[Bitcoin] 블록체인 기술공부 / 비트코인 백서 공부 (5. 네트워크)

이전 작업증명(PoW)에 이어, 이번에는 비트코인을 구성하는 블록체인 네트워크에 대해 공부해보도록 하자.

 

이번 글에서는, 지금까지 블록체인을 공부하면서 계속 공부했던 블록체인의 구조를 전체적으로 한번 보게될 것 같다. 

블록체인(또는 비트코인구조)에 대한 다른 기초적인 개념이 잘 탑재되어있지 않다면, 이번 장을 따라가기 힘들 수도 있다.(아닐수도 있긴 하다 ㅎ)

 

이 포스팅을 쓰기 전에, 한번 bitcoin의 오픈소스 코드를 조금 읽어보고 왔다. (트랜잭션, 블록 생성 관련 코드)

그렇게 얻은 지식들을 조금 더 공유해보고자 한다.

 

비트코인 오픈소스 깃헙 링크

https://github.com/bitcoin/bitcoin/tree/master

GitHub - bitcoin/bitcoin: Bitcoin Core integration/staging tree

비트코인 네트워크가 실행되는 단계는 다음과 같다.
1) 새로운 거래(트랜잭션)가 모든 노드에 전파된다.
2) 각 노드가 새로운 거래(트랜잭션)를 블록에 수집한다.
3) 각 노드가 그 블록에 맞는 난이도의 작업증명(PoW)을 찾는다.
4) 노드가 작업증명(PoW)을 찾으면(문제를 풀면) 해당 블록을 모든 노드에 전파한다.
5) 노드는 모든 거래(트랜잭션)가 유효하며 아직 지급되지 않았을 때만(타임스탬프가 타당하면) 그 블록을 받아들인다(승인한다).
6) 노드는 블록을 받아들였음(승인했음)을 나타내기 위해 앞서 받아들인 블록의 해시를 직전 해시로 사용해 체인의 다음 블록을 생성하는 작업을 수행한다.

 

각 단계들을 천천히 살펴보자.

A가 B에게 1BTC를 송금하는 트랜잭션을 가지고 설명을 해보도록 하겠다.

bitcoin 깃헙 오픈소스의 '/primitives/transaction.h' 부분을 참고했다.

1. 새로운 거래(트랜잭션)가 모든 노드에 전파된다.

우선 한번 트랜잭션이 어떻게 생성되는지도 알아볼까?

주로 비트코인에서 트랜잭션을 생성하는 기능은 비트코인의 고수준 API나 지갑 관련 코드(bitcoin/src/wallet)에 의해 처리된다.

 

1. 송금을 하는 A는 API가 적용된 application을 통해 송금할 금액과 수신자 주소를 지정한다. 이 정보를 바탕으로 CTxOut객체가 생성되고, CTxIn객체 이전 트랜잭션의 출력(hash값, sign 등)을 참조하여 생성된다.
2. 지정된 In/Out을 이용하여 'CMutableTransaction'객체가 생성된다. 이 단계에서 트랜잭션에 대한 기본적인 정보들을 생성할 수 있다.
3. 서명을 하는 단계가 수행된다. 이전 과정에서 입력으로 받은 CTxIn객체 내의 scriptSig 필드를 채우는 과정이 필요하다. (A가 해당 트랜잭션을 수행할 권한이 있음을 증명하는 단계)
4. 이렇게 만들어진 트랜잭션을 비트코인 네트워크를 구성하는 모든 노드에 전송한다.

2. 각 노드가 새로운 거래(트랜잭션)을 블록에 수집한다.

트랜잭션과 블록의 차이를 알 필요가 있다.

 

트랜잭션: 트랜잭션은 모든 가치전송(송금 등)의 단위이다. 우리가 흔히 말하는 '블록'과는 구분되는 개념이라고 보아야 한다. 트랜잭션은 블록을 구성하는 기본 단위라고도 볼 수 있는데, 그렇다고 블록=가치전송 이다? 이런 개념은 아니다. 블록의 개념을 다시한번 살펴볼까?

 

블록: 블록은 이러한 트랜잭션들을 검증하고, 트랜잭션을 구성하는 데이터들을 저장하기 위한 개념이라고 볼 수 있다. 즉, 트랜잭션이 모여 형성된 데이터의 묶음이라고 말할 수 있다. 우리가 작업증명(PoW)등을 이용하는 것은 트랜잭션 각각에 적용하는 것이 아닌, 블록에 수행하는 것이다.

이런식으로 구성된다고 볼 수 있을것이다. 그렇기 때문에, 블록에서 트랜잭션을 수집한다고 표현한다. 다음 단계로 넘어가보자.

3. 각 노드가 그 블록에 맞는 난이도의 작업증명(PoW)를 찾는다.

이전 포스팅(4. 작업증명)을 통해 작업증명에 대한 이해를 했으면 알겠지만, 모든 블록마다 블록 생성 속도, 하드웨어 속도, 관여도 등의 변화로 인해 난이도는 자동으로(알고리즘에 따라)보정되는 과정을 거친다.

 

작업증명에 대해 설명한 링크를 올려놓겠다.

https://nullorm.tistory.com/40

[Bitcoin] 블록체인 기술공부 / 비트코인 백서 공부 (4. 작업증명(PoW))

따라서, 채굴에 참여하는 모든 노드(CPU)들은 해당 블록을 구성하는 모든 트랜잭션들의 타당성을 작업증명을 통해 검증하는 과정을 거치며, 위에서 말한 "작업증명(PoW)를 찾는다"라는 워딩보다는 "작업증명(PoW)를 한다"라는 워딩을 사용하는 것이 더욱 적합할 것 같다.

 

이 과정을 통해 작업증명에 성공한 채굴자(Miner)는 채굴보상과, 거래 수수료 등을 보상으로 받게 된다. 

4) 노드가 작업증명(PoW)을 찾으면(문제를 풀면) 해당 블록을 모든 노드에 전파한다.

3번 과정을 통해 작업증명에 성공했으면, 해당 블록의 Nonce를 모든 노드에 전파하여, 모든 노드에서 해당 Nonce가 블록의 Nonce와 일치하는지를 판단하는 과정을 거친다. 

 

5) 노드는 모든 거래(트랜잭션)가 유효하며 아직 지급되지 않았을 때만(타임스탬프가 타당하면) 그 블록을 받아들인다(승인한다).

위의 문장을 세 개로 쪼개보자.

1. 모든 거래(트랜잭션)가 유효하며

작업증명(PoW)를 통해 얻은 valid한 Nonce의 타당성을 검사한다.

2. 아직 지급되지 않았을 때만

해당 블록을 구성하는 내부 트랜잭션들에 대한 이중지불 여부를 검사한다.(Timestamp 서버를 사용한다.)

3. 그 블록을 받아들인다.

그 블록이 Valid한 블록이라는 것을 네트워크에 알린다.

 

이 과정에서 블록체인의 51% 해킹이 발생할 수 있는 여지가 있다. 만약, Invalid한 Nonce에 대해 50% 이상의 노드가 동의할 경우, 해당 값이 Valid한 Nonce인 것으로 판단되어 해당 값이 approve될 수 있긴 하다.

 

이렇게 볼 수 있을 것이다. 어렵지 않으므로 넘어가보자.

6) 노드는 블록을 받아들였음(승인했음)을 나타내기 위해 앞서 받아들인 블록의 해시를 직전 해시로 사용해 체인의 다음 블록을 생성하는 작업을 수행한다.

이를 네트워크에 알리는 과정에 대한 설명이다.

5번 과정을 통해 블록을 승인했음을 블록체인 네트워크에 알리기 위해, 어떤 과정을 거치는지를 이야기한다.

워딩 그대로 해석하면 되기에, 부가적인 설명은 생략하도록 하겠다.

 

체인에 대한 이야기(+ 보안: 잘못된 블록이 들어왔을 경우)

노드는 항상 가장 긴 체인을 옳은 것으로 간주하고 그걸 잇는 작업을 지속한다. 동시에 두 노드가 다음 블록의 서로 다른 버전을 전파하면, 일부 노드가 그중 하나 또는 다른 것을 먼저 받을 수 있다. 이때 그들이 먼저 받은 것을 작업하되, 다른 분기 branch도 보관해 그쪽이 더 길어질 때를 대비한다. 이 동수(tie)는 다음 작업증명이 발견될 때 깨져 한쪽 분기가 더 길어지며, 그러면 다른 분기를 작업하던 노드가 더 긴 분기로 전환한다.

전파한 새로운 거래가 반드시 모든 노드에 도달할 필요는 없다. 많은 노드에 도달하는 한, 블록 안에 곧 들어갈 것이다. 블록 전파는 또한 메시지 누락을 허용한다. 노드가 어떤 블록을 받지 못하면 다음 블록을 받고 누락된 것을 알아차릴 때 그걸 요청한다.

 

자주 나오는 이야기이지만, 모든 노드들은 체인의 여러 분기 중에서 가장 긴 체인을 옳은 것으로 간주하도록 설계되어있다.

 

서로 다른 두 노드가 체인을 잇는 다음 블록에 대한 서로 다른 버전을 전파하였을 때, 이를 받는 노드는 이 두 블록을 모두 받을 수 있다. 이 두 블록을 받은 노드는, 그들이 먼저 받은 블록에 대한 검증을 하지만, 다른 블록 또한 reject하지 않고 저장하여 다른 branch가 더 길어질 때를 대비한다(현재 branch가 invalid한 branch일 경우를 대비).

그 다음에는 위에서 서술된 대로, 때마다 더 길어지는 branch를 찾아 타당한 branch를 찾아간다.

 

 

이번 장에서는 비트코인 네트워크에 대한 전반적인 구조를 알아보았다. 솔직한 견해로는, 다른 세부적인 내용이 궁금하지 않다면 이번 포스팅만 봐도 블록체인(또는 비트코인)의 블록, 트랜잭션 구조에 대한 전반적인 이해가 될 것이라고 생각한다.

 

다음 포스팅에서는 채굴 보상(인센티브)에 대해 알아보도록 하자.