모바일 운전면허증 발급을 위한 스마트 컨트랙트 설계 및 평가

Ⅰ. 서 론

전통적인 신원 관리의 모델에서는 정부, 금융기관과 같은 중앙 집중식 기관이 개인정보의 저장, 관리, 검증을 담당한다. 이 모델의 주된 문제는 데이터 보안과 개인정보의 오용이다. 즉 이러한 모델에서 사용자는 자신의 데이터에 대한 직접적인 통제를 거의 하지 못하며, 정보가 어떻게 처리되는지와 누가 접근할 수 있는지에 대한 정보를 충분히 가지지 못한다.

현재의 온라인 서비스는 일반적으로 개별 신원증명 방식으로 사용자를 식별한다. 즉 사용자는 사용하는 서비스마다 별도의 아이디와 비밀번호를 생성해야 하며, 서비스 이용 시 해당 서비스에 맞는 아이디와 비밀번호를 입력함으로써, 본인 확인 절차를 완료한다. 이러한 방식은 사용자가 사용하는 서비스의 수가 증가함에 따라 아이디와 비밀번호 관리에 대한 부담을 가중시키는 구조적 문제를 가지고 있다. 또한 각각의 서비스 제공기관이 사용자의 개인정보를 개별적으로 관리하기 때문에 어느 한 기관에서 해킹 사고가 발생하면 사용자의 개인정보가 대규모로 유출될 수 있다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 방안으로 자기주권 신원증명(SSI, Self-Sovereign decentralized Identity)이 제안되고 있다[1][2]. 자기주권 신원증명은 스스로 권한을 가진 신원을 말한다. 즉 중앙 기관이나 중개자에 의존하지 않고 사용자가 자신의 방식으로 신원 데이터를 관리하고 공유할 수 있는 방법을 제공한다. 자기주권 신원증명은 탈중앙화 구조를 기반으로 하며, 사용자에게 완전한 신원 주권, 분산, 그리고 사용자 제어를 부여하여 데이터 관리를 가능하게 한다. 사용자는 블록체인의 공개 키에 연결된 자체 디지털 신원(Digital identity)을 생성하고 관리할 수 있으며, 이를 통해 중앙 집중식 중개자 없이도 안전하고 개인적인 인증 및 트랜잭션 권한을 부여할 수 있다.

분산신원증명(DID, Decentralized Identity)은 블록체인을 기반으로 한 자기주권 신원증명 체계로, 블록체인에서 사용하고 있는 암호기술을 기반으로 믿을 수 있는 탈중앙형 ID 저장소를 구현한다[3]. 분산신원증명은 전통적인 서버-클라이언트 형태의 중앙집중형 신원 관리와는 다르게 사용자가 자신의 신원정보를 직접 관리하고 어떤 정보를 어디에 제출할지를 결정한다. 이러한 방식은 지속성, 휴대성, 개인정보 보호, 피어(Peer) 기반과 같은 특징을 가진다[4].

자기주권 신원증명의 주요 이점 중 하나는 개인에게 보다 많은 권한을 제공한다는 것이다. 즉 사용자는 자신의 신원 정보를 어떤 기관이나 개인과 공유할지, 그리고 얼마나 오랜 기간 동안 공유할지 스스로 선택할 수 있다. 이와 같은 사용자 중심의 보다 안전하고 투명한 신원 관리 방식은 기존 중앙집중식 신원 관리 체계가 지닌 신원 도용 및 개인정보 침해와 같은 위험을 상당 부분 완화할 수 있다.

최근 자기주권 신원증명 기술을 적용한 사례가 등장하고 있다. 특히 모바일 신분증이 주목받고 있다. 이러한 신원증명 기술 발전에 발맞춰, [5]는 모바일 운전면허증 도입에 있어서 분산신원 기반의 자기주권 신원증명 모델 적용 방안을 연구하였다. 하지만, 그들의 연구는 개념적 분석에 그쳤다. 또한 최근 자기주권 신원증명 기술을 활용한 스마트 컨트랙트 연구가 진행되고 있다. 스마트 컨트랙트는 신뢰할 수 있는 중개자 없이 당사자 간의 계약을 촉진, 실행 및 시행하기 위해 블록체인 플랫폼에서 실행되는 실행 코드이다. [6]은 데이터의 무결성을 보장하고 안전하게 공개키를 교환할 수 있는 스마트 컨트랙트 구현을 위한 자격증명 시스템을 제안하였다.

기존 연구는 다양한 분야에서의 스마트 컨트랙트 활용 가능성을 말해주고 있지만, 스마트 컨트랙트가 구현되는 최적의 방법은 사용 사례와 요구 사항 및 구현 방법에 따라 달라질 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존 연구에서 다루지 않았던 모바일 운전면허증 발급 사례를 중심으로, 분산신원증명에 중점을 둔 이더리움 기반 스마트 컨트랙트 구현 방안을 제시한다. 구체적으로 본 연구는 다양한 모델의 스마트 컨트랙트 설계와 성능 평가를 통해 최적의 성능을 유지하면서 개인정보 보호를 강화할 수 있는 방안을 모색한다.

Ⅱ. 관련 연구

Ⅲ. 모바일 운전면허증 발급

한국에서 모바일 운전면허증이 2022년 7월에 도입되었다. 2023년 7월 기준으로 도로교통공단이 발급한 모바일 운전면허증은 약 142만 7천여건이다.

시범운영 기간에 발급한 운전면허증까지 포함하면 약 151만 4천여건에 달한다. 전체 면허증 발급 건수의 16.6% 수준이다.

그림 1은 자기주권 신원증명 모델을 활용한 모바일 운전면허증 발급 과정이다. 사용자(Holder)는 디지털 지갑 애플리케이션을 사용하여 자신의 신원 정보를 안전하게 저장한다. 여기에서 사용자는 기존의 실물 운전면허증 보유자이거나 운전 면허시험을 통과한 자로 제한한다.

Fig. 1.

Example of the process of issuing a mobile driver's license

1-1. 디지털 지갑은 사용자의 개인 식별자(DID)와 관련된 정보를 포함하여 신원 정보(예를 들어, 사용자의 이름, 생년월일, 주소 등)를 DID Resolver에 전송한다.

1-2. DID Resolver는 사용자의 DID 정보를 전송하고, DID Registry는 해당 DID 정보를 저장한다.

2-1. 사용자가 발급자(Issuer), 즉 도로교통공단에게 모바일 운전면허증 발급을 요청하면 발급자는 사용자의 신원을 확인하기 위해 인증 및 신원 확인 프로세스(예를 들어, 본인인증)를 진행한다.

2-2. 발급자는 사용자의 신원 정보를 확인하기 위해 DID Resolver를 통해 사용자의 DID 정보를 검색하며, 이를 통해 발급자는 사용자의 공개키, 신원 정보, 모바일 운전면허증 발급 요청 등을 확인할 수 있다.

2-3. 발급자는 사용자의 신원 확인 후, 모바일 운전면허증을 생성하여 사용자의 디지털 지갑에 전달한다. 모바일 운전 면허증은 VC 형태(subject, issuer, claims, signature의 구성 요소)로 발급되며, 사용자는 디지털 지갑을 통해 이를 안전하게 보관한다.

2-4. DID Resolver는 사용자의 DID 정보를 전송하고 DID Registry는 해당 DID 정보를 저장하거나 업데이트한다.

3-1. 사용자는 발급받은 모바일 운전면허증(VP)을 검증자(Verifier, 예를 들어, 교통 경찰)에게 제시한다. 이를 위해 사용자는 디지털 지갑을 사용하여 모바일 운전면허증(VP)을 검증자에게 제시할 수 있다. 예를 들어, QR코드를 보여줄 수 있다.

3-2. 검증자는 DID Resolver를 통해 사용자의 DID 정보(예를 들어, 사용자의 공개키, 인증서 등)를 확인한다. 이를 통해 검증자는 사용자의 모바일 운전면허증의 유효성을 판단할 수 있다.

상기 프로세스에서 스마트 컨트랙트는 모바일 운전 면허증을 생성하고 사용자의 디지털 지갑에 안전하게 전달하는 역할을 할 수 있다. 즉 사용자가 모바일 운전면허증을 검증자에게 제시할 때, 스마트 컨트랙트는 검증을 위하여 사용자의 DID 정보를 확인하고 모바일 운전면허증의 유효성을 판단하는 데 중요한 역할을 한다. 스마트 컨트랙트가 이러한 검증 프로세스를 자동화하거나 간소화할 수 있는 것이다. 따라서 본 연구는 모바일 운전면허증 발급 프로세스에 스마트 컨트랙트를 적용한다. 구체적으로 모바일 운전면허증 발급에 필요한 신원 속성을 정의한 스마트 컨트랙트를 개발하고, 스마트 컨트랙트를 모델별로 다르게 구성하여 성능을 평가한다.

Ⅳ. 구현 및 평가

4.1 구현 방법

본 연구는 우선, Solidity 프로그래밍 언어를 사용하여 신원 속성(이름, 생년월일 등)을 정의한 스마트 컨트랙트를 생성한다. Solidity는 이더리움 등 블록체인 플랫폼에서 스마트 컨트랙트 작성과 구현에 사용되는 계약 지향 프로그래밍 언어이다. 다음으로, Truffle과 Hardhat을 통해 로컬 블록체인 환경인 Ganache에서 테스트를 수행한 후에 이더리움 블록체인 테스트넷인 Sepolia에 배포한다. Truffle과 Hardhat은 스마트 컨트랙트를 배포하고 실행할 수 있게 해주는 스마트 컨트랙트 개발 프레임워크이다. 테스트넷은 실제 블록체인 네트워크에 적용하기 전에 컨트랙트 코드를 미리 테스트해보는 환경을 말한다. 구현 환경은 표 1과 같다.

Table 1.

Implementation environment

본 연구는 스마트 컨트랙트를 모델 별로 다르게 구성함으로써, 모바일 운전면허증 발급에 있어서 스마트 컨트랙트가 어떻게 구현되고 운영되어야 최적의 성능을 유지하고 개인정보 보호를 강화할 수 있는지를 살펴본다. 본 연구에서 제안하는 모바일 운전면허증 발급을 위한 스마트 컨트랙트 5가지 모델은 표 2와 같다.

Table 2.

Smart contract models for issuing mobile driver's license

기본 모델인 모델 1은 표 3과 같다. 스마트 컨트랙트는 모바일 운전면허증이 유효하고 해당 사용자에게 권한이 있는지 확인한 후에 기본적인 기능을 수행한다.

Table 3.

Smart contracts

모델 2는 개인정보 보호 강화 목적으로 DID 기능을 추가한다. 모바일 운전면허증을 인증하는 경우 스마트 컨트랙트가 DID를 인증하거나 DID와 연결된 신원 정보를 검색하여 비즈니스 로직을 실행할 수 있다. 자기주권적인 신원 관리를 위해 DID는 사용자의 신원을 고유하게 식별하고, 이러한 신원 정보를 중앙화된 신원 공급자 또는 중개자 없이 관리할 수 있게 해준다. 이를 통해 사용자의 신원 정보는 분산형 레지스트리 또는 블록체인과 같은 안전한 분산 데이터 저장소에 저장되며, 암호화 및 디지털 서명을 통해 안전하게 관리된다. 또한 DID 사용을 통해 사용자는 필요한 경우에만 선택적으로 신원 정보를 공유할 수 있으며, 그 외의 정보는 숨길 수 있다. 즉 DID 기능은 최소한의 정보만을 공유하게 함으로써, 개인정보 노출의 위험을 감소시킬 수 있다[14].

모델 3은 데이터 저장 기한 제한 기능을 추가한다. 스마트 컨트랙트에서 기간 제한은 잠재적으로 해로운 동작 또는 악의적인 활동을 방지하고 스마트 컨트랙트를 안전하게 유지하는 데 도움이 된다. 따라서 이러한 기능은 개인의 잊혀질 권리를 보호하는데 도움을 줄 수 있다. [1]은 자기주권신원기술의 국내 서비스 사례를 분석하면서 발급하는 인증서에 적정 기간을 두어 보안을 강화할 필요가 있다고 하였다. 데이터 저장 기한을 제한한다고 해서 가스 비용에 직접적인 영향을 미치지는 않을 수 있지만, 스마트 컨트랙트 코드 및 관리 작업 등 추가적인 리소스가 필요할 수 있으며, 이로 인해 가스 비용이 증가할 수 있다[15]. 모델 3은 유효기간 관리를 위해 ‘expireDate’ 배열을 사용하고, ‘issueLicense’ 함수를 통해 이 배열에 각 디지털 운전면허의 만료일을 저장한다. ‘getLicense’ 함수 내에서는 현재 시간과 ‘expireDate’ 배열에 저장된 만료일을 비교하여 면허의 만료 여부를 확인한다. 이를 통해 모바일 운전면허증이 1년 후에 만료되도록 설정하고, 만료된 면허는 더 이상 조회되지 않도록 보장된다.

모델 4는 문자열(String) 대신 바이트 배열로 데이터를 저장한다. Solidity는 다양한 정적 데이터 유형뿐만 아니라 일부 동적 유형, 즉 동적 배열 및 매핑도 지원한다[16]. 바이트 배열은 데이터를 바이트로 저장하는 데 사용되고 크기가 동적으로 조절 가능하지만, 문자열은 인코딩된 문자 데이터를 저장하는 데 사용된다. 따라서 데이터 저장방식에 따라 가스 비용과 스토리지 요구 사항에서 차이가 발생할 수 있다. 스마트 컨트랙트에서 모바일 운전면허 정보를 바이트 배열로 저장하면 블록체인에 저장된 데이터를 변경 또는 수정하기가 어렵기 때문에 개인정보의 무결성을 유지하기에 적합하다. 다만 바이트 배열로 저장된 정보는 인간이 읽기 어렵기 때문에 ‘bytesToString’ 함수를 사용하여 바이트 배열로 저장된 정보를 문자열로 변환해 주어야 한다.

마지막으로, 모델 5는 앞에서 언급한 DID 기능(모델 2), 데이터 저장 기한 제한(모델 3), 바이트 배열 저장(모델 4)이 모두 포함된다. 추가된 코드는 표 4와 같다.

Table 4.

Solidity code for enhanced smart contracts

4.2 성능 평가

본 연구에서 제안한 모바일 운전면허증 발급을 위한 스마트 컨트랙트의 성능을 평가하기 위해서, 다음과 같은 3가지 시나리오를 고려한다. 즉 발급 조건을 다르게 한다. 첫째, 모바일 운전면허증을 ‘단건’으로 10건 발급한다. 둘째, 모바일 운전면허증을 ‘연속적’으로 10건 발급한다. 마지막으로, 모바일 운전면허증을 ‘동시에’ 10건 발급한다.

성능 평가에 대한 지표로 소요시간과 가스 수수료를 측정한다. 이더리움 플랫폼에서 스마트 컨트랙트를 배포하고 실행하기 위해서는 사용 메모리와 연산량에 따라 가스 수수료를 지불해야 한다. 측정된 값의 신뢰성을 확보하기 위해 테스트를 10회 실시한다.

성능 평가 시 단건 발급 시나리오는 Truffle과 Hardhat에서 실행하며, 연속 및 동시 발급 시나리오는 Hardhat에서만 실행한다. 표 5와 같이 신원 속성(이름, 생년월일 등)을 입력할 수 있다.

Table 5.

Driver’s license information entry

실험 결과, 그림 2에서 보는 바와 같이, 데이터 저장 기한을 1년으로 제한한 모델 3이 대체적으로 소요시간이 짧았다. 반면 DID 기능을 추가한 모델 2와 바이트로 변환한 모델 4는 기본 모델인 모델 1보다 소요시간이 길었다. 단건 발급의 경우(시나리오 1-1과 1-2), 모든 모델에 대해서 Hardhat의 소요시간이 Truffle보다 상당히 짧았다. Truffle과 Hardhat 간에 실행 시간 차이가 크게 나타나는 이유는 Hardhat이 Truffle보다 내부적으로 최적화되어 있거나, 더 효율적인 가스 관리를 수행하고 있기 때문일 수 있다.

Fig. 2.

Average execution time by model (in second)* Scenario 1-1: one time(Truffle) Scenario 1-2: one time(Hardhat) Scenario 2: consecutively 10 times(Hardhat) Scenario 3: simultaneously 10 times(Hardhat)

이더리움 네트워크는 유한한 리소스를 가지고 있으며, 가스를 사용하여 트랜잭션을 처리하고 스마트 계약을 실행하기 때문에 효율적인 코드를 작성하여 가스 소비량을 최소화하는 것이 중요하다[17]. 이더리움 스마트 컨트랙트 가스 수수료는 새로운 스마트 컨트랙트를 이더리움 블록체인에 배포하거나 생성할 때 발생하는 계약 생성 수수료와 스마트 컨트랙트를 실행하거나 블록체인에서 데이터를 변경하는 모든 거래에 대해 발생하는 거래 수수료로 구분된다. 본 연구에서는 실제 운영 시에 더 중요한 역할을 하는 거래 수수료를 중심으로 성능을 평가한다.

그림 3에서 보는 바와 같이, 개인정보가 블록체인에서 계속해서 노출되는 것을 방지하고, 일정 기간 이후에는 조회가 제한될 수 있도록 스마트 컨트랙트에서 자동으로 저장 기한을 제한하는 모델 3이 모든 시나리오에서 모델 2와 모델 4보다 가스비용이 다소 높게 나왔다. 시나리오 1-2와 시나리오 3에서는 모델 1이 가스 비용이 가장 높게 나왔다. 또한, 개발 환경에 따라 성능이 다르게 나타났는데, 단건 발급의 경우(시나리오 1-1과 1-2), 대체적으로 Hardhat 환경(시나리오 1-2)에서 가스 비용이 높게 나왔다.

Fig. 3.

Transaction fee by model (in ETH)* Scenario 1-1: one time(Truffle) Scenario 1-2: one time(Hardhat) Scenario 2: consecutively 10 times(Hardhat) Scenario 3: simultaneously 10 times(Hardhat)

연속적으로 발급하는 경우(시나리오 2)와 동시에 발급하는 경우(시나리오 3)를 비교해보면, 동시에 발급하는 경우가 대체적으로 가스 비용이 높게 나왔다. 본 연구의 결과는 모바일 운전면허증 발급을 위한 스마트 컨트랙트의 성능이 구현 방식(모델)과 개발 환경 그리고 발급 조건(시나리오)에 따라 다르게 나타날 수 있음을 말해준다.

V. 결론 및 향후 과제

스마트 컨트랙트는 블록체인 기반의 투표 시스템, 의료 기록 관리, 자동차 보험, 분산금융서비스(DeFi) 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 스마트 컨트랙트가 어떻게 설계되고 운영되어야 최적의 성능을 발휘하면서도, 사용자의 개인정보를 효과적으로 보호할 수 있는지에 대한 연구가 필요하다. 이에 본 연구는 효율성과 보안성에 초점을 맞춰 모바일 운전면허증 발급을 위한 다양한 스마트 컨트랙트 모델을 설계하고 이들의 성능을 평가했다.

테스트 결과, 이더리움 테스트넷에서의 처리 시간과 거래 수수료는 개발환경과 테스트 시나리오에 따라 달라질 수 있음을 확인했다. 즉 스마트 컨트랙트의 성능은 여러 요인에 영향을 받는다. 기본 모델에 DID 기능을 추가하여 개인정보 보호가 강화된 모델 2가 대체적으로 소요시간이 짧고 거래 수수료가 낮게 나왔다. 이것은 모바일 운전면허증 발급에 있어서 제안된 방식 중 모델 2의 방식이 가장 우수하다는 것을 말해준다. 한편 자원 효율성 측면을 고려하면, 소요시간은 상대적으로 길지만 거래 수수료가 가장 낮은 모델 4의 방식(바이트 변환)이 우수하다고 할 수 있다.

스마트 컨트랙트의 활용 범위가 다양함에도 불구하고, 스마트 컨트랙트를 최근 각광받고 있는 모바일 운전면허증에 적용한 연구를 거의 찾아볼 수 없다. 소수의 연구가 자기주권 신원증명 모델을 모바일 운전면허증에 적용하였지만, 실험이 아닌 개념적 분석에 그쳤다[5]. 본 연구는 스마트 컨트랙트를 활용하여 모바일 운전면허증 발급 시스템의 효율성과 사용자의 개인정보 보호를 강화하는 방법을 제안함으로써, 디지털 신원증명 분야에 학술적으로 기여한다. 또한 본 연구는 다양한 발급 조건과 구현 방식을 고려하였다. 따라서 본 연구의 결과는 블록체인 및 스마트 컨트랙트 개발자에게 스마트 컨트랙트를 설계하고 평가하는데 있어서 유용한 시사점을 제공한다.

이 연구에서는 Sepolia 환경에서 스마트 컨트랙트를 실행하여 실험을 수행했다. 테스트넷 환경에서의 실험 결과는 실제 블록체인 네트워크에서의 동작과 다소 다를 수 있다. 또한 본 연구는 DID 데이터, 저장기한 제한 및 바이트 변환 등을 스마트 컨트랙트에 추가 저장하는 방법에 중점을 두웠지만, 블록체인에서의 개인정보 보호와 관련된 데이터 암호화나 신원 검증 등 다른 측면도 고려되어야 할 필요가 있다. 마지막으로, 본 연구에서 다룬 발급 뿐만 아니라 수정, 조회 등 다양한 경우에 대한 연구도 필요하다.

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