블록체인 기반 국가연구개발과제의 공유를 위한 합의알고리즘에 관한 연구 = A study on the consensus algorithm for sharing national R&D projects based on blockchain

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Korea invests trillions of won in national R&D projects, and has achieved outstanding results[Science and Technology Advisory Council, 2018]. Along with 4th Industrial Revolution, Blockchain Technology is being used as a core technology in various fields. In this paper, We propose a new concept platform for sharing national R & D projects and preventing forgery and alteration. This platform can be shared throughout the management of national ICT R&D projects based on blockchain technology. In particular, We would like to propose a platform with excellent performance against forgery. This platform is called the PSP-Platform(Perfect Sharing Project Platform).
The PSP-Platform not only achieves excellent research results by sharing project information over the life cycle of the project process, but also is excellent in preventing forgery and alteration. The PSP-platform proposes new concepts for user authority setting, distributed ledger structure, transaction structure and service, and consensus algorithm. The consensus algorithm proposed in this paper is called the POA(Proof of Atomic) method and the new concept of consensus algorithm is used. The POA algorithm is a distributed system and must be able to store the same information on each node. In some nodes, there may be a defect that blocks cannot be duplicate identically or that unnecessary blocks are duplicated. In order to solve this problem, in the POA algorithm can generate only new blocks that all participants agree on. Performance analysis of the PSP-platform requires a large test bed configuration with hundreds of blockchain systems running. Realistically, there are many limitations to building a test bed. We analyze the performance through simulation that mimics the behavior and characteristics of the POA-based blockchain network as closely as possible.
In this paper, we implement block generators and blockchain nodes running on the PSP-platform based on the NS-3 simulator. and It operates by constructing POA topology based on environment configuration such as channel basically provided by NS-3. Based on the network characteristics, the performance analysis of the POA algorithm is presented. In addition, performance analysis on the response and network delay of POA nodes, re-request due to non-response, and the number of nodes participating in the consensus are conducted.
Investigate the blockchain use cases of other institutions and apply the platform and POA algorithm proposed in this paper.
Through the blockchain-based PSP-platform, a national strategy for sharing information on national R & D projects will be established, and research will be carried out on ways to share information on national R & D projects and prevent forgery.
Based on the results of this study, we will continue to study blockchain-based sharing strategies and forgery.

국문 초록 (Abstract)

대한민국은 국가 연구개발 사업에 수조원의 예산을 투자하고 있으며, 이에 우수한 성과를 이루었다. 하지만 최근에 국가연구개발과제의 투자 대비 연구 성과의 미흡한 점에 대한 문제가 지속적으로 제기 되고 있다. 이에, 여러 분야의 핵심기술로 활용되고 있는 블록체인 기술을 국가 연구개발과제의 공유 및 위변조 방지를 위해서 활용하여 새로운 개념의 플랫폼을 제안한다. 본 플랫폼은 블록체인기술 기반의 국가 ICT 연구개발 과제 관리 전반에 걸쳐 공유할 수 있는 플랫폼이며 특히 위변조 방지에 탁월한 성능을 가지고 있는 플랫폼을 제안하고자 한다. 본 플랫폼을 우리는 PSP-플랫폼(Perfect Sharing Project Platform)이라고 한다.
우리는 과제 프로세스 전주기에 걸쳐 과제정보 공유를 통해 우수한 연구 성과를 달성할 뿐만 아니라 위변조 방지에도 탁월하여 과제관리에 우수한 성능을 가진 PSP-플랫폼을 구성한다. PSP-플랫폼은 사용자 권한 설정, 분산된 원장의 구조, 트랜잭션 구조 및 서비스, 합의알고리즘에 대해 제안한다. 본 논문에서 PSP-플랫폼은 거래 기록 및 정보열람 권한을 배포하여 블록을 구성하여 기록 및 관리를 수행하는 블록체인 기술을 사용한다. 이러한 기술의 도입으로 우리는 과제 정보의 공유를 통해 과제의 중복을 피할 수 있다. 또한 과제 정보의 위변조로 인한 허위정보 제공 등의 관련 문제점도 해결 할 수 있다.
블록체인 기술의 위변조를 방지 위해서는 무엇보다 합의알고리즘이 중요하다. 그래서 우리는 플랫폼의 구조 및 프로세스 방법 뿐만 아니라 합의알고리즘에 대해서도 연구한다. 우리는 본 연구에서 합의알고리즘으로서 원자성증명(POA) 합의알고리즘을 연구한다.
본 연구에서 제안한 원자성증명(POA)알고리즘은 참여자별로 동일한 정보를 저장 하여야 한다. 하지만 일부 참여자는 잘 못 복제되거나 불필요한 정보가 복제되는 결함이 간혹 발생한다. 원자성 증명(POA)알고리즘은 참여자 모두가 합의하여야만 블록이 새로이 생성된다.
실제 PSP-플랫폼에 대한 성능 분석을 위해서는 수백 명 이상의 블록체인 시스템이 동작하는 대규모의 테스트베드 구성이 필요한데, 현실적으로 테스트베드 구축에는 많은 제약이 있으므로, 본 논문에서 제안하는 POA 기반의 블록체인 네트워크의 동작 및 특성을 최대한 유사하게 모방하는 시뮬레이션을 통해 성능 분석을 진행한다. 네트워크 분야에서 가장 널리 이용되는 NS-3 시뮬레이터를 기반으로 PSP-플랫폼을 통해 동작하는 블록 생성자와 블록체인 노드들을 구현하고, NS-3에서 기본적으로 제공하는 채널 등의 환경 구성을 바탕으로 POA 토폴로지를 구성하여 동작한다. POA알고리즘의 동작과 합의알고리즘의 파라미터들 그리고 네트워크 특성을 바탕으로 POA 알고리즘의 성능 분석결과를 제시하였다. 또한 POA 노드들의 응답 및 네트워크 지연, 무응답으로 인한 재요청, 합의에 참여하는 노드수 등에 대한 성능 분석을 진행한다.
블록체인 기술 기반의 PSP-플랫폼을 활용하여 국가 R&D과제 정보의 공유전략을 수립하여 국가연구개발과제의 정보 공유 및 위변조 방지 방안에 대해 연구를 추진한다. 그리고 향후 본 연구 결과를 토대로 블록체인 기반의 공유전략 및 위변조 방지 방안에 대해 지속적으로 연구 할 계획이다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 = 1
• 1.2. 연구 내용 = 2
• 1.3. 논문의 구성 = 3
• 제2장 관련 연구 = 5
• 2.1. 국가연구개발과제의 관리 현황 = 5
• 2.1.1. 국가연구개발과제의 개요 = 5
• 2.1.2. 국가연구개발과제의 사례 = 11
• 2.1.3. 국가연구개발과제의 공유 및 위변조의 필요성 및 문제점 = 12
• 2.2. 정보의 위변조 방지를 위한 블록체인 사례 = 15
• 2.2.1. 블록체인의 위변조 특징 = 15
• 2.2.2. 블록체인의 위변조 방지 현황 및 문제점 = 16
• 2.3. 정보 공유를 위한 블록체인 사례 = 21
• 2.3.1. 블록체인의 공유 특징 = 21
• 2.3.2. 블록체인 정보 공유 현황 및 문제점 = 23
• 2.4. 블록체인 합의알고리즘 현황 분석 = 28
• 2.4.1. 합의알고리즘 기술 정의 = 28
• 2.4.2. 합의알고리즘 기술 동향 = 28
• 2.4.3. 문제점 및 필요성 = 32
• 2.4.4. 연구의 시사점 및 방향성 연구 = 34
• 제3장 블록체인 기반 과제관리플랫폼 서비스 모델 = 35
• 3.1. 블록체인플랫폼 설계 = 35
• 3.1.1. PSP-Platform 구조 = 36
• 3.1.2. PSP-Platform 서비스 구조 = 38
• 3.2. 블록체인 기반 국가연구개발과제의 분산원장 = 45
• 3.2.1. 거래원장 정의 = 45
• 3.2.2. 국가연구개발과제관리 기반 거래원장 프로세스 = 48
• 제4장 PoA 알고리즘 = 51
• 4.1. PoA 알고리즘 정의 및 필요성 = 51
• 4.2. PoA 알고리즘 프로세스 정의 = 57
• 제5장 블록체인 기반 과제관리플랫폼 서비스 모델 검증 = 63
• 5.1. 실험환경 구성 = 63
• 5.2. PoA 알고리즘 검증 = 72
• 제6장 요약 및 결론 = 86

참고문헌 (Reference)

1. “블록체인 기술의 영향과 문제점 및 시사점”, 임명환, ITFIND 1776호, 2016, , 2016

2. 국가R&D과제기획 선정평가 운영관리 실태 및 감사시사점, 2018, 감사원감사연구원, 감사원감사연구원, , 2018

3. “빅데이터 시스템 도입을 위한 통합모형의 연구: TOE, DOI, UTAUT를 기반으로”, 이선우, 이희상, Journal of information technology applications & management, 2014, , 2014

4. "엔터프라이즈 아키텍처 도입요인에 관한 실증적 연구 : Technology-Organization-Environment 프레임워크를 중심으로", 채명신, 이영호, 경영 과학, 2006, , 2006