블록체인 기반 IoT Edge 장치의 탐색적 구현

Abstract

발전된 ICT (Information and Communications Technology)와 디지털 혁명을 발판으로 본격적인 4차 산업혁명 시대가 도래하였다. 이에 초연결, 탈중앙화, 공유 그리고 보다 개방적인 사회로 진화를 더욱 가속하고 있다. 특히 Bigdata, AI (Artificial Intelligence)등의 연구가 집중적으로 이뤄지고 다양한 산업영역에 융합 적용되면서 기존 산업영역의 변혁을 넘어 세계질서의 패러다임 변화와 세계 경제발전의 견인차 역할을 하고 있다. 이들은 물리세계와의 가교역할을 하는 IoT (Internet of Things) 장치 기술의 발전과 더불어, 그 장치로부터 올라오는 다양한 종류의 데이터를 활용함으로써 기존에 없던 새로운 가치를 창조해 나가고 있다. 반면, 지속적으로 연결되고 있는 IoT 장치의 증가와 그로 인한 데이터의 폭발적인 증가는 기존의 서버/클라이언트와 클라우드 컴퓨팅보다 적합한 새로운 컴퓨팅 모델이 요구되게 되었다. 이와 관련하여, 데이터를 생산하는 센서로부터 가장 가까운 곳에서 실시간으로 데이터를 처리함으로써 중앙화 컴퓨팅 모델대비 효율성을 얻고자 하는 요구가 발생되었다. 이것이 모바일 및 Edge 장치의 발전으로 가능하게 되었고, IoT와 상보적으로 향후 발전의 요구가 되고 있다. 한편, 이러한 미래 지향적 IoT 장치들은 그에 상응하는 향상된 보안성과 IoT에 적합한 탈중앙화 기능이 요구되고 있다. 이에 최근 블록체인이 미래형 IoT 장치의 요구조건에 적합하다는 선행연구들이 진행되었다. 반면 실제 IoT용 장치를 통한 실증된 사례는 많지 않다. 이에 본 연구에서는 오픈 하드웨어를 활용하여 블록체인 기반 IoT용 Edge 장치를 탐색적으로 구현하고, 실질적인 동작에 대한 KPI (Key Performance Indicator) 데이터를 도출 및 제시하였다. 특히 가상머신(Virtual Machine) 뿐만 아니라 IoT용 Edge 장치의 양대 프로세서인 x86와 Aarch 아키텍처에서도 블록체인이 동작되도록 구현하고 그 방법론을 정립하였다. 이와 관련하여, 일련의 최적화를 통해 상대적으로 제한된 컴퓨팅 성능을 가진 IoT용 Edge 장치에 적합한 블록체인 노드 모델도 제시하였다. 구현된 이종(heterogeneous) 아키텍처 계열 Edge 장치들은 하나의 네트웍에서 혼재하여 동작되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 장치들이 프라이빗/컨소시엄 블록체인 네트웍을 형성하고 탈중앙화 상태에서 컨센서스 알고리즘을 통해 트랜잭션을 처리하고 원장을 동기화 하는 것 또한 확인할 수 있었다.

The era of the 4th Industrial Revolution has begun in earnest based on the developed ICT and digital revolution. It is further accelerating the evolution of hyper connectivity, decentralized decentralization, sharing and a more open society. Especially, as Big data and AI researches have been intensified and applied to various industrial sectors, they are playing a key role of driving the paradigm change of the world order and the global economic development beyond the transformation of existing industrial domains. Together with the development of IoT device technology that bridges the physical world, they are creating new values that have not existed by employing diverse data generated from the devices. On the other hand, the enormous increase in the number of connected IoT devices and the explosive increase in data demand a new computing model that is more suitable than the existing server / client and cloud computing. In this regard, there has been a demand to gain efficiency compared to the centralized computing model by processing data in real time from the closest sensors. This has been made possible by the development of mobile and edge devices and is becoming a demand for future development complementary to the IoT. On the other hand, these future-oriented IoT devices are required for the corresponding enhanced security and decentralization function suitable for the IoT. Recently, previous studies have been conducted that blockchain is suitable for the requirements of future IoT devices. However, it is rare that the cases demonstrated with actual IoT devices. Therefore, this study explored the implementation of blockchain-based IoT edge devices harnessing Open Hardware, and derived and presented KPI data on the actual operation. In addition, it established a methodology after implementing the blockchain to work in both x86 and ARM architectures which are two major platform for IoT edge devices as well as virtual machines. In this regard, we also proposed a blockchain node model suitable for edge devices for IoT with relatively limited computing resources through a series of optimizations. Meanwhile, we have observed that the implemented heterogeneous architecture-based edge devices work in one network. We have also observed that these devices form a private / consortium blockchain network, process transactions and synchronize ledgers through consensus under being decentralized.