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사용자의 편의성을 제공하는 이동수단을 의미하는 모빌리티 서비스는 보편적인 개념이 되었으며, 현재에는 공유형 모빌리티 서비스나 구독형 모빌리티 서비스와 같이 실제 상용화되어 사회와 밀접한 관계를 가지고 있다. 특히 IoT 기술과 모빌리티 서비스의 융합은 사용자에게 편의성을 제공하는 새로운 서비스들을 만들어내고 있다.

IoT 기술을 적용한 모빌리티 서비스는 공공 교통수단에 대한 대가를 지불하고 서비스를 제공받는 공공 모빌리티 서비스와 물리적 장치에 대한 제한을 해제하여 서비스를 사용하기 위해 일정 기간 동안 사용료를 지불하는 구독형 모빌리티 서비스와 같이 거래를 통해 교통수단의 기능을 제공하고 있다[1]-[3]. 2020년도부터 도입된 “QR형 따릉이”는 국내 공유형 모빌리티의 대표적 사례라고 할 수 있다. QR형 따릉이는 QR코드를 기반으로 서비스를 제공하며, LTE 통신망를 이용하여 위치에 대한 정보 등을 제공한다[4]-[6]. 구독형 모빌리티 서비스의 경우 아직까지 보편화된 개념은 아니나, 일부 자동차 업계에서는 차량의 하드웨어 기능을 구독형 서비스로 제공하기 위해 노력하고 있다.

하지만 결제를 기반으로 하는 모빌리티 서비스의 경우, 서비스 제공자의 서버 환경에 따라 사용자의 서비스에까지 영향을 끼칠 수 있으며, 이는 정당한 사용자의 권리에 대한 침해를 야기할 수 있다. 따라서 사용자가 지불한 대가에 따른 모빌리티 서비스는 서비스 제공자로부터 독립적이여야 한다. 서비스 제공자 측의 문제 또는 서비스 제공자의 임의적 판단으로 인해 사용자의 서비스에 영향을 끼치는 경우 사용자의 서비스 가용성을 훼손할 수 있다[7][8].

본 논문에서는 토큰형 네트워크 기반의 자동화된 계약을 통해 서비스 제공자의 환경에 영향을 받지 않는 실시간 계약 메커니즘을 제안한다. 개인의 이동수단 또는 공공 모빌리티 교통수단을 각각 하나의 클라이언트로서 거래에 참여하고, 거래 내역을 공유한다. 또한 모빌리티 서비스의 구독이나 대여는 스마트 컨트랙트를 통해 실시간으로 진행되며, 완료된 거래에 대해 사용자의 권리를 보장한다.

본 논문에서 제안하는 토큰형 네트워크 기반 모빌리티 서비스 제공 메커니즘은 모빌리티 클라이언트간에 분산 네트워크를 구축하고, 거래에 대한 내용을 기록함으로써 별도의 서버를 통하지 않고 거래를 수행하여 모빌리티 서비스를 제공하는 메커니즘이다.

일반적으로 모빌리티 서비스에서 서비스에 참여하는 주체는 교통수단 또는 서비스를 이용하는 사용자가 될 수 있다. 지속적인 네트워크 참여를 위해서는 항시 네트워크에 연결이 요구되는 교통수단이 중점이 될 수 밖에 없다. 하지만 일반적인 공유형 교통수단인 자전거나 킥보드는 고성능의 처리를 요구치 않으며, 고성능이 요구되는 경우 이동거리나 배터리 효율과 같이 직접적인 서비스에 악영향을 끼치는 요소로 변질될 수 있다. 특히 퍼블릭 블록체인에서 고성능을 요구하는 가장 큰 이유 중 하나는 네트워크 블록 생성을 유도하기 위한 보상 채굴에 있다. 모빌리티 환경에서 교통수단이 하나의 클라이언트로 동작하는 경우 클라이언트만으로 구축된 블록체인 내에서 보상 획득에 중점을 둘 이유가 없다. 동시에 리소스를 일체 외부에서 제공하는 프라이빗 블록체인으로 구축하는 경우에는 네트워크를 검증하는 상위기관이 요구될 수 밖에 없다.

따라서 퍼블릭 환경에서 구성된 블록체인에서 보상이라는 개념 없이 클라이언트로 구성된 블록네트워크 구축을 위해 본 논문에서는 토큰형 블록 네트워크 기반 모빌리티 서비스 제공 메커니즘을 제안한다. 퍼블릭 블록체인 환경에서 거래 블록을 생성할 수 있는 권한을 가지는 인증된 토큰을 1개 이상 생성하고, 네트워크 내에서 생성되는 거래에 대해 토큰을 가진 클라이언트 간에 서로 거래 내역을 확인하고, 블록을 생성한 뒤 새로운 클라이언트를 토큰의 개수와 동일한 수만큼 선정하여 새로운 토큰을 선정된 클라이언트로 전송하여 거래를 수행하는 방식이다. 이와 같은 방식은 별도의 채굴 과정 없이 토큰에 의해 거래 블록을 생성하므로 일반적인 퍼블릭 환경보다 낮은 성능을 요구한다.

그림 1은 제안하는 메커니즘의 전반적인 처리 과정을 보이는 것이다. 클라이언트로부터 거래가 발생하면 생성된 거래는 토큰을 가지고 있는 블록 집단에 의해 거래 블록으로 생성된다. 이후 블록의 배포가 종료되면 기존의 클라이언트 집단은 새로운 클라이언트 집단을 합의하여 선정하고, 해당 클라이언트로 토큰을 전송하게 된다.

Fig. 1. 
Processing of proposed mechanisms

본 논문에서는 모빌리티 트랜잭션의 구성을 정의하고, 토큰 생성 모듈, 블록 검증 모듈의 2가지 모듈로 구성된다. 본 장에서는 먼저 모빌리티 트랜잭션의 구성을 정의하고, 무작위 노드 선정을 위한 토큰의 구성과 생성 방안을 제시하는 토큰 생성 모듈과 블록에 대한 검증 과정을 수행하는 블록 검증 모듈에 대하여 서술한다.

3.2 토큰 생성 모듈

서비스 제공 정보는 시작 시간과 종료 시간, 실제 서비스 종료 여부를 확인할 수 있는 종료 유예 코드로 구성된다. 마지막으로 서비스 제공자 정보는 블록 네트워크에 참여하는 서비스 제공자의 정보로 제공자 식별정보와 제공 서비스 내역으로 구분된다.

토큰 생성 모듈은 토큰을 생성하는 역할을 담당한다. 토큰의 최초 생성은 합의된 서비스 제공자 혹은 블록 네트워크 관리자와 같이 상위 인증 기관에 의해서 수행된다. 토큰은 토큰을 가진 노드간의 네트워크 구축을 위한 토큰 대칭키와 블록의 생성을 증명하기 위한 공개키쌍, 토큰의 생성 노드와 토큰의 생성 노드 정보, 토큰의 생성 시간 정보, 마지막으로 토큰의 모든 정보에 대한 해시 연산값으로 구성된다.

전달되는 토큰의 구성은 표 2와 같이 구성된다. 해시는 식 1과 같이 구성된다. 생성된 토큰은 블록 네트워크 전체에 전송하는 과정에서 선정된 노드만이 토큰을 획득할 수 있도록 선정된 노드의 공개키로 암호화를 수행한다. 이후 암호화된 토큰 정보의 해시(HET)와 식 2와 같이 토큰 공개키쌍의 토큰 공개키(SKP)로 암호화된 토큰 정보의 해시를 추가하여 일반 노드에서 토큰 검증을 수행하기 위한 토큰 검증 문제(PLT)를 추가한다.

H=Hash⁡PK+SKS+TG+TU+T+H

(1)

PLT=SKPHET

(2)

Table 2. 
Configure authentication tokens

Category	Data
Symmetric key(PK)	Token group network encryption key
Secret key(SKS)	Block validation proof encryption key
Token generator(TG)	Token generation node Identification
Token node(TU)	Token node Identification
Time(T)	Token generation time
Hash(H)	Token hash information

마지막으로 암호화된 토큰 정보와 토큰 정보 해시, 암호화된 토큰 해시를 토큰 생성자의 비밀키로 암호화하여 블록 네트워크상에 전파한다. 블록에 전파되는 토큰의 구조는 그림 2와 같다. 생성자 비밀키로 암호화된 토큰 해시와 토큰 검증 문제는 모든 노드에서 복호되며, 모든 노드가 공유한다.

Fig. 2. 
Token structure for broadcasting

블록체인 기반의 모빌리티 서비스는 응용 서비스 환경에 집중적으로 연구되고 있다. Minjeong의 연구[24]에서는 블록체인 기반의 공유 킥보드 관리 모델을 연구하였으며, PM(Personal Mobility)의 지정 주차 여부를 통해 사용자의 신뢰도를 측정하는 방안을 제안하였다. 공유 킥보드 관리 모델의 기록 방식은 선정된 특정 저장장치의 분산 기록 방식을 채택하였다.

Di Wang의 연구[25]에서는 승차 공유 서비스를 제공하기 위해 DPoS 기반의 카풀 검증을 수행하는 서비스를 제안하였다. 승차 공유 서비스에서는 데이터 보안성을 강화하기 위해 저장매체를 로컬 환경에 도입하여 소규모의 데이터 센터를 구축하였다. 본 논문에서는 모빌리티 거래 데이터를 관리하는 메커니즘을 제안하였으며, 블록의 생성 권한을 블록 네트워크에 속한 토큰을 가진 무작위 노드에 의해 수행하도록 하였다.

블록체인에서 블록 생성 권한을 설정하기 위한 합의 알고리즘의 대표적인 방식은 PoW(Proof of Work), PoS(Proof of Stake)의 두가지 방식으로 볼 수 있다. PoW 방식은 목표값보다 작은 해시값을 찾기위해 논스값을 1씩 증가시키며 문제를 해결하고, 최종적으로 가장 많은 문제를 풀어낸 노드에게 블록 생성 권한과 보상을 할당하는 방식이다. 블록체인을 설명하는 가장 대표적인 방식이나 블록 생성 권한을 획득하기 위해 수행되는 채굴이 높은 성능을 요구하며, 경쟁이 심화될수록 요구되는 성능이 높아져 과도한 에너지 낭비를 유발한다는 단점이 있다. PoS 방식은 노드가 가지고 있는 지분에 따라 블록 생성 권한을 할당하는 방식으로, 생성되는 블록에 자신이 가지고 있는 지분을 증명함으로서 블록을 증명하는 방식이다. 하지만 초기에 지분을 확보한 노드가 향후 네트워크에 지속적으로 큰 영향을 끼치기에 고착화되는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서 제안하는 메커니즘은 블록의 생성이 토큰을 가지고 있는 노드에 의해 수행되며, 블록을 생성한 노드는 다음 노드에 토큰을 갱신하여 공개키로 암호화하여 블록 네트워크에 전파하므로 선정된 다음 토큰 노드를 확인할 수 없으며, 지속적으로 블록을 생성하는 노드가 변경되어 고착화된 환경을 피할 수 있다. 하지만 토큰의 전달이 무작위로 선정되므로 중복된 노드를 두 개의 토큰 노드가 선정하는 문제와 토큰 선정이 무작위이기에 블록 생성 권한이 모든 노드에 동일하지 않을 수 있다는 문제가 있다[26,27,28,29].

모빌리티 서비스는 이동 수단과 통신 기술의 융합에 따라 많은 연구가 진행되고 있는 영역이다. 특히 개개인이 교통수단을 소유하지 않더라도 사용할 수 있도록 하는 공유형 모빌리티 서비스나 일정한 기간동안 교통수단을 대여하는 구독형 모빌리티 서비스가 활성화되고 있다. 모빌리티의 영역이 킥보드, 자전거와 같이 소형의 사용이 간편한 교통수단으로 넓혀감에 따라 사용자의 친밀도 또한 높아지고 있다.

모빌리티 서비스는 다수의 클라이언트가 존재하기에 블록체인을 통해 거래 내역에 대한 보안성을 강화할 수 있으나 동시에 클라이언트가 가지는 성능의 한계로 고성능을 요구하는 블록체인 적용시, 배터리나 모빌리티 서비스의 가용성에 유의미한 영향을 끼칠 수 있다. 특히 고성능을 요구하게 되는 요소 중 하나인 채굴은 거래 블록 생성에 대한 보상을 획득하기 위해 많은 성능을 요구한다.

본 논문에서는 퍼플릭 블록체인에서 모빌리티 클라이언트의 거래에 적용하기 위해 별도의 채굴 과정 없이 블록 생성 권한을 가지는 토큰을 기반으로 블록을 생성하는 메커니즘을 제안하였다. 제안한 메커니즘은 토큰이라는 인증 수단을 사용하여 토큰을 가진 노드만이 블록 생성에 참여하고, 블록을 생성한 뒤 무작위 노드를 선정하여 토큰을 갱신하고 전송함으로서 고착화된 블록 생성을 방지하는 메커니즘을 제안하였다. 단 두 개 이상의 토큰 노드가 하나의 무작위 노드를 선정하는 중복 선정 문제가 있어 향후 연구로서 토큰 노드가 무작위 노드를 선정하는 과정에서 중복되지 않도록 하기 위한 메커니즘의 연구 수행 예정에 있다.