IoT 블록체인 머클 트리 합의 프로토콜

IoT 블록체인에서 합의 프로토콜의 중요성

최근 몇 년 동안 연구자들은 사물 인터넷 블록체인(IoTB)에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 이 중 중요한 요소 중 하나는 합의 프로토콜이며, 이는 제한된 대역폭, 에너지 제약 및 저장 공간 부족과 같은 문제를 겪고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 계층형 IoTB(HIoTB) 네트워크가 제안되었습니다.

시장 조사에 따르면, 2025년까지 전 세계의 IoT 장치 수는 약 755억 대에 이를 것으로 예상하고 있습니다. 이는 각 장치가 효율적이고 신뢰성 있는 합의 프로토콜의 필요성을 강화합니다.
IoT 장치의 대부분은 ARM 프로세서와 같은 저전력 프로세서를 사용하기 때문에, 대역폭과 에너지를 절약하는 합의 프로토콜이 필수적입니다.

공정한 비담보 합의 프로토콜 PoAct의 제안

HIoTB의 공정한 우선순위 결정과 노드의 신뢰성 검증이 주요 문제로 남아 있습니다. 이를 해결하기 위해 머클 트리 기반의 기술을 활용한 비담보 합의 프로토콜인 PoAct가 제안되었습니다. 이 프로토콜은 에너지 효율성과 경량성을 향상시키면서 공정한 트랜잭션 선정을 가능하게 합니다.

머클 트리는 블록체인의 데이터 무결성을 확인하는 데 사용되어, PoAct의 신뢰성과 보안성을 강화하는 요소로 작용합니다.
PoAct는 특히 제한된 하드웨어 환경에도 효율적으로 작동하도록 설계되어 있어 IoT 네트워크에 적합합니다.

IoT와 블록체인의 결합: 데이터 무결성과 보안

IoT는 다양한 산업 분야에서 데이터를 생성하고 저장하며, 이러한 데이터를 처리하는 과정에서 보안 문제와 자원 한계에 직면합니다. 반면, 블록체인은 분산 네트워크를 통해 데이터 무결성을 보장하며, 합의 기반의 보안 메커니즘을 제공합니다. 그러나 기존의 작업 증명(Proof of Work) 프로토콜은 높은 에너지 소비를 야기합니다.

2020년 기준으로 블록체인의 전 세계적인 에너지 소비는 매년 약 77 TWh로, 이는 스위스 전체의 연간 소비와 유사합니다.
IoT와 블록체인의 결합은 스마트 시티, 헬스케어, 전력 관리 등에서 실시간 분석과 함께 보안을 강화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

새로운 신뢰성 평가 방법의 필요성

기존의 합의 프로토콜은 참여 노드의 신뢰성을 평가하기 위해 담보를 요구하지만, 이는 높은 비용 문제를 일으키고 있습니다. 최근에는 네트워크 내 노드의 행동을 기반으로 신뢰성을 평가하는 경량 방법이 제안되고 있지만, IoTB 애플리케이션에서 확장성 문제에 직면하고 있습니다.

연구에 따르면, 담보 중심의 합의 프로토콜은 블록체인 네트워크에 최대 30%의 운영 비용을 추가할 수 있습니다.
행동 기반 신뢰성은 기계 학습 알고리즘을 사용해 노드의 과거 행태를 평가하며, 이를 통해 비용을 절감하고 효율성을 높일 수 있습니다.

PoAct 프로토콜의 세부 구성

PoAct는 네트워크 노드의 계산 자원을 활용하여 신뢰할 수 있는 노드를 식별하고, 블록에 포함될 트랜잭션을 공정하게 선택하는 새로운 접근 방식을 도입합니다. PoAct는 담보가 필요 없는 공정한 합의 메커니즘을 통해 확장성을 높이고 에너지 소비를 고려합니다.

PoAct는 블록 생성 시 마다 샘플링된 노드의 무작위 집합으로 신뢰 성격을 계산해 노드의 신뢰도를 평가합니다.
이는 PoW 프로토콜 대비 에너지 소비를 최대 40% 절감할 수 있는 잠재력을 제공합니다.

PoAct의 성능 및 보안 분석

PoAct는 다양한 시나리오를 통해 평가되었으며, 기존의 퍼즐 해결 기반 합의 프로토콜에 비해 처리량과 실행 시간이 크게 개선되었습니다. 또한, PoAct는 Sybil, Eclipse, 51% 공격과 같은 합의 공격을 방지하며, 포크 발생 문제를 해결합니다.

연구 결과에 따르면, PoAct는 동등한 네트워크 조건에서 기존 프로토콜에 비해 최대 60% 빠른 트랜잭션 처리 속도를 보여주었습니다.
이 기술은 머클 트리와 결합하여, 불법적인 노드가 시스템의 신뢰성에 미치는 영향을 줄이는 데 기여합니다.

결론 및 향후 연구 방향

PoAct는 블록체인 네트워크의 확장성, 경량성, 에너지 인식을 위한 합의 프로토콜을 제시합니다. 미래 연구에서는 네트워크 노드의 추가 기능을 통합하여 Merkle 트리 증명을 확장할 계획입니다. 이를 통해 PoAct의 에너지 효율성을 더욱 강화하고, 노드의 신뢰성을 높이는 방향으로 나아갈 것입니다.