#21 합의 알고리즘 - 작업증명 방식(PoW)에 관한 개념정리.

3년 전


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안녕하세요. 어미새입니다.


지난 포스팅에서는 비잔티움 장군 문제에 관한 개념정리를 하였습니다. 지난 시간 내용을 요약하면 아래와 같습니다.


  1. 블록체인 네트워크에 연결된 사용자는 그 누구도 신뢰할 수 없다.
  2. 비잔티움 장군 문제는 결국 어떤 사용자가 악의적으로 데이터를 변경했을 경우 시스템에 치명적인 오류가 발생할 수 있다는 문제를 제기한 내용이다.
  3. 블록체인 네트워크에서는 이러한 오류를 방지하기 위해 다양한 합의 알고리즘이 존재한다.


오늘은 합의 알고리즘의 등장 배경과, 비트코인 네트워크에서 사용되는 합의 알고리즘인, 작업증명(Pow)방식에 대한 개념 정리를 해보도록 하겠습니다.



합의 알고리즘


네트워크에 연결된 사용자는 그 누구도 신뢰할 수 없는 사용자입니다. 분산 처리 시스템 및 탈중앙화 시스템은 중앙에서 관리하는 기구나 단체가 없기 때문에 시스템 내부에서 데이터를 검증하고 관리할 수 있는 수단이나 방법이 필요합니다.


비트코인에서도 마찬가지로 어떤 트랜잭션이 발생했을 경우 해당 트랜잭션이 유효한 트랜잭션인지에 대한 합의 방법이 필요하며, 새로운 블록이 진짜인지, 가자짜인지에 대한 검증이 필요합니다.


올바른 데이터의 검증은 네트워크의 신뢰도를 향상 시키며, 신뢰도가 높은 시스템일수록 시스템의 가치는 상승하게 됩니다. 합의 알고리즘에 대해 더 자세히 알고 싶으신분은 제가 이전에 작성한 합의 알고리즘편을 참조하시길 바랍니다.



비트코인 시스템에서는 비잔티움 장군의 문제점 및 네트워크의 신뢰도 향상을 위해 작업증명 방식(PoW)의 합의 알고리즘을 사용하고 있습니다. 지금부터 PoW가 무엇인지에 대해 상세히 알아보도록 하겠습니다.



PoW(Proof-of-Work)



지난 '채굴' 포스팅을 통해 직접적으로 언급하지 않았지만, 우리는 이미 PoW에 대한 개념을 학습하였습니다. 지금부터 PoW가 왜 작업 증명 방식인지에 대한 개념을 정리해보도록 하겠습니다.


마이닝(채굴)이란 일종의 수학문제를 푸는것과 같다고 하였습니다. 임이의 nonce 값을 대입하여 블록 해시 결과 값을 생성하고, 생성된 결과 값이 target 보다 작을 경우 새로운 블록으로 인정받을 수 있습니다. 새로운 블록을 생성한 채굴자는 블록을 생성한 댓가로 신규로 발행되는 비트코인의 수량 및 거래 수수로를 '보상'으로 받게됩니다.


현재 시점을 기준으로 '보상'받는 금액은 1억원이 넘는 아주 큰 금액입니다. 채굴자(마이너)는 이러한 보상을 받기 위해서 수학문제를 아주 열심히 풀 수 밖에 없겠죠?



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해시함수의 특징때문에 어떤 nonce 값을 대입해야 target보다 작은 블록해시 정보를 찾을 수 있을지는 알 수 없습니다. 즉 올바른 결과 값을 찾기 위해서는 nonce의 값을 0부터 1식 증가 시키면서 target 보다 작은 결과 값이 나올때까지 무한 반복 작업을 수행해야합니다.


이러한 수학문제를 풀이하는 과정을 1초에 몇번이나 수행할 수 있는지에 대한 수치 정보를 해시파워라고 표현하며, 해시파워가 높은 사용자는 더 많은 문제를 풀어낼 수 있습니다. 그리고 문제를 더 많이 풀어낼 수 있는 능력을 보유한 채굴자가 새로운 블록을 찾을 확률이 높습니다!


즉 더 많은 연산을 수행한 채굴자는 더 많은 일을 했다는 의미이며, 확률적으로 많은 문제를 풀었을 경우 블록을 찾을 확률이 높아지며, 더 많은 '보상'을 받게되는거죠!


그렇기 때문에 PoW를 정의할때 더 많은 일을 한 사람에게 더 많은 보상이 주어지는 방식이라고 표현 합니다.



Pow 장단점.


채굴을 통해 받을 수 있는 '보상' 금액은 커지고, 채굴자는 자연스럽게 더 많은 보상을 위해서 더 빠른 연산력을 원하게 됩니다.


무한 경쟁


A라는 채굴자가 '해시 파워'를 높여서 더 많은 보상을 받게되자, B와 C 또한 덩달아서 '해시 파워'를 높이기 시작합니다. 왜냐구요? 보상에서 뒤쳐질 수 없기 때문이죠! PoW 방식은 주변에 있는 채굴자들 보다 더 많은 문제를 풀기 원하고, 이러한 문제풀이에 대한 경쟁이 계속 가열화 됩니다. 그래서 PoW 합의 알고리즘을 경쟁 방식이라고 표현합니다.



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여기서 또 한가지 재미있는 사실은 경쟁이 치열해지면서 비트코인 네트워크의 전체 해시파워가 상승하게 됩니다. 즉 문제 풀이 능력이 올라갔기 때문에 '난이도'또한 상향됩니다. (난이도가 상향되지 않으면 10분에 1~2블록을 찾아내야하는 규칙이 무너지기 때문이죠!)


난이도가 상승되면, 자연스럽게 문제풀이에 필요한 연산력이 올라가고, 연산력이 올라간 만큼 컴퓨터의 전력 소모 또한 증가합니다! 과도한 전력소모는 높은 유지비용으로 변환되어, 블록체인 네트워크의 장점중 하나인 저렴한 유지비용이 무색해는 현상이 발생합니다!


하지만 아이러니하게도 경쟁이 심화될수록 비트코인 네트워크의 보안은 강화됩니다..




높은 보안력


블록의 거래 정보를 만약 조작(트랜잭션 검증 원리에서 설명했듯이 이 부분 부터 조작하는게 거의 불가능합니다. 왜냐구요? 상대방의 '개인키' 정보를 알 수 없으니 무작위로 정보를 대입하여 올바른 '전자 서명'을 만들어야 하니간요! 아마.. 몇달? 혹은 몇년은 걸릴것 같습니다만..)했다고 가정해보겠습니다.


어려움을 이겨내고 블록의 거래 정보를 수정했다고 가정해도, 트랜잭션 정보가 변경되었기 때문에 머클루트의 결과 값 또한 변경됩니다. 머클루트 값이 변경되면, 블록 해시 정보 또한 변경됩니다. 그리고 이 블록해시 정보가 target 값보다 작지 않으면 해당 블록의 nonce 값을 또 찾아내야합니다!


이 과정을 끝낸 시점에서, 현재 메인 체인으로 연결된 블록의 속도보다 더 빨리 신규 블록을 이어가야지만 데이터 조작이 가능해지게됩니다.


한줄 요약 : PoW 알고리즘에 의해 사실상 비트코인 거래 정보 조작은 불가능하다!


하지만!


만약에 연산력이 엄청난 진짜! 말도 안되는 울트라 슈퍼캡짱 연산력을 가진 컴퓨터가 1초에도 몇개씩의 블록을 생성할 수 있다면.. 해킹이 가능해집니다.


현재의 암호체계는 결과값을 토대로 입력값을 알 수 는 없지만, 임이의 숫자를 계속 대입하면 언젠가는 입력 값, 즉 키 정보를 알아낼 수 있습니다. 현재의 연산력으로는 100년이 넘는 긴 시간이 필요합니다.


만약 양자학 컴퓨터가 상용화 되면 현재의 암호체계가 무너진다는 의미도 이와 같은 맥락입니다. 너무 연산력이 빨라서 100년은 연산해야된다고 이야기 했던 부분이 무색해지겠죠.. 불과 몇분, 몇시간안에 풀어낸다고합니다!




자 이렇게 오늘은 PoW가 무엇이고, 어떤 역할을 수행하는지에 대한 학습을 하였습니다. 최대한 쉽게 설명할려고 노력했지만 관련된 사전지식이 많이 필요하여.. 조금은 어렵게 느껴졌을 수 있을 것 같습니다..


다음 시간에는 51% 공격이 무엇인지에 대한 개념정리로 찾아뵙도록 하겠습니다!


이상 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!


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글 잘보고 갑니다. 감사합니다.

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방문해주셔서 제가 더 감사합니다~ 즐거운 하루보내세요!

pos랑 pow에 대해선 어떤 파워포인트에서 대충 봐보긴 했는데, 더 잘 알게 되네요. 많이 배우고 갑니다 감사합니다 @홍보해

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도움이 되셨다니! 뿌듯합니다:)
홍보까지 해주시고~ 제가 더 감사합니다 ^^;

잘 봤습니다 좋은글 감사합니다.
방식 그 자체 외의 단점은 아무래도 전기소모, 환경오염 부분도 있겠지만
그 부분은 논외로 하신것 같네요.

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경쟁이 가속화되어, 전력 소모가 심해진다고 표현하였습니다~!
당연히 전력 소모가 심해지니, 환경 오염이나.. 높은 유지 비용은 필수로 따라올것 같습니다:)

@yahweh87님 안녕하세요. 깜지 입니다. @koreancrypter님이 이 글을 너무 좋아하셔서, 저에게 홍보를 부탁 하셨습니다. 이 글은 @krguidedog에 의하여 리스팀 되었으며, 가이드독 서포터들로부터 보팅을 받으셨습니다. 축하드립니다!

현재 세계에 있는 슈퍼컴퓨터를 모두 동원해도 블록체인을 해킹할 수 없다는 글을 읽었었는데...

그래서 해킹은 절대 불가능하겠구나...했었는데

양자학 컴퓨터가 상용화되면 그 부분도 안심할 수가 없게 되는군요.

그러면 양자학 컴퓨터를 이용한 새로운 암호체계로 보완을 하겠죠??

요즘 기술 발전 속도가 너무 빨라서..ㅠㅠ

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그래서 양자학 컴퓨터로도 해킹이 불가능하다는 커셉의 코인도 있는걸로 알고있어요! 실제로 양자학 컴퓨터가 상용화 되기전에 더 단단한 암호화체계가 보급되겠죠? 저도 기술 속도가 너무 빨라서 힘두네요 ㅠㅠ

좋은글 잘 보고 갑니다 !

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감사합니다~:)

블록체인이 참 어려운 개념인데 쉽게 잘 설명해 주시네요. 감사합니다.

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잘 보셨다니~ 감사합니다~ 자주 방문해주세요~ ^^;

블록체인 시스템에 관하여 이것저것 찾다가 들어왔는데
설명이 너무 좋아요! 그래도 어렵 ㅠ
천천히 역주행 해보겠습니다 ㅎㅎ

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천천히 역주행 하시다보면 많은 도움이 되실거에요~
이해안되는 부분이 있으시면 그냥 넘어가시고~
시간나실때 또 읽고... 그렇게 계속 보시면 이해하고 있는 놀라운 기적을 보실거에요~:)

좋은글 감사합니다~