짧은머리 개발자

오늘은 블록체인의 종류에 대해 얘기하려 한다. 블록체인은 크게 공개형 블록체인과 폐쇄형 블록체인이 있다.

이 둘은 누가 "블록체인을 사용할 수 있냐"를 기준으로 구분할 수 있다.

블록체인은 참여자들을 Node(노드)라고 부르며, 해당 노드들에 데이터를 분산저장하고, 이들은 합의(작업증명 등 해시연산)을 수행함으로써 새로운 블록 생성에 참여할 수 있다.

이 때, 노드의 참여 조건에 대하여 공개형 블록체인은 누구나 참여할 수 있고, 폐쇄형 블록체인은 허가된 사람만 참여할 수 있는 차이가 있다.

참여 조건에 따른 블록체인

공개형 블록체인 (Public Blockchain)
공개형 블록체인은 우리가 흔히 알고있는 비트코인, 이더리움을 예시로 들 수 있다.

폐쇄형 블록체인 (Private Blockchain)
폐쇄형 블록체인은 허가된 사람만 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

폐쇄형 블록체인의 경우, 해당 블록체인을 운영하는 기관이 어떤 노드에게 참여 권한을 주고 회수할 수 있어야 하며, 이러한 참여자를 관리하는 시스템이 추가적으로 필요하다.

저장방식에 따른 블록체인

블록체인은 정보를 노드들에게 분산저장하는 것이 기본이나, 가끔 필요에 따라 중앙화된 서버에 저장하는 경우도 있다.

전자를 탈중앙화 블록체인(Decentralized Blockchain)이라 하고, 후자를 중앙화 블록체인(Centralized Blockchain)이라 한다.

탈중앙화 블록체인은 Peer-to-Peer 네트워크 등 노드들 간의 네트워크 연결을 통해 데이터를 주고 받는다. 토렌트를 떠올리면 쉽게 상상이 가능하다.

중앙화 블록체인은 우리가 흔히 알던 시스템과 같이 데이터를 하나의 서버에 모두 저장하는 것이다. 쉽게 생각하자면 데이터베이스 대신 블록체인을 활용한다 정도

어.. 사실 이 내용 관련해서 쓸 내용이 많을 줄 알았는데.. 딱히 없는 것 같다... 음.....

다음에는... 블록체인의 기본 구현과 관련된 글을 작성해야겠다.

오늘은 블록체인에 등록된 거래에 대하여 어떻게 검증이 이루어지는지 얘기하려 한다.

그러려면, 우선 블록이 어떻게 이루어지는지 알아야 한다. [1. 블록체인이란?]에서 언급한 바와 같이 블록은 Transactions, timestamp, nonce, ..., previous_blocks_hash_id를 사용하여 블록의 hash ID가 결정된다.

지금 검증하고자 하는 것은 블록의 실질적인 내용이고, 등록하고자 한 데이터의 한 형상인 Transactions이다.

Transaction

Transaction은 거래라는 의미를 갖고 있다. 비트코인으로 예를 들면, "A가 B에게 10만큼의 비트코인을 전송했다."를 Transaction이라 생각하면 된다.

이후에 아무 B는 비트코인을 사용하거나 전송하지 않았으면, B는 적어도 10만큼의 비트코인을 갖고 있어야 한다.

따라서 B는 자신이 비트코인 10만큼을 소유하고 있다는 것을 남들에게 알리려면, 적어도 해당 Transaction이 유효하다는 것을 검증해야 한다.

Merkle Tree

이제 블록에 등록되는 내용 중 새로운 친구인 Merkle Tree에 대해 설명하고자 한다.

Merkle Tree는 Hash Tree라고도 불린다. 따라서 어떤 해시 된 데이터들을 node로써 갖고 있는 Tree다.

우선, 위에서 든 예로 "A가 B에게 10만큼의 비트코인을 전송했다." 라는 데이터가 있다고 하자. 하지만, 실제로 우리는 Transaction을 봤을 때, A와 B를 지목하거나 대상을 구체화 할 수 없다. 그 이유는 데이터가 해시 되어서 블록에 저장되어 있기 때문이다.

즉, 거래 내역에 대한 데이터가 해시 되어 Transaction으로 존재하게 된다. 대충 Merkle Tree에 어떤 정보들이 존재하는지 짐작이 가지 않는가?

Merkle Tree는 Binary Tree로 생각하면 구현하기 쉽다. 그 이유는 다음 글을 참고하길 바란다.

Transaction을 두 개씩 짝지어 하나의 해시 값을 만들고, Bottom Up 방식으로 node를 만들어 나가다보면, 언젠가 트리가 완성될 것이다. 이 때, 트리의 root 값이 나오게 되는데, 이 값이 중요하다.

검증!

이제 검증이 어떻게 이루어지는지 설명할 차례다.

이쯤되면 우리는 각각의 character(마땅히 단어가 생각나지 않는다.) 혹은 character의 집합을 hash 했을 때 고유한 값이 나오는 것을 알고 있다.

즉, 거래의 내용이 변하면 hash값도 변하게 되고, 이를 이용해 Merkle Tree를 만들었을 때 다른 Root값이 나올것이다.

따라서 내가 검증하고자 하는 어떤 데이터가 블록체인에 정상적으로 등록되어 있다면, Merkle Tree를 다시 만들었을 때, Root Node의 값은 블록을 생성할 때 나왔던 값과 같을 것이고, 이로써 내가 갖고있는 데이터가 유효함이 검증된다.

*Merkle Tree에 쓰인 다른 Transaction은 다른 네트워크 참여자에게 요청하여 얻을 수 있다.

정리하면

내가 검증하고자 하는 데이터를 해시하여 Transaction을 만들고, 해당 Transaction을 바탕으로 블록의 Merkle Tree를 재구성하여 Tree의 Root 노드가 같은 값을 갖고 있다면, 데이터는 유효하다. 다른 값이 나오면, 해당 데이터는 유효하지 않은 것이다.

사실 여기까지의 내용으로 간단한 중앙화 블록체인(Centralized Blockchain Network)을 구현할 수 있다.

블록체인은 탈중앙화로 알고있는 사람들이 많기 때문에, 다음 글에서는 중앙화 / 탈중앙화 그리고 공개 / 비공개 블록체인 네트워크에 대해 글을 써야겠다.

오늘은 작업증명에 대해 알아보려 한다. 블록체인에서 작업증명은 빼놓을 수 없는 중요한 내용이다.

앞 글의 제일 하단에 보면, 블록체인의 해킹이 왜 어려운지 합의 파트에서 설명하겠다고 작성하였고, 이 문장을 보면 블록체인에서 어떤 합의를 해야 하기 때문에 해킹이 어렵다고 으레 짐작할 수 있다.

비트코인에서 합의 알고리즘은 작업증명(Proof of Work)를 채택하고 있다. 

합의

그렇다면 합의는 무엇일까?

합의는 간단하게, 블록체인에 등록될 어떤 거래 내역(Transactions)들에 대하여 정상적(valid)이라고 많은 사람들이 동의하는 것이다.

비트코인에서는 작업증명을 통해 Nonce를 찾고, 해당 값이 Maximum Value보다 낮으면 합의하게 되고, 이 Nonce를 찾은사람에게 비트코인을 보상으로 제공한다. 이 때, 해당 Nonce와 블록 내용으로 누가 되었건 hash를 했을 때, 같은 값이 나오고 해당 난이도 시점에서 valid한 값을 찾기 때문에, 모두가 동의할 수 밖에 없는것이다.

실제 합의 알고리즘은 작업증명, 지분증명, 위임지분증명, ... 등 많은 종류가 있고, 해당 내용은 나중에 중요한것만 다루도록 하겠다.

해킹이 어려운 이유?

블록체인이 해킹이 어려운 이유는 보통 다음과 같다.

1. 이미 생성된 블록들의 내용을 변조하는 것은 불가능하다.
2. 전체 블록체인의 참여자의 50%가 해당 블록에 대해 동의해야 한다.

1번은 앞 글에서 설명한 것 처럼, N번째 블록은 해시 ID를 생성할 때, (N-1)번째 블록의 해시 ID를 사용하기 때문에, 이미 생성된 블록의 내용을 변조하는 것은 해당 M번째(변조된 N) 블록의 해시 ID가 변하게 된다. 이는 기존 (N+1)번째 해시와 (M+1)번째 해시가 달라지게 되고 결국 사슬이 끊어지는것을 의미하며, 해당 블록들은 무의미한 블록이 된다.

2번은, 기본적으로 블록체인은 Peer to Peer 네트워크로 이루어져 있다. 참여자들이 노드 정보(Block정보)를 갖고 있게 되고, 따라서 블록의 내용을 다른 참여자와 비교 하였을 때, 절반 이상 같은 내용을 가지고 있어야만 해당 노드가 유효하게 된다. 앞 1번의 이유로 인해, 이미 생성된 블록을 해킹하는건 불가능하고, 즉 새로 생성될 블록에 내가 변조 내용을 넣어야 한다. 그러나 블록체인 네트워크는 "나"만을 가리켜 블록에 대한 합의를 해달라고 요청하지 않고, 네트워크의 모든 참여자에게 합의를 요청한다. 이는 결국 해당 블록에 대한 합의는 작업증명을 기준으로 모두 같은 값을 줄 것이고, 중간에 변조내용을 심은 사람만 다른 값을 줄 것이다. 이 때 블록체인은 어떤것이 유효한지 선택하여야 하고, 결국 많은 사람들이 동의한 내용을 채택할 것이다.

이를 다시 말하면, 내가 전체 블록체인 네트워크의 51%에 대한 힘을 가지고 있어야만 블록체인에 해킹된 내용을 심을수 있다는 것과도 같다. 이제 왜 블록체인 해킹이 어려운지 이해가지 않는가?

정리하면

블록체인 네트워크는 합의를 통해 새로운 블록을 생성하고, 해킹을 시도한다면 변조된 내용을 동의할 만큼 센 힘을 가지고 있어야 한다. 

다음 글에서는 내가 갖고있는 거래 내역이 어떻게 블록체인에서 검증되는지, 어떻게 유효성이 유지되는지 설명하는 글을 올리겠다.

내 생각에 블록체인은 비트코인에 의해 확-뜨고 인공지능에 의해 확-진 기술인 것 같다.

사실 블록체인 자체는 그렇게 어려운 개념이 아니다.

나는 블록체인을 쉽게 얘기할 때, '일종의 데이터 저장 시스템' 혹은 '일종의 데이터베이스와 같은 것'이라고 얘기한다.

그렇다면 블록체인은 데이터 저장 시스템인데 왜 사람들이 어렵다 말하고, 비트코인이 유명해진걸까? 본 글에서는 사토시 나카모토의 비트코인을 기반으로 블록체인을 설명하려고 한다.

비트코인

우선 비트코인이 무엇인지 알아볼 필요가 있다. 사실 지금 가상화폐로 인해 비트코인이 무엇인지 모르는 사람은 없겠지만, 우리는 블록체인으로서 비트코인이 어떻게 동작하는지 알 필요가 있다.

Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System, Satoshi Nakamoto, 2008.

놀랍게도 비트코인은 2008년에 논문이 공개되었고, 2009년에 발행이 시작된 가상화폐다. 2009년부터 비트코인을 구매하기 시작했다면, 지금 엄청난 부자가 되었겠지?

블록체인 기술이 주목받기 시작한 이유는 하드웨어의 발전을 빼놓고 얘기할 수 없다. 왜 하드웨어가 중요한지, 도대체 블록체인이 뭔지 이제 시작해보도록 하자.

블록체인, 말 그대로 블록을 연결한 구조

블록-체인. 즉 블록을 사슬처럼 연결하였다는 뜻이다. 사슬을 이루는 각각의 블록은 거래 내역(지금부터 데이터라 칭하겠다.)을 가지고 있고, 이러한 블록들이 연결되어 있다. 단순히 연결되어 있다면, 사슬이라는 이름보다는 블록-리스트 라는 이름이 되었을 것이다.

따라서 '사슬'처럼 쉽게 끊어낼 수 없는 어떠한 알고리즘이 사용되어야 하고, 비트코인에서는 Hash(암호화)를 이용하였다. 단순히 현재의 블록이 갖고 있는 내용만으로 Hash를 하였다면, 마찬가지로 단순한 '리스트'였을 것이다. 이를 해결하기 위해 각각의 N번째 블록은 자신의 ID를 만들기 위해 그 앞번째, (N-1)번째의 블록 정보를 이용하여야 한다.

만약 여기까지 이해했다면, 다음과 같은 의문이 생길수 있다. "그러면 블록의 정보들만 모두 구할 수 있으면 똑같은 블록을 만들 수 있는거 아니야? 내가 알기로 블록체인은 변조가 어려운 걸로 알고 있는데"

맞는 말이다. 블록의 내용만으로 똑같은 블록을 구성할 수 있고, 블록체인을 이룰 수 있다면, 비트코인의 가격이 폭등하지도 않았고, 그래픽카드 대란이 일지도 않았을 것이다.

즉 블록의 ID를 만들기 위해서는 추가적인 기술이 필요하고, 흔히 난이도라고 부르는 것이 그것이다.

*Hash : 임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 매핑하는 함수, 나무위키, 비트코인에서는 SHA-256을 이용하였다. 

난이도

난이도가 꽤 어려운 내용이기 때문에, 여기서는 단순하게 난이도가 어떤것인지 설명만 하도록 하겠다.

난이도라는 이름 그대로, 쉽게 말하면 블록을 생성할 때의 난이도다. 난이도가 쉽다면 블록을 누구나 만들 수 있을것이고, 난이도가 어렵다면 블록을 아무나 쉽게 만들지 못할 것이다.

비트코인은 SHA-256을 이용하여 데이터를 해시하였으며, SHA 함수는 값마다 서로 다른 해쉬값을 뱉어내는데, 예로 다음과 같다.

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조금만 값이 바뀌어도, 전혀 다른 결과가 나오는 것을 볼 수 있다. 이에 착안하여, 비트코인에서는 Nonce라고 불리는 값을 내가 만들고자 하는 블록의 데이터에 추가한다. 위의 그림 <ID Hash>를 보면, Transactions + Timestamp + Nonce + ... + Prev_ID라 이해하면 된다.

위의 해시 결과를 보면 알겠지만, 대소문자만 바뀌어도 값이 변하기 때문에, Nonce는 막 수학적으로 계산하거나, 어려운 값을 넣을 필요 없이 단순히 숫자 0부터 조건을 만족할 때 까지 1씩 증가시키면 된다. 

비트코인에서는 그 조건으로, 해시된 결과의 앞 n개의 글자가 0이면 된다. 최초에는 000000... 으로, 0이 6개 나오면 됐지만, 하드웨어가 발전함에 따라 해시속도는 급격하게 빨라졌고, 따라서 지금은 가변적인 난이도를 갖게 되기 때문에 n개의 글자수가 0이면 되는 것이다.

000000을 만드는것도 쉬운거아니야? 라고 생각할 수 있는데, i5-9600KF 기준으로 000000을 찾는데 평균 2분 30초 정도 걸리며, i9 10900으로는 1분 30초가 소요된다.

이러한 난이도(Nonce)를 찾는 행위를 작업증명이라고 한다.

정리하면

블록체인은 앞 블록의 Hash값과 현재 만들고자 하는 블록의 정보(Transactions, Timestamp, ...)를 함께 Hash하여 원하는 조건이 되는 ID를 가지는 블록들로 이루어진 데이터 사슬이라고 보면 된다.

"그러면 해킹은 왜 어려운거야?" 라는 질문이 생길수도 있는데, 이는 아직까지 설명하기엔 쉽지 않다. 하지만, 사람들이 흔히 말하는 내용처럼, "비트코인 네트워크의 절반 이상이 해킹된 내용을 갖고 있어야해."가 그 정답이다. 이는 나중에 합의파트에서 설명하도록 하겠다.