블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합 시스템 동향
블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합 시스템 동향
최낙선, laksjin@empas.com
(주)벨링
Key words
Blockchain; Edge Computing; Integrated System; Fourth Industrial Revolution
블록체인; 엣지 컴퓨팅; 통합 시스템; 4차 산업혁명
1. 서론
매년 가트너(Gartner) 등에서 발표되는 전략 기술 트렌드로 선정되는 기술 중에 많은 관심을 끌고 있는 블록체인(Blockchain)과 엣지 컴퓨팅(Edge Computing) 기술이 있다. 5G 이동통신과 함께 모바일 엣지 컴퓨팅(Mobile Edge Computing: MEC)의 도입이 시작되었고, 그 응용 분야도 점점 확대되고 있다. 블록체인은 비트코인(Bitcoin), 이더(Ether)와 같은 가상화폐의 기반이 되는 기술이다. 분산 데이터 관리 프레임워크 등을 시작으로 활용 가치가 확대되고 있으며, 이는 본질적으로 기록의 보관 방식이며, 데이터베이스 관리의 형식을 사용하는 제품에서 사용할 수 있다. 변경 불가능하고 파괴할 필요가 없는 데이터를 보호하는 것에 이상적이다(박의서, 2019). 전통적으로 데이터는 대부분 타사에서 소유하고 운영하는 서버에 보관된다. 중앙 집중식 접근 방식에는 트랜잭션 처리 효율성이 낮으며, 단일 지점 오류와 도덕적인 위험과 같은 단점이 있다. 이러한 방식으로 제3자가 개인과 기업의 데이터에 접근할 수 있다면 데이터의 파괴 가능성이 증가하고 노출 위험이 뒤따른다. 블록체인을 통해서 데이터는 암호화된 다음에 분산된 컴퓨터 네트워크를 통해 전달된다. 이러한 방식으로 데이터는 절대적인 누군가에 의해서만 소유되지 않으며, 데이터의 파괴 및 변경이 어렵게 된다.
엣지 컴퓨팅은 최종 사용자에게 데이터 저장 및 응용 프로그램 서비스를 제공할 수 있는 분산형 패러다임이다. 실시간 응답, 위치 인식과 터미널 장치와의 근접성으로 인해 이동성과 같은 이점을 제공한다. 선행연구에서 스마트 그리드, 증강 현실 응용, 스마트 트래픽 조명, 비디오 스트리밍 등과 같은 다양한 시나리오에 적합하다는 것을 보이고, MEC가 서비스의 효율성 및 품질을 높일 수 있음을 제시한다(P. Mach, Z. Becvar, 2017).
엣지 컴퓨팅은 클라우드 컴퓨팅 서버보다 단말 기기에 가까이 위치하여 보다 적은 지연속도로 오프로딩 작업을 수행할 수 있다. 또한 엣지 컴퓨팅 시스템에서 유발될 수 있는 문제점을 블록체인을 통해 개선할 수 있다. 최근에는 상호보완적인 블록체인과 엣지 컴퓨팅을 통합하여 각각의 단점을 보완하는 시스템이 등장하였다. 따라서 본 고에서는 블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합 시스템의 동향을 중심으로 서술하였다. 이를 위해 블록체인과 엣지 컴퓨팅 두 기술에 대한 주요 특징들과 사례들을 살펴보았다.
2. 블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합
2.1. 블록체인 기술
블록체인은 전자서명과 해시함수 등 암호화 기술을 이용하는 암호화폐인 비트코인을 지원하기 위해서 개발되었다(Namje Park et al., 2006). 중앙의 관리자가 없이도 공개된 네트워크에 참가한 사람들에 의해 생성된 거래 내역이 참임을 증명하는 것에 대해 합의를 이룰 수 있다. 모든 거래 내역을 추적할 수 있으며, 한번 거래한 내역을 위조 · 변조하기 어렵다는 장점을 가진다. 분산되고 독립적이며 개방된 원장 관리의 장점으로 인해 암호화폐 이외에도 에너지, 물류, 수송, 헬스케어, 금융, 스마트시티 등의 다양한 응용으로 확대되고 있다(G, Pierluigi et al., 2018).
블록체인 기술은 중앙의 관리자나 감시자가 없이 동등한 역할의 참여자들로 구성된 P2P(peer-to-peer) 네트워크 상에서 구현된다. 참여자들이 생산하는 거래 내역이나 데이터들은 참여자들 간에 공유된다. 생성된 트랜잭션이 유효하려면 블록에 포함이 되어야 하고, 이 과정을 ‘채굴(mining)’이라고 한다. 트랜잭션이 블록에 포함되는 과정은 먼저 참여자가 자발적으로 P2P 네트워크 상에서 유통되는 트랜잭션의 정상 유무를 검증한다. 정상적인 트랜잭션으로 판명되면 블록에 추가하게 된다. 하나의 블록에는 여러 트랜잭션이 포함될 수 있다. 블록은 누구나 생성할 수 있지만 가장 먼저 생성한 블록만 유효하다.
블록체인 기술을 적용하기 위해서 각 피어들이 트랙잭션에 대한 검증과 블록 생성에 대한 책임이 있다. 블록을 생성하는 과정에서 작업 증명 등과 같은 알고리즘을 적용할 때 많은 양의 컴퓨팅 자원을 소비하기 때문에 자원이 제한적인 기기에 적용하기는 어려움이 따른다(M. Vecchio et al., 2018). 예를 들어 사물인터넷에 블록체인을 적용할 경우, 사물인터넷 기기의 성능 및 컴퓨팅 능력에 따라 풀 노드(full node), 가벼운 노드(light node), 트랜잭션만 생성할 수 있는 등 역할을 다르게 하거나, 사물인터넷 게이트웨이를 활용하거나, 엣지 컴퓨팅 장치로부터 필요한 자원을 빌려서 블록체인을 활용할 수 있다(M. Fernández-Caramés et al., 2018).
2.2. 엣지 컴퓨팅 기술
엣지 컴퓨팅(edge computing)은 중앙형인 클라우드 컴퓨팅에 비해 사용자 단말에 보다 가깝게 위치한 컴퓨팅 자원이라는 의미로 ‘엣지’ 라고 표현된다. 엣지 컴퓨팅의 실현 방법으로는 포그 컴퓨팅(fog computing), 클라우드릿(cloudlet), 모바일 엣지 컴퓨팅(mobile edge computing) 등이 있다.
엣지 컴퓨팅의 경우 사용자 단말, 단말과 가장 가까운 서버에서 컴퓨팅을 처리한다. 지연 시간을 최소화하며 데이터를 처리할 수 있으며, 사용자가 즉각적으로 처리된 데이터에 대응할 수 있다. 따라서 엣지 컴퓨팅을 사용함으로써 서버의 데이터 부하가 감소하고, 데이터 처리를 사용자와 가까운 곳에서 처리하기 때문에 보안 강화에 기여한다. 그러나 엣지 컴퓨팅만을 사용하는 것은 비용과 효율 관점에서 비합리적이다. 최근 엣지 컴퓨팅 시장은 빠른 처리를 필요로 하는 상황에 엣지 컴퓨팅으로 각 디바이스 내에서 연산 처리한 후, 해당 결과를 전송하는 방식으로 동작하는 하이브리드 방식이 사용되고 있는 추세이다. 예를 들어 사용자들로부터 전송받은 데이터를 엣지 컴퓨팅 서버에 저장하고 필요한 데이터를 서버로 송신하는 방식이다. 엣지 컴퓨팅이 수행되는 서버는 중앙에 위치한 서버보다 더 적은 계산능력을 갖게 되지만 엣지에 위치한 사용자에게는 더 높은 QoS와 낮은 지연 서비스를 제공할 수가 있다(N. Abbas et al., 2018).
엣지 노드는 클라우드 서버 대신에 데이터 처리를 수행하는 주체이다. 디바이스와 물리적으로 가까운 곳에 배치됨으로써 기존의 서버와 디바이스 간의 전송 시간을 줄일 수 있기 때문에 빠른 응답시간을 필요로 하는 자율주행 자동차 분야에서 돌발적 상황에 신속하게 대처할 수 있다. Intel은 자율주행 자동차의 8시간 주행에 약 40TB의 데이터를 생성할 것으로 예측했다. 이와 같은 많은 양의 데이터를 클라우드 서버에서 모두 처리할 경우 클라우드 서버에 부담을 줄 수 있기 때문에 엣지 노드에서 데이터를 분담하여 처리하여 작업 효율을 향상시킬 수 있다. Microsoft에서는 클라우드 플랫폼을 발전시켜 Microsoft Azure이라는 지능형 클라우드-엣지 플랫폼을 개발했다. 특히, Azure IoT Edge를 통해 사용자들의 단말 기기와 엣지 서버 그리고 클라우드로 이루어지는 세 개의 계층의 유동적인 서비스를 제공한다. 구글에서는 엣지 컴퓨팅을 이용한 인공지능 강화 연구를 진행했다. IoT 기기에서 인공지능 모델을 구현할 수 있는 ‘엣지 TPU’칩을 개발해 낮은 전력 소모로도 고성능의 인공지능 연산이 가능하다. 또한 IBM, 삼성전자 등에서 엣지 컴퓨팅 서비스나 엣지 컴퓨팅을 이용한 기기 연구를 진행중이다(신성식 외, 2019).
2.3. 블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합 시스템
비트코인과 이더리움과 같은 퍼블릭 블록체인은 작업 증명과정을 통해 데이터 무결성을 유지하고 보안성을 유지한다. 하지만 블록을 채굴하기 위한 컴퓨팅 자원이 소모되는 문제점이 있어, 자원이 풍부하지 않은 네트워크에서는 블록체인을 적용하기가 쉽지 않다. 엣지 컴퓨팅은 클라우드 컴퓨팅 서버보다 단말 기기에 가까이 위치해 적은 지연속도로 오프로딩 작업을 처리할 수 있다. 그러나, 엣지 서버의 분산 데이터를 관리하는데 높은 수준의 보안성 유지가 필요하며, 사용자들의 프라이버시가 보장해야 한다. 블록체인과 엣지 컴퓨팅은 각각 보완해야 할 문제점이 있는데, 블록체인과 엣지 컴퓨팅 기술을 통합하여 각 기술의 문제점을 상호보완하기 위한 연구들이 진행중이다(J. Yun et al., 2019).
프라이빗 블록체인을 이용하여 클라우드와 엣지 노드의 통합 데이터베이스를 형성하는 구조를 나타낸 모델을 보면, 엣지 노드는 IoT 디바이스 및 클라우드 서버에 비해서 물리적으로 가까운 거리에 배치하여 빠른 응답속도를 기대할 수 있다. 각 엣지 노드는 서로 다른 영역의 사용자 애플리케이션이나 IoT 서비스의 처리를 담당할 수 있다. 클라우드는 축적된 데이터를 기반으로 사용자에게 데이터 인텔리전스 등의 서비스를 제공할 수 있다. 블록 체인을 사용한 모델에서는 분업화를 통해서 클라우드나 일부 엣지 노드에 시스템 장애가 발생할 경우에도 엣지 노드를 통해서 서비스를 제공할 수 있다. 이는 엣지 노드와 클라우드가 같은 데이터의 복제본을 저장하고 있기 때문에 복구에 용이하다(강민혁？전상운, 2019).
블록체인에서 블록을 채굴하기 위해서는 작업 증명의 과정을 통해서 반복적으로 연산이 요구된다. 하지만 반복적인 연산은 컴퓨팅 자원의 낭비를 초래하고, 컴퓨팅 자원이 미비한 모바일 기기 또는 IoT 장치에서 과도한 연산을 수행시키기가 쉽지는 않다. 따라서, 블록체인 시스템을 적용하는 데 한계점이 있다. 만약 블록체인 합의 과정을 위한 연산 컴퓨팅 능력을 큰 서버에서 수행한다면 블록체인의 확장성이 더 용이할 것이다. 이러한 측면에서, 블록체인과 엣지 컴퓨팅을 통합하는 연구가 진행 중이다. Z. Xiong et al.(2018)에서는 모바일 엣지 서버의 컴퓨팅 자원을 제공함으로써 엣지 컴퓨팅을 통해서 IoT 네트워크에서 블록체인 시스템을 가능하게 한다. 기지국의 역할을 하는 모바일 엣지 컴퓨팅 제공자가 인접한 모바일 IoT 장치로부터 블록체인의 작업오프로딩 요청을 받으면, 엣지 서버로 전달한다. 엣지 컴퓨팅 서버는 엣지 컴퓨팅 자원을 이용하여 해당 작업 증명 퍼즐을 풀고, 해싱과 암호화 알고리즘 같은 합의 과정을 진행하여 블록을 채굴한다. 이러한 방식으로 IoT 디바이스의 사용자는 엣지 컴퓨팅 자원을 사용하는 비용을 지불하면, IoT 기기의 부족한 컴퓨팅 자원에도 불구하고 엣지 컴퓨팅의 자원을 이용하여 작업 증명 합의 과정에 참여해 블록체인 시스템을 이용할 수 있다.
또한, 엣지 컴퓨팅 시스템에서 유발할 수 있는 문제점을 블록체인을 통해 보완할 수 있다. 엣지 컴퓨팅 서비스를 통해 데이터 오프로딩을 요청하는 경우, 프라이버시가 노출되는 위험이 있다. 하지만 블록체인 기술을 이용할 경우, 각 사용자들은 제3의 중앙화된 기관의 필요 없이, 인증에 요구되는 보안 키를 관리하여 엣지 컴퓨팅의 데이터를 관리할 수 있다. 또한, 블록체인의 데이터 무결성과 보안성 특징을 통해서 데이터의 목적지 등의 내용 유출이 없이 데이터가 전송되므로 프라이버시를 유지할 수 있다(박준희 외, 2018).
3. 결론
본 고에서는 블록체인과 엣지 컴퓨팅의 통합 시스템의 동향을 중심으로 서술하였다. 탈중앙화의 특징을 가진 블록체인은 제3의 중앙화된 기관의 지원 없이 노드끼리 합의 과정을 통해서 화폐 거래를 하며, 이더리움의 스마트 컨트랙트를 통해서 어플리케이션을 동작할 수 있다. 하지만 작업 증명 과정에서 반복되는 연산량이 많기 때문에 컴퓨팅 능력이 부족하고 트랜잭션이 자주 발생하는 IoT 네트워크와 같은 경우에 블록체인을 이용하기 쉽지 않다. 또 클라우드 컴퓨팅의 지연 시간이 많은 것을 보완하기 위해 등장한 기술인 엣지 컴퓨팅은 클라우드 서비스보다 사용자에 더 가까이 배치되고 분산되어 있어, 증강현실과 가상현실과 같은 실시간적인 처리를 요구하는 어플리케이션 오프로딩에 효율적이다. 하지만 엣지 컴퓨팅은 프라이버시, 보안성 유지 문제 및 분산된 데이터의 관리에 대한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 블록체인과 엣지 컴퓨팅 기술을 통합시키는 연구들이 진행 중이다. 모바일 IoT의 작업 증명과 같은 블록체인 네트워크의 작업을 엣지 컴퓨팅으로 오프로딩시켜 수행하면 연산 능력이 상대적으로 부족하더라도 원활한 블록체인의 가동이 가능하다. 또한, 블록체인을 이용하여 분산된 엣지 컴퓨팅의 데이터를 관리하면, 데이터의 무결성을 보장할 수 있으며, 블록체인의 안전성 및 기밀성을 통해서 엣지 컴퓨팅의 프라이버시 문제를 보완할 수 있다.
엣지 컴퓨팅 기술과 IoT 시스템 등 대규모의 데이터나 노드로 인해서 트랜잭션이 발생하는 블록체인 시스템에서는 확장성 문제를 해결하는 것이 중요하다. 예를 들어, 전체 노드가 합의 과정에 참여하지 않고, 위임하는 형식으로 마스터 노드만이 블록체인 합의에 참여하여 확장성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 블록체인과 엣지 컴퓨팅 기술을 통합해서 이용한다면 각각의 문제점을 보완하며 사용자들에게 유용한 서비스를 제공할 수 있을 것이다.
References
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