저성능 사물인터넷을 위한 멀티캐스트 기반 경량 블록체인 = A multicast-based lightweight blockchain for low-performance Internet of Things

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Internet of Things (IoT) technologies are used in various fields; in many cases, these are installed by default in the latest electronic products, so people are directly or indirectly experiencing the IoT technologies. Among them, the concept of Smart Dust-Internet of Things (SD-IoT), which applies IoT to smart dust environments, has been attracting attention for military purposes. It collects information about its surroundings by scattering minute (like dust) devices around it. The SD-IoT inherits five main characteristics of smart dust: low cost, low performance, ultrasmall, large volume, and air-spreading. Because of these characteristics, the SD-IoT faces the problems of collecting duplicate data from a very large database and data forgery. The blockchain is a good solution to these problems, but it is difficult to use in an SD-IoT environment comprising low-performance devices. Therefore, in this thesis, a lightweight blockchain that is light enough to operate in an SD-IoT system comprising low-performance devices is proposed. In addition, when a lightweight blockchain is applied to SD-IoT, transaction propagation takes too long due to the presence of numerous devices. To solve this problem, multicast transmission using a binary tree structure is proposed. Further, the traffic problem is improved by employing a method to prevent duplicate propagation of transactions by hash comparison.
In addition, experiments are performed to verify the validity of the multilayer SD-IoT, multicast transmission method, and transaction antiduplication propagation method. Results show that the multilayer SD-IoT system reduces the processing time by 51% and increases the number of devices that can be connected to 16 times compared with a nonlayered SD-IoT system. The validation experiments for the multicast transmission method show that transactions per second increase up to 88% compared with the unicast transmission method. Finally, from the validation experiments for the transaction antiduplication propagation method, the average transmission amount is saved by 24% compared with a system in which the antiduplication propagation method is not employed.

국문 초록 (Abstract)

사물인터넷은 이미 우리 주변의 다양한 분야에서 사용되고 있을 뿐 아니라 최신 전자제품에 기본 탑재된 경우도 많으므로 우리는 직, 간접적으로 사물인터넷을 경험하고 있다. 그 중, 스마트 더스트 사물인터넷(SD-IoT, Smart Dust Internet of Things)은 군사적 목적으로 주목받던 스마트 더스트(Smart Dust) 개념에 사물인터넷을 적용하여 먼지 크기의 아주 작은 장치들을 대량으로 살포하여 서로 유기적으로 통신함으로써 주변의 물리적 공간에 정보를 수집하는 사물인터넷이다. SD-IoT는 스마트 더스트의 특징인 저가, 저성능, 초소형, 대량, 공중 배포의 다섯 가지 주요한 특징을 상속한다. 그런데 SD-IoT의 특징들은 중복된 데이터를 수집하는 문제와 그로 인해 데이터베이스가 아주 많이 커지는 문제 그리고 데이터 위변조 문제에 노출된다. 블록체인은 데이터 위변조 문제, 중복된 데이터 수집에 대한 좋은 해결책이지만, 낮은 성능을 가진 SD-IoT 환경에서는 사용이 힘들다. 따라서 본 연구에서는 낮은 성능의 장치들로 구성된 SD-IoT 시스템에서 동작할 수 있을 만큼 가벼운 경량 블록체인을 제안한다. 또한, 블록체인이 적용될 때 대량의 기기들의 트랜잭션 전파가 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 발생할 수 있는 지연 문제를 해결하기 위해 이진 트리 구조를 이용한 멀티캐스트 전송 방법을 적용하고 해시 비교를 통해 트랜잭션의 중복된 전파를 막는 방법을 적용하여 SD-IoT 환경에서 발생할 수 있는 과도한 데이터 발생을 막는다.
또한, 다층 SD-IoT의 유효성, 멀티캐스트 유효성, 트랜잭션 중복방지 전파 방법의 유효성을 검증하기 위한 실험을 수행했다. 다층 SD-IoT의 유효성 검증 실험 결과, 다층 SD-IoT는 계층화되지 않은 비계층 SD-IoT보다 약 51% 처리 시간 단축을 보인다. 또한, 연결 가능 장치들 수를 최대 16배까지 증가시킬 수 있음을 보였다. 멀티캐스트 유효성 검증 실험 결과, 유니캐스트에 비해 최대 88% 초당 트랜잭션 처리량이 증가했다. 트랜잭션 중복방지 전파 방법의 유효성 검증 실험에서 중복방지 전파 방법이 적용되지 않은 시스템 대비 평균 24% 전송량을 절약함을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관련 연구 6
• 2.1. 스마트 더스트 사물인터넷 6
• 2.2. 블록체인 8
• 2.3. 경량 블록체인 9
• 2.4. 3세대 블록체인 10
• 3. 다층 스마트 더스트 사물인터넷 15
• 3.1. 다층 스마트 더스트 사물인터넷의 개요 15
• 3.2. 이중 데이터 통합 알고리즘 16
• 4. 저성능 사물인터넷을 위한 경량 블록체인 19
• 4.1. 개선된 다층 스마트 더스트 사물인터넷 20
• 4.2. 상대 연결 이진 트리 21
• 4.3. 다중 원장 경량 블록체인의 데이터 처리 27
• 5. 다층 SD-IoT를 위한 경량 블록체인 통합 37
• 5.1. 물리적 네트워크 구성방법 및 논리적 네트워크와 통합 37
• 5.2. 제안 시스템의 성능 평가 39
• 6. 성능 측정 및 유효성 검증 49
• 6.1. 실험 환경 49
• 6.2. 다층 사물인터넷의 유효성 검증 50
• 6.3. 멀티캐스트 유효성 검증 54
• 6.4. 트랜잭션 중복방지 전파의 유효성 검증 56
• 7. 결론 및 향후 연구 58
• 참고문헌 60
• 영문초록 68
• 국문초록 71