산업 자동화에서 블록체인의 잠재력 열기: 기회와 과제

이전 기사에서는 블록체인 작동 원리, 보안성, 물류(공급망, 자산 추적) 분야 활용을 소개했습니다. 이번 기사에서는 산업 자동화 분야에서 블록체인의 추가 사례와 잠재적 응용을 다룹니다.

블록체인과 IoT

사물인터넷(IoT)은 전 세계 수백만 애플리케이션을 가지고 있지만 동시에 많은 보안 위험을 노출시켰습니다. 무선 카메라, 아마존 알렉사, 스마트 온도조절기 등 IoT 제품이 해킹당해 데이터가 탈취됐다는 뉴스를 자주 접합니다.

블록체인은 IoT 애플리케이션의 보안 결함을 메우는 데 도움을 줄 수 있습니다. 많은 IoT 애플리케이션은 통신에 MQTT를 사용합니다. MQTT는 블록체인 기반 OTP(일회용 비밀번호) 인증을 스키마에 도입해 보안을 강화할 수 있습니다.

그림 1에서 사용자는 로컬 기기를 이용해 브로커에 인증 요청을 보내 원격 기기를 등록합니다. 브로커는 트랜잭션을 생성하고 스마트 계약 기능을 개시합니다. 그런 다음 OTP를 생성해 사용자에게 돌려보냅니다. 이후 사용자는 OTP를 블록체인에 게시해 인증 요청의 독창성을 입증합니다.

그림 1. 블록체인으로 구현된 IoT. U.S. National Library of Medicine 제공 이미지

OTP는 만료 기간이 있으므로, 사용자는 로컬 기기에서 스마트 계약을 호출해 OTP가 만료되지 않았는지 검증해야 합니다. OTP가 검증되면 원격 기기가 블록체인에서 이를 가져와 브로커로 전송합니다. 마지막으로 브로커가 블록체인에서 OTP를 가져와 기기 등록을 승인합니다.

위의 모든 통신은 이더리움 게이트웨이를 통해 수행되며, IoT 애플리케이션은 OTP 생성 및 검증, 이더리움 게이트웨이와의 통신을 위해 작동합니다.

블록체인을 활용한 산업 제어 시스템(ICS) 사이버보안

IoT 기기와 데이터에 대한 접근 제어를 보호하는 또 다른 방법은 블록체인을 사용해 기기 목록과 트랜잭션을 저장하는 것입니다. 블록체인은 Truffle Suite를 사용해 이더리움 플랫폼에서 설계할 수 있습니다. Truffle Suite는 이더리움 가상 머신(EVM)을 사용해 스마트 계약을 생성하는 도구입니다. 인증 목적과 트랜잭션 보안을 위한 기록 추적 및 불변 데이터베이스를 생성합니다. 불변 데이터베이스의 데이터는 삭제하거나 업데이트할 수 없습니다.

생성된 이더리움 블록체인은 방화벽 뒤의 프라이빗 네트워크이며, 서버는 HTTP GET과 POST 메서드를 사용해 이더리움 블록체인과 통신합니다. 스마트 계약은 매 트랜잭션마다 인증하도록 설계되었습니다. 프라이빗 블록체인 네트워크에 이더리움 블록체인을 사용하고, 자바 기반 솔리디티(Solidity)로 계약을 정의합니다.

블록체인과 공정 제어

공정 자동화 시스템(PAS)을 위한 블록체인 기반 수직 통합 아키텍처는 산업 공정을 제어하고 모니터링할 수 있습니다. 수직 통합은 최하위 필드 및 장치 수준에서 데이터를 수집해 최상위 레벨로 정보가 이동하게 합니다. 반대로 최상위 레벨에서 필드 장치(제어 루프의 설정값 변경 등)로도 정보가 흐릅니다.

분산형 블록체인 기반 네트워크 아키텍처는 PAS 계층 구조의 수직 통합에 구현되어 실시간 시스템과 병렬로 작동할 수 있습니다. 이는 운영자가 HMI(휴먼-머신 인터페이스) 수준에서 수행하는 컴파일, 실행, 모니터링 등 작업 오더에 블록체인을 도입합니다.

그림 2와 같이 블록체인 네트워크는 기업 관리, 플랜트 관리, 감독 레벨 세 단계를 연결하는 미들웨어로 사용되며, 각 레벨은 블록체인 클라이언트 역할을 하며 분산 방식으로 상호작용합니다.

공정 제어 레벨 장치는 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)를 통해 필드 장치와 센서 간 통신을 중재합니다. 또한 스마트 계약을 통해 PAS의 세 레벨과 통신하며, 작업 실행과 원시 데이터 수집을 정의하고, 접근 제어와 보안 관리를 수행합니다. 이 정보는 비즈니스와 제조 의사결정을 지원합니다.

그림 2. 블록체인으로 구현된 공정 제어. Cornell University 제공 이미지 [PDF]

이 아키텍처에서 PLC 장치 관리와 제어 정보는 블록체인 네트워크의 원장에 저장되며 트랜잭션은 검증됩니다. 각 트랜잭션은 고유 주소로 식별되며 PAS 내 서로 다른 레벨 간 교환될 모든 관련 정보를 저장합니다.

블록체인의 당면 과제

암호화폐에서 블록체인 기반 네트워크의 성공에도 불구하고, 블록체인을 다른 산업 애플리케이션에 그대로 복사해 붙여넣을 수는 없습니다. 블록체인 개발자가 산업 자동화 및 제조 애플리케이션에 블록체인을 성공적으로 통합하기 위해 고려해야 할 과제는 다음과 같습니다.

• 블록체인 채굴자(miner): 암호화폐에서 채굴자는 복잡한 수학 방정식을 풀면 금전적 보상을 받습니다. 산업 애플리케이션에서는 채굴자의 작업을 계산 프로세스나 유닛이 대체해 이러한 집중적 책임을 수행해야 합니다. 이는 범위와 필요 리소스를 늘리고, 결과적으로 IoT나 제어 네트워크 구축 비용을 증가시킵니다.
• 보안: 해커가 암호화폐 사용자 계정을 털어가는 뉴스가 여전히 들립니다. 블록체인 네트워크에는 몇 가지 보안 결함이 있습니다. 블록체인의 분산된 특성은 보안을 강화하지만 해커가 악용할 표적도 더 많이 만듭니다. 연구자들은 프로토콜 계층에서 보안을 강화할 더 나은 방법을 찾아야 합니다.
• 속도: 알고리즘 복잡성과 채굴 네트워크 순회 시간 때문에 비트코인 1개 채굴에 10분이 걸립니다. 금융 시장에서는 괜찮을 수 있지만 실시간 제어 시스템에는 비현실적일 수 있습니다. 연구자들은 대역폭을 늘리고 암호화 속도를 높이며 컴퓨팅 파워 낭비를 줄여 블록체인을 산업 애플리케이션에 더 적용 가능하게 만들어야 합니다.
• 느린 채택: 블록체인은 효과적으로 작동하려면 광범위한 채택이 필요한 생태계입니다. 예를 들어 공급망 네트워크의 추적 및 트레이싱은 한 조직의 블록체인 네트워크 채택뿐 아니라 공급업체의 채택도 요구합니다. 기업들은 다른 주체들과 합의를 이뤄야 할 때 신기술 채택에 느린 경향이 있습니다. 서로 다른 비즈니스 주체들이 협력하고 신뢰해 보안과 트랜잭션이 원활하게 작동하는 호환 가능한 블록체인을 형성해야 합니다.
• 숙련된 개발자: 블록체인은 신흥 기술입니다. 이를 개발하고 마스터하는 데 필요한 기술이 시장에 널리 퍼져 있지 않습니다. 조직이 블록체인 개발자와 엔지니어를 확보하기 어렵고, 연봉 경쟁도 치열합니다. 이 인재 확보 장벽은 레거시 시스템에 블록체인 통합을 늦출 수 있습니다. 하지만 다른 기술들에서 봤듯 수요가 생기면 교육 기관과 기술 커뮤니티가 따라잡아 충분한 훈련된 인력을 공급할 수 있습니다.

블록체인에 몇 가지 과제가 있어 보이지만, 좋은 소식은 이러한 결함을 극복하기 위한 많은 작업이 진행 중이라는 것입니다. 조직과 기술 리더들은 블록체인의 이점과 잠재력을 인지하고 이 기술에 투자하고 있습니다. 다른 신기술과 마찬가지로 블록체인도 주류 채택되기 전에 엄격한 도전에 직면할 시간이 있을 것입니다.

암호화폐가 붐인지 버스트인지 시간만이 알 수 있습니다. 하지만 암호화폐가 만들어낸 블록체인 기술은 산업 애플리케이션 분야에서 오랫동안 가치를 유지할 것입니다.