RISC-V 신뢰 실행 환경 기반 블록체인 스마트 컨트랙트 보안 기법 = Blockchain smart contract security technique based on the RISC-V trusted execution environment

국문 초록 (Abstract)

블록체인 기술은 신뢰할 수 없는 참여자들 간에도 데이터의 무결성과 투명성을 확보할 수 있는 특성 때문에 다양한 산업에서 활용되고 있다. 특히 스마트 컨트랙트는 블록체인을 이용한 자동화된 서비스 구현에 필수 요소이지만, 일반적으로 각 노드 내부에서 직접 실행되는 구조를 취하고 있어 높은 연산 부하, 성능 저하, 그리고 컨테이너 기반 실행 환경에서의 불필요한 권한 상승 문제를 야기한다. 이러한 한계를 해결하기 위해 스마트 컨트랙트 실행을 온체인 노드에서 외부 환경으로 분리하는 오프체인 방식이 활용되고 있으나, 외부 환경이 신뢰할 수 없다는 점 때문에 스마트 컨트랙트의 내부 로직이 노출될 위험이 높고, 네트워크 구간 도청이나 중간자 공격과 같은 보안 위협에도 노출된다. 기존 연구들은 이러한 문제를 해결하기 위해 하드웨어 기반의 신뢰 실행 환경을 활용해 왔지만, 대부분 Intel SGX나 ARM TrustZone과 같은 특정 아키텍처에 종속되어 있어 개방형 아키텍처인 RISC-V 기반 시스템에는 직접 적용하기 어렵다는 한계가 존재한다.
본 연구에서는 RISC-V 환경에서 오프체인 스마트 컨트랙트를 안전하게 실행하기 위한 보안 실행 구조를 제안한다. 제안하는 구조는 RISC-V 기반의 신뢰 실행 환경을 활용하여 스마트 컨트랙트 코드와 실행 데이터를 격리하고, 원격 인증 기법을 통해 실행 무결성을 검증하며, 모든 트랜잭션 데이터를 암호화하여 전송함으로써 외부 환경에서 발생할 수 있는 정보 노출, 데이터 변조, 중간자 공격 등을 방지한다. 또한 Hyperledger Fabric 2.0에서 제공하는 외부 체인코드 실행 모델을 기반으로 설계되어, 기존 블록체인 프로토콜을 변경하지 않고도 안전한 오프체인 실행 기능을 통합할 수 있다. 이를 통해 체인코드 요청, 원장 접근, 결과 반환 등 전체 실행 경로에서 기밀성과 무결성을 유지할 수 있다.
본 연구에서 제안하는 보안 실행 구조는 RISC-V 기반 FPGA 플랫폼에서 구현되었으며, Hyperledger Caliper를 이용하여 키-값 기반 스마트 컨트랙트 연산(create, query, update)에 대해 성능을 측정하였다. 실험 결과, 암호화 및 원격 인증 절차로 인해 기존 온체인 실행 방식 대비 성능이 감소하는 경향이 나타났으나, 이는 오프체인 환경에서 요구되는 강한 보안 보장과 비교했을 때 실용적인 수준의 오버헤드임을 확인하였다. 특히 스마트 컨트랙트의 전체 실행 과정이 신뢰된 하드웨어 보호 영역 내에서 처리되기 때문에 외부 환경에서의 코드 노출, 패킷 도청, 중간자 공격 등 오프체인 특유의 보안 위협을 효과적으로 제거할 수 있다. 결론적으로, 본 연구에서 구현한 보안 실행 기술은 RISC-V 기반 블록체인 환경에서 안전한 오프체인 스마트 컨트랙트 실행을 실현한 첫 사례로서, 개방형 하드웨어 생태계를 기반으로 하는 블록체인 응용의 확장 가능성을 제시한다. 본 연구는 향후 다양한 산업 환경에서 요구되는 경량 및 고신뢰 오프체인 실행 기술 개발의 기반을 마련할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Blockchain technology has been widely adopted across various industries due to its ability to ensure data integrity and transparency even among untrusted participants. In particular, smart contracts are a fundamental component for implementing automated services on blockchains. However, they are typically executed directly within on-chain nodes, which leads to high computational overhead, performance degradation, and unnecessary privilege escalation issues in container-based execution environments. To address these limitations, off-chain execution approaches have been proposed, where smart contract execution is separated from on-chain nodes. Nevertheless, since the external execution environment cannot be fully trusted, off-chain execution introduces significant security risks, including exposure of internal contract logic as well as vulnerability to network eavesdropping and man-in-the-middle attacks.
Existing studies have attempted to mitigate these issues by leveraging hardware-based trusted execution environments (TEEs). However, most prior solutions are tightly coupled to specific architectures, such as Intel SGX or ARM TrustZone, which makes them difficult to apply directly to RISC-V based systems that follow an open instruction set architecture.
In this paper, we propose a secure execution architecture for safely running off-chain smart contracts in a RISC-V environment. The proposed architecture utilizes a RISC-V–based trusted execution environment to isolate smart contract code and execution data, verifies execution integrity through remote attestation, and encrypts all transaction data during transmission. Through these mechanisms, the proposed system effectively prevents information leakage, data tampering, and man-in-the-middle attacks that may occur in untrusted external environments. Furthermore, the architecture is designed based on the external chaincode execution model provided by Hyperledger Fabric 2.0, allowing secure off-chain execution to be integrated without modifying existing blockchain protocols. As a result, confidentiality and integrity are preserved throughout the entire execution path, including chaincode invocation, ledger access, and result delivery.
The proposed secure execution architecture was implemented on a RISC-V based FPGA platform, and its performance was evaluated using Hyperledger Caliper with key-value–based smart contract operations, including create, query, and update. Experimental results show a performance degradation compared to the conventional on-chain execution model due to the overhead introduced by encryption and remote attestation. However, the observed overhead remains practical when weighed against the strong security guarantees required in off-chain execution environments. In particular, since the entire smart contract execution process is confined within a trusted hardware-protected region, the proposed approach effectively eliminates off-chain–specific security threats such as code exposure, packet eavesdropping, and man-in-the-middle attacks.
In conclusion, this work presents the first implementation of a secure off-chain smart contract execution framework for RISC-V based blockchain environments, demonstrating the feasibility of leveraging open hardware ecosystems for secure blockchain applications. The proposed approach provides a foundation for the development of lightweight and highly trusted off-chain execution technologies required in a wide range of future industrial applications.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 관련 연구 4
• 1. 소프트웨어 기반 오프체인 보안 연구 4
• 2. 하드웨어 기반 TEE 연구 4
• 3. RISC-V 기반 TEE 연구 5
• 4. 기존 연구와의 차별성 6
• III. 배경 지식 8
• 1. Hyperledger Fabric 8
• 2. Keystone TEE 아키텍처 9
• IV. 오프체인 보안 시스템 12
• 1. 전체 아키텍처 개요 12
• 2. 클라이언트 12
• 3. 피어 노드 13
• 4. 컴퓨트 노드 14
• 5. 트랜잭션 처리 전체 흐름 16
• 6. 보안성 분석 17
• V. 시스템 세부 구현 18
• 1. packet 구조 18
• 2. 암호화 18
• 3. 원격 인증 21
• 4. 체인 코드 21
• VI. 성능 평가 23
• 1. 실험 환경 23
• 2. 실험 시나리오 및 결과 23
• 3. 실험 분석 25
• VII. 결론 26