[블록체인] 블록체인 배경지식

1. 블록체인

 

블록체인은 이름 그대로 '블록' 단위의 데이터를 '체인' 형태로 이어놓은 데이터베이스입니다. 이 데이터베이스는 흔히 장부 혹은 원장(Ledger)이라고 부릅니다. 블록체인 네트워크에서는 참여자가 모두 동일한 내용의 장부를 하나씩 가지고 있습니다. 만약 블록체인이 거래와 관련된 것이라면, 장부에는 누가 누구에게 얼마를 보냈는지 거래내역을 적어야할 것입니다. 

 

장부에 거래내역을 추가할 때는 거래내역을 그대로 장부에 적는 것이 아니라, 거래내역을 일정량 모아서 '블록'으로 포장을 하게 됩니다. 이 때 포장 안에는 해시 등 다양한 블록체인 유지에 필요한 값들을 같이 넣습니다. 포장이 잘 되었다면 이것을 '체인'처럼 연결되어 있는 블록들의 맨 뒤에 연결시킬 것 입니다. 

 

블록을 체인처럼 연결시킬 때, 아까 블록 안에 넣었던 해시가 사용됩니다. 해시는 어떤 함수의 결과값입니다. 이 함수는  같은 입력이라면 언제나 같은 결과를 내고, 입력이 조금만 달라져도 출력이 완전히 바뀌어 버린다는 특징과, 출력을 보고 입력을 유추할 수 없다는 특징을 갖습니다. 마치 망고로 망고주스는 만들어도, 망고주스로 망고를 만들 수는 없는 것 처럼요. 블록에서는 해시를 블록의 지문처럼 사용하게 됩니다. 함수의 입력으로 이전 블록의 해시와 현재 블록이 담고 있는 데이터(거래내역)를 넣고 그 결과값을 해당 블록의 해시로 정합니다. 이렇게 생성한 해시는 다음 블록에서 해시를 생성하는데에 입력값으로 사용될 것입니다. 

 

 

굳이 이렇게 하는 이유가 뭘까요? 이렇게 연결하면 장부의 거래내역을 안전하게 유지할 수 있습니다. 어떤 사람이 블록 안 거래내역에 0을 하나 더 붙여 100만원을 1000만원을 만들었다고 가정합시다. 데이터를 변경하면 입력이 달라지기 때문에, 해시를 생성하는 함수의 특성 상 해시가 완전히 바뀌어버립니다. 뿐만 아니라 바뀐 해시가 다음 블록의 해시를 생성하는데에도 사용되기 때문에, 다음 블록도, 그 다음 블록도 모두 해시가 바뀌어버리게 됩니다. 결국 멀쩡한 장부를 가진 다른 사람들이 '내 것과 다른 이상한 해시가 달린 블록을 갖고 있네' 하며 조작한 사람을 쉽게 찾아내게 됩니다.

 

자, 그럼 이제 누군가가 블록체인에 데이터를 기록하고 싶다고 요청합니다. 만약 송금을 했다면 블록체인에 "A →$50→ B"를 기록하고 싶다고 요청하는 것이 됩니다. 이 요청들은 블록을 포장하여 체인에 올리는 전문가들에게 가서 쌓이게 됩니다. 이 전문가들은 '검증자(Validator)'라 부르고, 아래에서 설명할 작업증명 네트워크의 검증자들은 특별히 '채굴자(Miner)'라고 부르기도 합니다. 이 사람들은 자신들에게 쌓이는 요청, 즉 데이터들이 전부 올바른 데이터인지 확인을 하고 블록으로 포장합니다. 블록체인에 올리기 전, 해당 블록이 신뢰 가능한지 검증을 받은 후에 블록체인에 블록을 올리게 됩니다.

 

이 때 이 블록의 신뢰 검증은 '합의(Consensus)' 라는 절차를 통해 이뤄집니다. 합의는 넓게 보면 '어떻게 하면 모든 사람이 같은 상태의 올바른 장부를 가질 수 있을까'에 대한 알고리즘입니다. 블록의 신뢰 검증은 '올바른 장부'에 대한 고민에 포함될 것입니다. 블록의 신뢰를 위해선, 아까 언급했던, 데이터를 확인하고 블록으로 만들어 체인으로 올리는 '채굴자', '검증자'들이 과연 신뢰해도 되는 사람인지 알 수 있어야합니다. 이것을 확인하는 방법에는 여러가지가 있습니다.

 

 

2. 합의 알고리즘

 

작업증명(Proof of Work, PoW)

작업증명 방식의 블록체인 네트워크에서는 채굴자들이 '문제'를 풀어야 블록을 체인에 올릴 수 있습니다. 문제는 앞서말한 해시와 연관되어 있습니다. 작업 증명에서는 해시의 입력으로 이전 블록 해시, 데이터와 함께 'nonce'라는 값이 들어갑니다. 채굴자들은 특정 조건에 맞는 해시가 나올때 까지 nonce 값을 추측하여 대입합니다. 이 무지성 반복 대입 작업을 '채굴'이라합니다. 채굴에는 정말 많은 에너지와 시간이 들어가기 때문에, 노드들이 동시에 블록을 생성할 수 있는 여지를 크게 줄여줍니다. 이는 이중지출(Double Spending)과 같은 문제를 방지하고 올바른 장부를 유지하는데 큰 도움을 줍니다. 

 

nonce 값을 찾았다면 블록 안 coinbase 항목에 자신이 받을 채굴 수수료를 적어두고, 주변에 전달합니다. 블록을 전달받은 주변노드들은 최신의 블록이 들어왔다면 검증을 하고 다시 주변에 전파합니다. 그렇게 해서 결국 가장 먼저 nonce 값을 찾은 사람의 블록이 온 네트워크에 전파됩니다. 이렇게 내가 nonce 값을 가장 먼저 찾아서, 온 네트워크가 내가 구성한 블록을 갖게 되었다면 채굴에 성공한 것이 됩니다. 이런 구조는 정보의 조작을 방지해 올바른 장부를 유지하는데에 일조합니다. 장부 중간의 어떤 데이터를 조작했을 때, 해시가 모두 틀어진다는 사실은 앞서 설명했습니다. 조작을 들키지 않으려면, 달라진 해시에 따라 다시 채굴을 진행해 nonce 값을 모두 다시 채워넣어야 합니다. 하지만 그 사이에 다른 채굴자들은 여러 블록을 채굴할 것이고, 조작을 시도한 채굴자의 장부는 뒤에 설명할 The Longest Chain Rule에 의해 인정받지 못하고 버려질 것입니다. 

 

 

그렇다면 만약에 채굴업자 A와 B가 동시에 블록을 채굴했다면 어떻게 될까요? A 주변의 노드, 즉 A의 블록을 받은 사람들은 B의 블록을 한 발 늦었다며 최신 블록으로 인정하지 않을 것입니다. B 주변의 노드, 즉 B의 블록을 받은 사람들은 A의 블록을 한 발 늦었다며 최신 블록으로 인정하지 않을 것입니다. 위 그림과 같이 노드들이 각자 다른 장부를 갖게 되며 이를 '분기'라고 합니다. 블록체인은 모든 사람들이 같은 장부를 가지고 있는 것이 중요하기 때문에 이를 해결할 방법 또한 마련되어 있습니다.

 

예를 들어 비트코인에서는, '분기'와 같이 여러 블록체인이 존재하는 상황에서 블록체인을 하나로 통일하기 위해 The Longest Chain Rule을 적용합니다. 분기가 된 상태로 A팀(A의 블록을 가진 노드들)과 B팀(A의 블록을 가진 노드들)이 길이 경쟁을 하는 것입니다. 만약 A팀이 B팀보다 먼저 블록을 채굴해, 블록체인의 길이가 더 길어졌다면, B팀의 블록체인은 폐기되고 모두 A팀의 블록체인을 갖게 됩니다. 그럼 분기되어 경쟁하는 동안 장부에 기록하고 싶다고 요청한 데이터들은 다 폐기될 수도 있는 불확실한 것일까요? 사실, 블록체인이 P2P 형태로 연결된 것이지 블록체인에 요청하는 데이터는 그렇지 않기 때문에, 데이터는 블록 A와 B 모두에 포함되어 있을 확률이 큽니다.

 

게다가 추가적인 안전장치로, 뒤에 블록이 붙을 때 까지 장부의 내용을 공식 인정하지 않도록 합니다. 블록이 붙는 것을 기다리는 이유는, 내가 올린 블록 뒤에 다른 블록이 붙었다는 것은, 만약 경쟁 팀이 있다고 하더라도 내가 이겼다는 뜻이기 때문입니다. 졌다면, 현재의 블록체인이 다른 블록체인으로 대체됐을 테니까요. 따라서 내가 올린 블록 뒤에 다른 블록이 붙는 것을 '내가 올린 이 블록체인이 모두가 공유하는 장부임을 확인한다'라는 뜻에서 '컨펌(Confirm)'이라고 합니다. 혹시나, 그럴 확률은 아주 아주 낮겠지만 A팀 B팀으로 분기된 상태에서 또 동시에 블록이 채굴될 수도 있겠지요. 그렇다면 다시 한번 길이 대결을 해야합니다. 수학적으로 이 동시 채굴이 6번 넘게 발생할 확률은 사실상 0에 가깝다고 합니다. 비트코인 네트워크에서는 장부에 기록을 요청하거나 블록을 올리고, 6컨펌이 되야(뒤에 블록이 6개가 붙어야) 완전히 공식적으로 인정됩니다. 결국 어떤 상황에서도 거의 100%의 확률로 모두 같은 장부를 유지할 수 있는 것 입니다.

한 마디로 요약하자면,  작업증명은 엄청난 노력이 들어가는 문제를 푼 사람에게 블록을 올릴 권한을 줌으로써, 

 

지분증명(Proof of Stake, PoS)

 지분증명은 앞선 작업증명의 단점을 보완하고자 합의 방법입니다. 작업증명은 현재 미쳐버린 그래픽카드 가격을 보면 알 수 있다시피, 채굴에 정말 많은 에너지와 비용이 들어갑니다. 게다가 중앙의 통제가 없는 개개인이 자유롭게 참여하는 네트워크에서 현재 네트워크에 대한 애정없이 비싼 장비를 이용한 돈벌이 수단만으로 사용되는 것도 바람직하지 않습니다. 

 

지분 증명은 따라서 '누가 가장 많은 돈을 오랫동안 블록체인 네트워크 상에 예치해두고 있는가'를 기준으로 확률을 정해 누가 만든 블록을 올릴지 뽑게 됩니다. 자신의 돈이 묶여있기 때문에, 자신이 정보를 조작하거나 공격을 한다면, 블록체인 네트워크의 가치가 떨어져 자신의 돈도 함께 가치가 떨어질 것입니다. 이 때 발생할 수 있는 초기 참여자와 투자 자본금이 많은 사람에게 절대적으로 유리하다는 공정성의 문제를 해결한 위임지분증명(Delegated Proof of Stake)도 나왔지만, Besu에서는 사용하지 않기 때문에 줄이겠습니다.

 

권위증명(Proof of Authority, PoA)

지분증명은 네트워크에 예치한 금액으로 참여자의 신뢰도를 평가하고, 블록을 올릴 수 있는 검증자로 선출했습니다. 권위증명에서는 신원이 확실한 참여자를 정해진 규칙에 따라 검증자로 지정합니다. 검증자의 신뢰도나 평판 그 자체가 가치이자 자본이 되는 것입니다. 이 방법은 작업증명의 채굴과 비교했을 때 높은 처리량과 에너지 효율을 가지며, 지분증명에서 있었던 확장성의 문제도 네트워크 신뢰성을 잃지 않는 선에서 해결합니다. 대신 정보가 공개되어야 하는 검증자에 대한 보안 문제나, 탈중앙화 원칙에서 조금 멀어졌다는 단점도 존재합니다. 이러한 단점 때문에, 권위증명은 기업에서 사용하는 '엔터프라이즈 네트워크'에 적합하다고 평가받고 있습니다. 마이크로소프트 애져(Microsoft Azure)는 권위 증명 모델을 사용한 예로, 채굴이나, 이더리움의 '가스'와 같은 자체 통화없이 엔터프라이즈 네트워크를 위한 해결책을 제시합니다.

 

권위증명 알고리즘의 대표적인 것들 중에서는 IBFT, QBFT와 같이 끝에 BFT가 붙는 것들이 많습니다. BFT는 Byzantine Fault Tolerant의 약자입니다. Fault Tolerant는 어떤 결함이 생겨도 버틸 수 있다는 의미입니다. 그냥 근성으로 버틴다는 것이 아니라 시스템의 설계 자체가 그렇게 되어 있습니다. 정전이 나면 백업 발전기로 시스템을 가동할 수 있는 것 처럼요. Byzantine은 내부에 배신자가 있는 문제 상황을, 논문을 발표한 사람이 비잔티움 제국의 장군들에 비유했기에 붙은 말로 큰 뜻은 없습니다. 즉 BFT란 시스템에 배신자(에러, 결함, 해킹)가 있더라도 남은 구성요소들이 결국 옳은 결론을 도출해내는 시스템을 말합니다. 이러한 비잔틴 결함 방지 시스템은 실생활에서도 꽤 많이 쓰이고 있습니다. 비행기 관제 시스템이나 원자력 발전소 등은 잘못된 정보 하나로 치명적인 결과를 낳을 수도 있으니까요.

 

BFT는 여러 검증자가 서로 검사하며, 이들의 정보를 취합하는 시스템입니다. 작업 증명처럼 채굴에 에너지를 낭비할 필요도 없고, Fork가 생겨 서로 경쟁할 일도 없고, 그 경쟁 때문에 데이터가 확정되는 데 까지 여러 블록을 기다릴 필요도 없습니다. 그런데 왜 최초 블록체인 고안자는 작업증명을 사용했을까요. 그 이유는 BFT가 완전한 탈중앙체제가 아니였기 때문입니다.

 

BFT의 통작형태

 

작업증명에서는 그냥 누구나 블록을 만들어서 날리면 됩니다. 다른 이를 알 필요도 없으며, 서로 간에 지속적인 통신도 필요 없습니다. 하지만 BFT는 올바른 결론의 도출을 위해 모든 이들과 여러번 통신이 필요합니다. 메세지를 주고 받아야 한다면 서로의 신원 역시 알고 있어야 하고, 많은 양의 메시지를 모두와 주고 받아야 하기 때문에 소규모, 내부에서나 사용할 수 있게 됩니다. 그래서 대표를 선출하여 BFT를 실행하거나, 기업 내부에서 사용하는 블록체인에 적용되게 됩니다.

 

 

 

3. 스마트 컨트랙트

 

스마트 컨트랙트는 계약조건을 입력하면 자동으로 계약이 실행되어 결과가 나오는 것을 의미합니다. 음료수 자판기 역시 스마트 컨트랙트입니다. 정해진 금액을 넣으면, 금액에 해당하는 음료가 나오니까요. 하지만 자판기는 가끔 1000원을 넣었는데 모른체 한다거나, 발로 세게 찼을 때 음료가 튀어나오거나 하는 문제가 있습니다. 즉, 자판기는 스마트 컨트랙트를 사용할 수 있지만 100% 신뢰할 순 없습니다. 

 

하지만 이 스마트 컨트랙트에 블록체인을 이용한다면? 거래 조건이 네트워크의 참여자들에게 공개되어서 빼도 박도 못하게 할 수 있습니다. 블록체인의 데이터 영역에 코드를 넣습니다. 따라서 장난으로 '100원 송금 시 이더 100개 드려요'  하고 코드를 넣어도 '내가 언제?' 할 수 없습니다. 또한 이미 올려놓은 코드로 실행되기 때문에 100원이 송금되는 순간 이더 100개가 바로 상대에게 송금될 것입니다. 그리고 이 과정을 중앙의 도움 없이, 개인 대 개인, 탈중앙으로 진행할 수 있습니다. 예를 들어 에어비앤비를 통하지 않아도, 방 주인에게 스마트 컨트랙트 상의 금액을 송금하면, 블록체인 네트워크에 연결된 현관 도어락이 열릴 것입니다. 

 

물론 개인 대 개인이 일상에서 완전한 신뢰 가능한 거래를 하기 위해서는 블록체인 외부의 정보를 신뢰할 수 있는 데이터로 바꾸는 오라클 등이 완전하지 않고, 블록체인 네트워크 내부에서만 가능하다는 한계도 있습니다. 하지만 수많은 사람들이 공유하는 데이터베이스에 내 코드를 안전하게 올려 실행하고 검증하는 것은 엄청난 가능성을 열어줍니다.

 

 

4. Public, Private, Permission

 

블록체인은 각자의 빌드와 설정을 통해 다양하게 진화했습니다. 그리고 다양한 블록체인들을 '읽기'와 '쓰기'에 대한 권한을 기준으로 분류할 수 있습니다. '읽기'가 누구나 가능하다면 퍼블릭(Public), 제한되어 있다면 프라이빗(Private). '쓰기'가 누구나 가능하다면 비허가형(Permissionless), 제한되어 있다면 허가형(Permissioned)으로 분류합니다. 결과적으로 '퍼블릭-비허가형', '프라이빗-비허가형', '퍼블릭-허가형', '프라이빗-허가형' 이렇게 4가지로 분류되는 것입니다. 하지만 완전히 나누기에 경계가 모호한 부분도 많아서, 맞물리는 특성들이 많은 것 끼리 모아서 프라이빗/허가형, 퍼블릭/비허가형을 혼용해서 사용하는 경우가 많습니다. 해시넷에 있던 아래표도 그러한 경우입니다.

 

출처 : 해시넷

 

그래도 굳이 기준을 명확하게 찾자면, 미국 국립표준기술원의 '블록체인 기술개관'에서는, '블록을 네트워크에 올릴 수 있는 데에 승인이 필요한가' 하나의 기준으로 허가형 / 비허가형을 나누고 있습니다.

 

"비허가형 블록체인 네트워크는 블록을 네트워크에 올리는 데에 누구에게나 열려있으며, 그 어떤 주체로부터의 허가도 필요 없는 탈중앙화된 원장 플랫폼이다. 비허가형 블록체인은 대부분 오픈소스 소프트웨어이며, 다운로드를 원하는 누구라도 자유롭게 이용할 수 있다. 누구라도 블록을 올릴 권리를 갖고 있기 때문에, 결과적으로 누구라도 블록체인에 트랜잭션을 생성할 수 있을 뿐 아니라 블록체인을 읽을 수 있다. "

 

"허가형 블록체인 네트워크는 블록을 올리는 이용자가 주체에 의해 승인되어야만 하는 네트워크이다. 승인된 이용자만 블록체인을 유지하기 때문에, 읽기 접근을 제한하고 트랜잭션을 생성할 수 있는 참여자를 제한하는 것이 가능하다.  따라서 허가형 블록체인 네트워크는 누구든 블록체인을 읽게 허용할 수도 있고 승인된 개인만 읽을 수 있게 제한할 수도 있다. 허가형 블록체인 네트워크는 대개 기관과 기업 등 조직을 위해 배치되며, 컨소시엄이라고 지칭하는 경우도 있다."