거래 이력, 개방형 匿명성의 세 가지 핵심 요소를 기반으로 블록체인을 엄격하게 정의한다. 블록체인이 모든 세 가지 기준을 충족할 때에만 진정으로 안전하고 분산된 것으로 간주되며, 이는 대부분의 IoT 응용 분야에 부적합하다고 주장한다. 이는 높은 자원 소비, 낮은 처리량, 그리고 데이터 개인정보 보호 규정과의 불일치로 인한 불가역성 때문이며, 글로벌 책임성 확보를 위해 주기적으로 블록체인에 자리를 잡는 오프체인 거래 채널을 권장한다.

ABSTRACT

The use of the term blockchain is documented for disparate projects, from cryptocurrencies to applications for the Internet of Things (IoT), and many more. The concept of blockchain appears therefore blurred, as it is hard to believe that the same technology can empower applications that have extremely different requirements and exhibit dissimilar performance and security. This position paper elaborates on the theory of distributed systems to advance a clear definition of blockchain that allows us to clarify its role in the IoT. This definition inextricably binds together three elements that, as a whole, provide the blockchain with those unique features that distinguish it from other distributed ledger technologies: immutability, transparency and anonimity. We note however that immutability comes at the expense of remarkable resource consumption, transparency demands no confidentiality and anonymity prevents user identification and registration. This is in stark contrast to the requirements of most IoT applications that are made up of resource constrained devices, whose data need to be kept confidential and users to be clearly known. Building on the proposed definition, we derive new guidelines for selecting the proper distributed ledger technology depending on application requirements and trust models, identifying common pitfalls leading to improper applications of the blockchain. We finally indicate a feasible role of the blockchain for the IoT: myriads of local, IoT transactions can be aggregated off-chain and then be successfully recorded on an external blockchain as a means of public accountability when required.

연구 동기 및 목표

• 다양한 응용 분야에서 혼동스럽고 과도하게 사용되고 있는 '블록체인'이라는 용어의 모호함을 명확히 하기 위해.
• 분산 시스템 이론에 기반하여 진정한 블록체인을 정의하는 데 핵심적인 기술적 및 아키텍처적 요소를 규명하기 위해.
• 블록체인의 특성과 일반적인 IoT 요구사항 간의 괴리 때문에 블록체인이 IoT 응용 분야에 적합한지 평가하기 위해.
• 응용 분야별 신뢰 모델과 제약 조건에 따라 적절한 분산 장부 기술을 선택하기 위한 지침을 제공하기 위해.
• 로컬 IoT 거래는 오프체인에서 처리하고, 주기적으로 블록체인에 자리를 잡아 글로벌 책임성을 확보하는 하이브리드 아키텍처를 주장하기 위해.

제안 방법

• 강력한 합의 프로토콜, 거래의 완전한 공개 이력, 익명 사용자에 의한 개방형 액세스라는 세 가지 상호의존적 성질을 기반으로 블록체인의 형식적 정의를 제안한다.
• 특히 블록체인 트라이레마(확장성, 보안성, 분산성)를 포함한 분산 합의 프로토콜의 이론적 기초를 분석한다.
• 허가되지 않은 블록체인(예: 비트코인)과 허가된 레지스트리 간의 대조를 통해, 후자는 전통적인 데이터베이스와 기능적으로 유사하다고 강조한다.
• IoT 응용 분야를 위한 경량 로컬 레지스트리인 '거래 채널(Transaction Channels)'의 개념을 도입하며, 주기적으로 집계된 결과를 공개 블록체인에 자리를 잡는 방식을 제안한다.
• PoW, PoS 등의 합의 메커니즘에 대한 형식적 분석을 통해 안정성, 에너지 소비, 중앙집중화 및 시장 동적 변화에 대한 취약성을 평가한다.
• 실제 IoT 응용 사례(예: 스마트 그리드, 전자 투표, 공급망)에 정의를 적용하여 블록체인 기술의 오용을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진정한 블록체인을 정의하는 데 있어 필수적이고 양보할 수 없는 성질은 무엇인가?
• RQ2 현재 '블록체인'이라는 용어의 광범위한 사용이 IoT 시스템에서 혼동과 오용을 초래하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 블록체인의 성능, 보안성, 프라이버시 특성은 저지연, 에너지 효율성, 데이터 프라이버시와 같은 일반적인 IoT 요구사항과 어떻게 충돌하는가?
• RQ4 그러한 제약에도 불구하고 블록체인이 IoT 생태계에서 여전히 가치를 제공할 수 있는 시나리오는 무엇인가?
• RQ5 글로벌 책임성을 유지하면서도 IoT 응용 분야를 지원할 수 있는 대체 아키텍처 패턴은 무엇인가?

주요 결과

• 진정한 블록체인이 되기 위해서는 강력한 합의, 완전한 공개 거래 이력, 개방형 익명성의 세 가지 조건을 동시에 충족해야 하며, 어느 하나라도 생략되면 진정한 블록체인이 아니라고 간주된다.
• 불변성 확보를 위한 강력한 합의 프로토콜은 높은 계산 및 에너지 비용을 유발하며, 이는 자원이 제한된 IoT 기기에는 부적합하다.
• 대부분의 IoT 응용 분야는 데이터 기밀성과 사용자 데이터 삭제 기능(예: GDPR에 따른)을 요구하며, 이는 블록체인의 불변성과 공개 투명성과 직접적으로 충돌한다.
• 허가된 블록체인은 이름만 블록체인일 뿐, 전통적인 데이터베이스와 근본적으로 다를 바 없으며, 허가되지 않은 블록체인과 동일한 분산성이나 신뢰 특성을 제공하지 못한다.
• 스테이크 기반 합의(PoS) 시스템은 PoW보다 에너지 소비가 적지만, 시장 조작과 중앙집중화에 취약하여 여전히 위험성이 존재한다.
• 최적의 IoT 아키텍처는 일상 운영을 위한 로컬이고 경량화된 '거래 채널'을 사용하며, 글로벌 불변성 감사 기능이 필요한 경우에만 주기적으로 오프체인 집계 결과를 공개 블록체인에 기록한다.