Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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Development of IoT Device Management System Using Blockchain DPoS Consensus Algorithm

블록체인 DPoS 합의 알고리즘을 활용한 IoT 장치 관리 시스템 개발

  • Kim, Mihui (Dept. of Computer Science & Eng., Computer System Institute, Hankyong National University) ;
  • Kim, Youngmin (Dept. of Computer Science & Eng., Computer System Institute, Hankyong National University)
  • Received : 2019.06.07
  • Accepted : 2019.06.19
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

Smart home with various IoT devices provides convenient and efficient services. However, security is important because sensitive information such as private video and audio can be collected and processed, as well as shared over the Internet. To manage such smart home IoT devices, we use blockchain technology that provides data integrity and secure management. In this paper, we utilize a PoS(Proof of Stake) method that verifies the block through the accumulated stake in the network rather than the computation power, out of the PoW(Proof of Work) block chain, in which the computation for the existing verification must be continuously performed. Among them, we propose a blockchain based system with DPoS(Delegated Proof of Stake) method to actively solve the scalability part, for security that is suitable for smart home IoT environment. We implement the proposed system with DPoS based EOSIO to show realization, and we show performance improvement in terms of transaction processing speed.

다양한 IoT 기기로 구성된 스마트 홈에서는 편리하고 효율적인 서비스를 제공한다. 그러나 사적인 영상과 음성과 같은 민감한 정보까지 수집 및 처리될 뿐 아니라 인터넷을 통해 공유될 수 있어서 보안이 중요하다. 이러한 스마트 홈 IoT 장치 관리를 위하여 데이터 무결성 및 안전성을 제공하기 위해 블록체인 기술을 활용하고자 한다. 본 논문에서는 기존 검증을 위한 연산을 지속적으로 수행해야 하는 PoW(작업 증명) 블록체인에서 아닌 네트워크에 축적된 지분을 통해 블록을 검증하는 PoS(지분 증명), 그 중에서 확장성 부분을 해결하고자 하는 DPoS(위임 지분 증명) 방식으로 스마트 홈 IoT 환경에 적절한 보안용 블록체인 체계를 제안한다. DPoS 체계인 EOSIO 기반으로 제안시스템을 구현하여 실현가능성을 보이고, 성능평가를 통해 트랜잭션 처리 속도 측면의 성능 향상을 보이고자 한다.

Keywords

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Fig. 1. Block structure of Bitcoin. 그림 1. 비트코인의 블록 구조

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Fig. 2. Proposed system structure. 그림 2. 제안 시스템 구조도

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Fig. 3. Contract structure. 그림 3. 컨트랙트 구조

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Fig. 4. Development diagram based on EOSIO. 그림 4. EOSIO로 구현 구성도

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Fig. 5. Mutisig sequence diagram. 그림 5. 다중서명 시퀀스 다이어그램

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Fig. 6. Sequence diagram of permission setting. 그림 6. 권한 설정의 시퀀스 다이어그램

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Fig. 7. Sequence diagram of data request. 그림 7. 자료 요청의 시퀀스 다이어그램

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Fig. 8. Transactions in block. 그림 8. 블록 내 트랜잭션

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Fig. 9. Transaction time of consensus algorithms. 그림 9. 합의 알고리즘들의 트랜잭션 처리 속도

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Fig. 10. Experiment of authority record. 그림 10. 권한 기록 실험

Table 1. Comparison of consensus algorithms. 표 1. 합의 알고리즘의 비교

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Table 2. Gateway specification. 표 2. 게이트웨이 사양

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Table 3. Block size per block size. 표 3. 트랜잭션 수 당 블록 사이즈

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References

  1. B. L. Risteska Stojkoska and K. V. Trivodaliev, "A review of Internet of Things for smart home: Challenges and solutions," Journal of Cleaner Production, vol.140, pp.1454-1464, 2017. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.10.006
  2. Y. Seo, J. Song, Y. Kong, "Blockchain Technology: Prospect and Implications in Perspective of Industry and Society," SPRI Issue Report, No.2017-004, 2017.
  3. A. Dorri, S. S. Kanhere, R. Jurdak, and P. Gauravaram, "Blockchain for IoT security and privacy: The case study of a smart home," in Proc. of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops), pp.618-623, 2017. DOI: 10.1109/PERCOMW.2017.7917634
  4. Y. Zhang, S. Kasahara, Y. Shen, X. Jiang, and J. Wan, "Smart Contract-Based Access Control for the Internet of Things," arXiv:1802.04410 [cs], 2018. DOI: 10.1109/JIOT.2018.2847705
  5. EOSIO, https://github.com/eosio
  6. V. Ricquebourg, D. Menga, D. Durand, B. Marhic, L. Delahoche, and C. Loge, "The Smart Home Concept: our immediate future," in Proc. of 1ST IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics, Hammamet, pp.23-28, 2006. DOI: 10.1109/ICELIE.2006.347206
  7. K. Kim, et. al., "IoT based smart home service framework technology," Broadcasting and Media Magazine, Vol.20, No.3, pp.290-302, 2018. DOI: 10.1109/MobServ.2015.66
  8. M. Kim, "A Scheme of IoT Device Management using Virtual Machine at Edge Cloud," Master Thesis, Kyungnam Univ., 2019.
  9. S. Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System," 2008, https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
  10. "Introduction to Smart Contracts-Solidity 0.5.8 documentation." https://solidity.readthedocs.io/en/v0.5.8/introduction-to-smart-contracts.html
  11. V. Buterin, "On Stake," Jul. 2014. https://blog.ethereum.org/2014/07/05/stake/
  12. B. Xu, D. Luthra, Z. Cole, and N. Blakely, "EOS: An Architectural, Performance, and Economic Analysis," https://whiteblock.io/library/eos-test-report.pdf
  13. "Blockchain speeds & the scalability debate $\mid$ Blocksplain." https://blocksplain.com/2018/02/28/transaction-speeds/
  14. X. Hao, L. Yu, L. Zhiqiang, L. Zhen, and G. Dawu, "Dynamic Practical Byzantine Fault Tolerance," in Proc. of IEEE Conference on Communications and Network Security (CNS), Beijing, pp.1-8, 2018. DOI: 10.1109/CNS.2018.8433150
  15. Y. Liu, Y. He, M. Li, J. Wang, K. Liu, and X. Li, "Does Wireless Sensor Network Scale? A Measurement Study on GreenOrbs," IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst., vol.24, no.10, pp.1983-1993, 2013. DOI: 10.1109/TPDS.2012.216

Cited by

  1. 해운항만산업의 블록체인 도입에 따른 혁신저항에 관한 연구 vol.35, pp.4, 2019, https://doi.org/10.38121/kpea.2019.12.35.4.121
  2. 블록체인 기반 안전한 사물인터넷 장치 관리 시스템 구현 vol.23, pp.4, 2019, https://doi.org/10.7471/ikeee.2019.23.4.1343
  3. A Study on Smart Healthcare Monitoring Using IoT Based on Blockchain vol.2021, 2019, https://doi.org/10.1155/2021/9932091