블록은 이전블록의 해시(prevHash라고 부르도록 하겠다.)와 트랜잭션의 묶음이라고 생각할 수 있다. 해시는 블록의 데이터를 통해 계산되기 때문에 체인의 형태로 구성될 수 있다. 만약, 블록이 생성된 이후에 블록의 데이터를 변경하게 되면, 해당 블록의 블록해시(block hash)가 바뀌고, 이는 이후 생성된 다른 블록들에 영향을 주어 모든 검증자들이 알아차릴 수 있기 때문에, 다음 블록이 모두 무효화되어 임의 변조를 막을 수 있다.

네트워크의 모든 참가자들이 동기화된(Syncronized) 상태(State)를 유지하고, 모든 트랜잭션에 동의를 하기 쉽게 하기 위해 다수의 트랜잭션들을 한 개의 블록으로 묶어서 Commit, agree, Syncronize를 한 번에 처리한다.

모든 블록들이 적절하게 검증을 받을 수 있도록, 네트워크는 참여자들에게 검증을 할 수 있는 충분한 시간을 부여한다. 트랜잭션은 초당 수십~수백개씩 발생할 수 있지만, 블록은 12초에 한 번 이더리움에서 생성되고 commite된다.

즉, 블록이 없다면, 모든 validator(트랜잭션(혹은 블록)을 검증하는 객체)는 매 초 모든 트랜잭션을 검증해야하며, 네트워크 상태에 따라 트랜잭션이 누락되는 경우에도 이를 검증하고, 블록을 네트워크에 추가해야하기 때문에, 블록을 사용할 때에 비해 Fork의 수가 수없이 많아지게 될 것이다.

(이정도면 블록이 있는 이유에 대해 충분히 알아본 것 같다…!)

블록의 작동 방식

transaction history를 보존하기 위해 블록은 상위 블록에 대한 참조를 가지고있어야 하며(prevHash에 대한 정보가 기록되어야 함), 블록 내에 있는 트랜잭션 또한 엄밀한 과정을 거쳐 블록에 정렬된다.

→ 추후에 더 알아볼 예정

PoS시스템에서, 네트워크에서 무작위로 선택된 검증자(PoS에서는, Proposer라고 부른다.)가 블록을 빌드하면, 이를 전체 네트워크에 Broadcast하게 되고, 합의의 과정 이후에 모든 노드는 이 블록을 블록체인의 끝에 추가하고 새로운 Proposer가 선출되어 다음 블록이 생성되는 과정을 통해 블록 추가해 대한 commitment와 consensus 프로세스를 명시하고 있다.

블록의 구조

slot 블록이 속한 슬롯

Body

randao_reveal 다음 block의 Proposer를 선택하기 위한 값(RANDAO seed)

Attestations

→ list of attestations

aggregation_bits 어느 validator가 이 attesttation에 참여했는지에 대한 목록

• data (in attestation)slot attestation이 실행된 slot

  index	validator의 ID
  beacon_block_root	이 object를 포함하는 비콘블록의 루트해시
  source	the last justified checkpoint
  target	the latest epoch boundary block

Execution Payload header

parent_hash parent block의 hash

Execution payload

parent_hash parent block의 hash

• withdrawalsaddress withdraw한 객체의 주소

  amount	withdraw한 ETH총량
  index	withdrawal index value
  validatorIndex	validator index value

• 스테이킹된 이더를 인출하는것과 관련된 데이터 필드

Blocktime

블록타임(Blocktime)은 블록을 나누는 시간 단위. 이더리움에서는 12초 단위로 시간이 쪼개지며, 이를 slot(슬롯)이라는 시간 단위로 사용한다. 각 slot에서, 랜덤한 프로세스를 거쳐(RANDAO) single validator가 선출되어 블록을 propose한다. 모든 validator가 온라인 상태이고 문제없이 작동한다고 가정했을 때의 blocktime이 12초가 된다. 그러나, 종종 validator가 오프라인상태라면, 해당 검증자의 슬롯은 비워질 수 있다.

Blocksize

블록은 블록 사이즈에 의해 나눠지기도 한다. (Blocktime에서는 한 블록이 몇 초에 한 번 생성되는지를 이야기했다면, 이 말은 한 블록의 사이즈가 얼마나 되는냐는 말이다.) 각 블록의 일반적인 크기는 1500만 gas이며, 네트워크 상태에 따라 증가, 감소가 가능하여 최대 3000만 gas까지 늘어날 수 있다.

Blocksize가 늘어나는 매커니즘

블록의 크기는 한번에 확 증가하는 것이 아닌, 점진적으로 증가/감소하는 방식을 가지고 있다. 그 증가/감소 비율을 최대 $\frac{1}{1024}$의 비율만큼 늘어날 수 있는 것인데, 예를 들어 현재 블록의 크기가 1500만 gas라면, 다음 블록의 최대 크기는 $15,000,000 + (15,000,000/1024==14,648)=15,014,648$ 만큼의 크기를 가질 수 있게 된다는 말이며, 이러한 블록 크기 증가가 여러번 반복되어 최대 30,000,000 gas 크기까지 도달할 수 있다는 말이다.

결과적으로, validator는 합의를 통해 블록의 gas limit을 변경할 수 있으며, 블록의 모든 트랜잭션의 gas 소비량이 블록의 gas limit보다 작을 수 있도록 이를 조절하여야 한다. 블록의 사이즈가 임의대로 커질 수 있다면, 성능이 떨어지는 Full node는 공간 및 속도 요구사항을 충족시키지 못하여 네트워크의 속도를 따라잡을 수 없을 것이다. 블록이 클수록 다음 슬롯에 맞춰 처리하는 데 필요한 컴퓨팅 성능을 더 많이 요구하기 떄문에, 이는 적절히 조절되어야 할 것이다.

지난번 포스팅에서 다뤘었다. 

대체 PoW가 무엇인가!!! 작업증명이 그래서 뭔데!!!

자. 지금부터 한번 시작해보도록 하자. 라는 말을 쓰는 지금 시점에서, 나는 작업증명이 뭔지 모른다.

따라서, 이 글을 읽는 사람들에게 누구보다 모르는 사람의 관점에서 잘 설명할 수 있지 않을까? (라는 희망.)

1. 서론

블록체인 네트워크에서 비트코인은 블록체인에 새로운 블록을 추가하는 방식으로 조폐(화폐를 제조) 및 송금을 한다.

작업증명은 이 조폐 및 송금에서 사용되는 트랜잭션(Transaction: 거래)시에 이를 거래하는 방법이다. 

나카모토 사토시의 비트코인 백서에는 이런 말이 있었다(비트코인 백서 서론)

필요한 것은 신뢰 대신 암호학적 증명(cryptographic proof)에 기반해, 거래 의사가 있는 두 당사자가 신뢰받는 제삼 자를 찾지 않고 서로 직접 거래하게 하는 전자 결제 시스템이다.

즉, 거래를 중개하는 중개 플랫폼(은행 등)을 신뢰해야만 개인 간의 거래가 가능했던 이전의 방식이 아닌, 암호학적 증명에 기반하겠다는 말이다. 이는 곧, 사람, 시스템을 신뢰하는 데에는 어떻게든 오류가 생길 수 있으니, 절대적인 수학을 믿겠다는 말로 들린다. 

2008년 글로벌 금융위기 사태 직후, 금융위기 조사위원회(FCIC)는 525페이지 분량의 보고서에 이런 말이 있다.

"당시의 위기는 인간의 행동과 무대책의 결광지, 천재지변이나 컴퓨터 모델 문제가 아니다. 셰익스피어를 인용하자면 잘못은 저 별들이 아니라 우리에게 있다." 즉, 2009년의 나카모토 사토시는 인간에 의해 만들어진 금융시스템을 신뢰하기보다는, 보다 믿을 수 있는 수학적(암호학적 증명) 방법에 기댔다고 볼 수 있겠다.

그렇다면, PoW는 대체 뭘까?

 1. PoW(Proof of Work: 작업증명)

비트코인의 전체적인 구조를 살펴보자.

자, 시장이 처음 생기면 일단 어떻게 해야하는가?

1. 화폐를 만든다(찍는다)

2. 화폐를 시장에 공급한다.

3. 시장 구성원들이 화폐와 재화를 거래하며 화폐를 거래한다.

전체적으로 보면 이러한 구조가 될 것이다. 그런데, 각각의 단계를 어떠한 주체가 담당하는지 살펴보자.

1. 중앙은행에서 화폐를 발행한다.

2. 은행이 시장에 화폐를 공급한다.

3. 구성원들이 화폐를 거래한다(전자화폐의 경우, 이중지불문제와 보안을 위해 은행의 중개가 필요)

결국, 모든 과정에서 은행은 필수불가결의 요소이다.

하지만, 비트코인은 무엇인가?

바로 은행이 존재하지 않는, 은행을 신뢰하지 않는, 수학을 믿는 전자화폐이다. 이러한 과정들에서, 은행을 대신할 수 있는 요소로 등장하는 것이 바로 PoW, 작업증명이다.

작업증명이 비트코인에서 어떠한 기능을 하는지 가볍게 일단 한번 보자.

1. 채굴자는 화폐를 발행하고 이를 시장에 공급한다.(물론 바로 공급을 하지 않을 수 있겠지만.. 이들도 돈을 벌어야지)

2. 구성원들이 화폐를 거래한다.

해당 두 과정이 위의 세 과정을 압축했다고 볼 수 있다. 작업증명(PoW)는 이 두 과정 모두에서 작동한다.

우선, 조폐(1번)의 과정에서는, 화폐 발행인(채굴자)에게 일(채굴)을 했다는 것을 증명하도록 하여 화폐를 발행한다.

중앙집권화되지 않은 탈중앙화된 블록체인의 조폐 과정에서는 처음 만들어진 알고리즘 이외에는 누가 얼마의 화폐를 받을 지 결정할 수 있는 중앙 권력이 없기 때문에 모든 참여자들이 자동으로 동의할 수 있는 방법이 필요하다.

그렇다면, 채굴자는 어떤 문제를, 어떤 해시함수를 계산한다는 것일까? 간단하게 그림으로 한 번 알아보자.

비트코인의 작업증명 방식을 간단하게 그림으로 나타내보았다.

우선, 작업증명은 SHA-256과 같은 해시연산을 거쳐 이루어지는데, 

과정은 이러하다.

Hash(이전 블록의 해시값 || 생성할 블록의 트랜잭션 data || 임의의 Random한 Nonce) < 목표값

을 달성할 경우, 작업증명에 성공했다고 보는 것이다.

이와 관련하여 백서에서는 어떻게 이야기하는지 살펴보자.

우리는 타임스탬프 네트워크용으로 블록의 해시에 주어진 0 비트들을 모두 발견할 때까지 블록 안에 임시값을 증가시키는(incrementing a nonce) 것으로 작업증명을 구현했다.

이 말이 위에서 한 말과 같은 말로 받아들이면 될 것이다.

이게 대체 뭔 과정이길래 이정도만으로도 작업증명이 된다는 것일까?

답은 바로 Hash함수의 일방향적 특성에 있다.

수학적(암호학적)으로, 해시(Hash)함수는 일방향함수이기 때문에, 이를 역산하는 것이 무차별 대입(Brute Force)이외에는 방법이 없다는 점에 착안하여, 모든 채굴자가 해시함수를 계산해 가장 먼저 계산한 사람이 새로 발행되는 비트코인을 받아가는 구조이다.

또한 작업증명(PoW)는, 다수결의 체인의 대표성을 결정하는 문제도 해결한다. 만약, 1 IP당, 1표에 기반한 다수결로 검증을 진행하게 된다면, 한번에 수많은 IP를 할당할 수 있는 누군가(악의적인 공격자)에 의해 해당 네트워크 전체가 장악될 수 있다. 위에서 소개한 다수결은 기본적으로 CPU당 1표이다. 다수결의 결과는 가장 많은 자원이 사용된 작업증명들의 가장 긴 체인이 된다(즉, Hash Rate가 가장 높은 체인이 가장 긴 체인이 된다.) 정직한 노드들에 의해 다수의 CPU파워가 통제된다면, 가장 정직한 체인이 가장 빠르게 늘어나 다른 경쟁 체인들을 압도할 것이다.

또한, 과거 블록을 수정하려면 공격자는 해당 과거 블록의 값에 대한 작업증명을 재수행해야하고, ( Hash(해당 블록의 이전 블록 해시 값 + 변경하고자 하는 데이터 + Nonce) 를 다시 해야함.) 또한, 해당 블록 이후의 모든 타임스탬프의 블록에 대하여 모든 연산을 재수행해야 하는 문제가 생긴다. 또한, 이러한 작업을 가장 정직한 노드들의 작업 속도를 따라잡아야 그것이 가장 무결한 노드라는 것을 인정받을 수 있다. 

따라서, 비트코인은 그 구조상 블록의 수가 늘어날수록 블록의 위/변조가능성은 거의 0에 수렴하게 된다는 것을 알 수 있다.

또한, 실제로 발생한 문제이기도 하지만, 채굴자들은 자원을 아끼기 위해 기존 CPU의 수만배 파워를 내는 채굴기를 개발해내었다. 이러한 상황에서 채굴의 난이도는 상대적으로 쉬워질 수 밖에 없기 떄문에, 초기 알고리즘은 채굴의 난이도 (위 그림에서는 목표 값)를 시간당 평균 블록 수에 따른 평균 목표값을 조정하여 결정하도록 하였다.

즉, 블록들이 너무 빠르게 생성된다면 채굴 난이도는 높아진다는 것이다(목표값이 낮아진다는 것이다.)

3. 마치며...

이렇게 작업증명에 대한 기본적인 개념들을 다루어보았다.

다소 수학적인 내용이 등장할 것이라고 예상했었지만, 해시함수 이외에는(이것도 별 수학적으로 접근하지는 않았지만...) 그런 내용은 없었던 것 같다.

작업증명(Proof of Work) 이외에도 지분증명(Proof of Stake)라는 개념이 존재하는데, 이는 나아아중에 다뤄보도록 하겠다.

글 읽어주셔서 감사하옵니다^^

블록체인 공부를 시작했는데, 무엇을 먼저 시작해야할지 모르겠고, 무작정 기술로만 들어가면 중간에 흥미를 잃을 듯 하여 코인들의 목적, 원리 등을 직접 까(open)보면서 공부해보려고 한다.

공부를 하는 것이기 때문에 "~인 것으로 보인다"라는 워딩이 많이 들어가는건 양해해주시길..

또한 이번 글에서는 개요 및 초록, 그리고 몇 중요한 개념들에 대해서만 정리해보고 다음 글부터 본격적으로 시작해보려 한다.

1. 개요

비트코인은 가명의 기술자 '나카모토 사토시'가 블록체인 기술을 기반으로 개발한 최초의 디지털 자산. 기존 화폐(원, 달러)와 달리 정부, 은행 등의 개입 없이 미리 만들어진 알고리즘에 의해서만 발행되며, 거래 내역은 P2P네트워크에 참여한 사용자들에 의해 검증 및 관리되는 구조이다.

재래 통화의 근본적인 문제는 그것이 작동하게 하는데 필요한 모든 신뢰입니다. 중앙은행은 통화 가치를 떨어뜨리지 않도록 신뢰할 수 있어야 하지만, 화폐 통화의 역사는 그 신뢰의 위반으로 가득합니다. -나카모토 사토시

2. 비트코인 백서

2-1. 백서가 뭐지

백서(White Paper).

공식 문서라는 뜻으로 불린다. 보통 정부나 기관의 공식 문서들을 보면 흰 종이에 출력되어있어서 이런 이름으로 불리는 것 같다.

https://bitcoin.org/files/bitcoin-paper/bitcoin_ko.pdf

비트코인 백서 한글버전이다.

한번 제대로 읽어보자. 블록체인에 필요한 여러가지 기초적인 개념들이 등장하기 때문에 같이 따라가보자.

2-2. 초록

우선 초록은, 학술논문과 같은 문서의 시작 부분에 작성 목적 및 주요 결론 등을 요약하여 설명하는 글이다.

이를 읽어보면, 나카모토 사토시라는 사람이 어떠한 목적으로 비트코인을 개발했는지 알 수 있다.

전적으로 개인 대 개인 버전인 전자 화폐(Electronic Cash)는 금융기관을 거치지 않고 한쪽에서 다른 쪽으로 직접 전달되는 온라인 결제(payments)를 실현한다. 전자 서명은 솔루션 일부를 제공하지 만, 이중 지급(double-spending)을 막기 위해 여전히 신뢰받는 제삼자(trusted third party)를 둬야 한다면 그 주된 이점을 잃는다. 우리는 개인 대 개인 네트워크를 사용해 이중 지급 문제를 해결하는 솔루션을 제안한다.

즉, 기존에 사용되던 전자 화폐(인터넷 금융거래, 디지털 금 거래 등을 말하는 것으로 보인다.)의 경우에도, P2P거래가 가능했지만, 이 역시 이중지불 문제를 해결 위해 서드파티의 개입(기관, 플랫폼 등)이 필요했기 때문에 진정한 P2P 즉, 탈 중앙성이 실현되기 어려웠다. 따라서 이중지불의 문제가 없는 P2P 솔루션으로 비트코인을 제안하였다.

여기에서 주목하고 넘어가야 할 말은 마지막줄의 '네트워크'라는 개념으로 보인다. 

여기서 말하는 네트워크란, 현재의 블록체인의 기반을 이루고 있는 블록체인 네트워크를 말하는 것 같다.

그런데, 이중 지급 문제를 해결하겠다고 하는데, 기존의 문제라던 이중 지급이 뭘까?

2-2-1. 이중지불 문제

이중지불(double spending)은 말 그대로 하나의 디지털 통화 단위를 두 번 이상 지출하는 행위를 말한다.

정보 공간의 특성으로 인해 물리적 공간과 비교할 때 디지털 토큰 또는 자산은 무한히 복제 또는 위조가 가능할 수 있다. 

(예시1: 동일한 주식, etf 등이 ctrl+c/v 된다고 간단하게 생각하면 된다.) 

(예시2: A가 B, C에게 1달러를 보내고 싶은데, 1달러라고 보증되어있는 파일을 B와 C에게 모두 보내버리면, 돈이 복사되는 것이다.)

이는 P2P 방식의 거래에 있어 근본적인 골칫거리였다. (돈이 무한 복사가 되면 아무래도..) 

따라서 기존의 시스템에서는 은행이라는 중개기권을 두고, "신뢰받는" 중개기관이 보관하고 있는 기존 데이터를 기반으로 개인이 데이터를 임의로 복사할 수 없게 만들었다.

사토시는 이렇게 생각한 것 같다 - 이중지불 문제로 인해 이를 해결하려는 중개기관이 생겨났고, 그들은 수수료라는 개념을 통해 거래비용을 발생시킨다. 이를 없애기 위해 정말 순수한 개인간의, 탈중앙화된 거래시스템을 만들어보자. 라는 내용으로 백서가 시작한다.

다시 돌아와서, 좀 더 읽어보자.

이 네트워크가 거래를 해시한 타임스탬프를 일련의 해시 기반 작업증명 proof-of-work 체인에 찍고, 이 작업증명을 재수행하지 않고서는 변경할 수 없는 기록을 생성한다. 가장 긴 체인은 목격 된 사건의 순서를 증명하는 동시에 그게 가장 큰 CPU 파워 풀에서 비롯했음을 증명하는 역할을 한다. 이 네트워크를 공격하는 데 협력하지 않는 노드가 CPU 파워 대부분을 제어하는 한, 가장 긴 체인을 생성하며 공격자를 압도할 것이다.

쉽게 말해, 거래를 해시한 타임스탬프(시간을 기록한다 보다는 시간 순서를 기록한다 라고 봐야함.) 를 해시 증명 기반의 PoW(Proof of Work:작업증명)를 통해 PoW를 재수행하지 않고는 변경이 불가능한 기록을 생성한다.

PoW라는 기술에 대해서는 추후 더 자세히 알아보도록 하자.(내용이 길어질 듯 하여...)

체인의 가장 긴 체인에서는 시간순서를 증명하며, 이는 가장 강한 CPU 파워를 가진 풀에서 비롯된 체인임을 증명한다.

다른 해설에 따르면, 네트워크 공격에 협력하지 않는 노드(채굴자 또는 네트워크 구성원)이 과반 이상의 CPU 파워(또는 해시레이트)를 가진 상황이라면, 이 노드들이 가장 긴 체인을 만들어내며, 이는 공격자보다 앞선다고 한다.

PoW와 작업증명에 대한 내용은 추후 다시 공부해서 추가로 올리도록 하겠다.

계속 해보자.

이 네트워크 자체는 최소한의 구조만 요구한다. 메 시지는 최선의 노력을 기반으로 전파되고(Broadcast),
노드는 네트워크를 마음대로 떠났다가 재합류 할 수 있으며,
자신이 빠진 사이에 일어난 일의 증명으로 가장 긴 작업증명 체인을 받아들인다

초록의 가장 마지막 부분이다. 이 부분에는 기술적인 설명이 없기 때문에, 워딩 그대로 받아들이면 될 듯 하다.

3. 마치며..

우선 이 글에서는 비트코인의 목적과 같은 중요한 내용 및 앞으로 등장하게 될 개념들에 대해 알아보았다. 

처음으로 이런 리서칭 글을 작성해서 가독성이 어떨지는 모르겠지만,,, 노력해보겠습니다,,,

앞으로 쓸 포스팅 목록(이번 글과 관련된):

1. PoW에 대한 기술적 내용

2. 작업증명에 대한 내용 (1번과 합칠 수 있음)

3. 다음 장.(백서 이어서 계속.)