블록체인 기반 스마트팜에서 연합학습을 이용한 네트워크 적응형 Raft 알고리즘

Abstract

산업 구조와 사회를 혁신하는 4차 산업 혁명 시대가 도래하면서 정보통신기술(Information & Communications Technology, ICT)은 미래 성장을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 IoT(Internet of Things), 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 모바일과 같은 정보통신기술과 인공지능을 결합한 지능정보기술(Intelligent Information Technology)은 스포츠, 건설, 의료, 농업 등의 여러 산업 분야와 융합하여 초지능을 이루어 기존 산업의 혁신적 발전을 주도한다. 그러나 지능정보기술 기반 산업 시스템은 사물과 컴퓨터가 전체적으로 연결되는 초연결 기술로 구성되므로 시스템에서 공유하는 데이터의 양과 종류의 다양성이 증대되며, 따라서 데이터 탈취 및 위·변조에 대해 다양한 위협이 존재한다. 때문에 농업과 정보통신기술 및 지능정보기술을 융합한 스마트팜(Smart Farm)은 데이터의 무결성과 정확성을 보장하는 블록체인을 적용하여 신뢰성 있는 시스템을 구축하는 연구가 진행되고 있다. 블록체인은 네트워크의 모든 참여 노드가 전체 데이터를 분산 저장하고 있어 데이터 가용성이 높은 기술이다. 하지만 이러한 블록체인의 특징은 블록체인 기반 스마트팜에서 IoT 센서를 포함한 모든 디바이스가 네트워크에 참여할 경우 데이터 접근 및 사용에 대한 권한이 악용되어 보안 위협에 대한 위험도가 높아진다는 문제점이 있다. 따라서 스마트팜은 보안성 향상을 위해 허용된 기기만 참가하도록 게이트웨이(gateway) 역할을 하는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 중심으로 프라이빗 블록체인을 구축한다. 블록체인은 구축되는 비즈니스 환경에 따라 적합한 합의 정책을 적용해야 하는데 프라이빗 블록체인에서는 대표적으로 Raft 알고리즘을 기반으로 합의가 진행된다. 그러나 Raft 알고리즘은 리더 기반 합의 알고리즘으로 팔로워와 리더의 연결이 단절되는 네트워크 분할(Network Split)이 발생하면 클라이언트의 요청을 처리할 수 없다. 따라서 스마트팜과 같이 패킷 전송 지연과 장애 발생 빈도가 높아 네트워크가 불안정한 환경에서 Raft 알고리즘을 통해 블록을 합의하면 네트워크 분할이 빈번하게 발생하여 블록체인의 트랜잭션 처리량이 감소하고 트랜잭션 처리 시간이 지연된다는 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 본 논문은 네트워크 환경에 적응하도록 노드의 네트워크가 안정도에 따라 리더를 선출하여 블록체인 성능을 향상하는 NA-Raft(Network Adaptive-Raft) 알고리즘을 제안한다. NA-Raft 알고리즘은 연합학습(Federated Learning)을 이용하여 팔로워가 전체 노드의 네트워크 안정도를 평가하고 안정적인 노드인 경우에만 다음 리더로 투표하는 방식으로 기존 Raft 알고리즘의 리더 선출 메커니즘을 개선한다. 이를 통해 Raft 알고리즘의 네트워크 분할 발생 확률을 감소 시켜 블록체인의 트랜잭션 처리에 대해 향상된 성능을 보인다. 결과적으로 NA-Raft 알고리즘을 적용한 블록체인은 클라이언트의 요청에 대한 처리 효율을 높여 스마트팜 시스템에서 발생하는 데이터에 대해 안전하고 신뢰성 있는 공유가 가능하다.;Information & Communications Technology (ICT) is attracting increasing attention as a key technology for future growth with the coming of the 4th Industrial Revolution, innovating the industrial structure and society. In particular, Intelligent Information Technology(IIT) leads the innovative development of existing industries through the convergence with various industries such as sports, construction, medical care, and agriculture; IIT is a technology that converges Artificial Intelligence(AI) and ICT, such as the Internet of Things (IoT), cloud computing, big data, and mobile technology. IIT-based industrial systems are composed of hyper-connected technology that connects objects and computers. It causes the types and amount of data shared by the system increase, exposing the system to an increasingly diverse threat of data attacks. As a result, research is proceeding applying a Blockchain that guarantees the integrity and accuracy of the data in industrial systems such as Smart Farm that converges agriculture and ICT including IIT to build a reliable system. Blockchain is a technology with high data availability because all of the participating nodes in the network store all the data distributedly. However, the characteristic of the Blockchain is that if all devices including the IoT sensors participate in the network of a Blockchain-based Smart Farm, the authority for data access and use can be abused, increasing the risk of security threats. To improve security, Smart Farm builds a private Blockchain that allows only authorized the Unmanned Aerial Vehicles (UAV) acting as a gateway. Blockchain apply an appropriate consensus policy according to the business environment in which it is built. The consensus mechanism for the private Blockchain is typically conducted based on the Raft algorithm. The Raft algorithm, which is a leader-based consensus algorithm, cannot process the requests of client when a network split occurs in which the connection between the follower and the leader is disconnected. Packet transmission delays and failures occur frequently in systems such as a Smart Farm; if the block is verified using the Raft algorithm in an environment where the network is unstable, network split occurs frequently, reducing the transaction throughput of the blockchain and delaying the transaction processing time. In this paper, I propose a Network Adaptive-Raft (NA-Raft) algorithm that improves the Blockchain performance by electing a leader according to the stability of the node's network to adapt to the network environment. The NA-Raft algorithm improves the leader election mechanism of the existing Raft algorithm by evaluating the network stability of all nodes using federated learning and voting for the next leader only if the node is stable. Through this mechanism, the probability of network split in the Raft algorithm is reduced and the performance for transaction processing of the Blockchain is improved. As a result, the Blockchain applying the NA-Raft algorithm increases the processing efficiency of the client requests and enables reliable sharing of data generated in the Smart Farm.