인턴 Study #5. 이더리움 구조에 대해서

이 포스팅은 이더리움 1.0을 기준으로 포스팅되었다. 이더리움 2.0에 대한 포스팅은 따로 이뤄질 예정이다.

0. 이더리움이란?

이더리움은 블록체인 기술을 기반으로 스마트 계약 기능을 구현하기 위한 분산 컴퓨팅 플랫폼이자 운영 체제다. 이더리움이 제공하는 이더는 비트코인과 마찬가지로 암호화폐의 일종으로 거래되고 있다. 이더리움의 화폐 단위는 ETH로 표시한다.

출처: 위키백과

1. 키와 주소

이더리움은 주소, 개인키, 디지털 서명 등을 통해 이더를 소유하고 통제한다.
키와 주소는 지갑 또는 월렛이라고 부르는 소프트웨어에 의해 생성되고 관리된다.

1) 이더리움에는 크게 두 유형의 계정이 있는데

• 외부 소유 계정(EOA - Externally Owned Accounts): 지갑에서 개인키로 생성한 계정
• 컨트랙트 계정 (CA - Contract Accounts): 컨트랙트에서 생성된 계정

가 있다.

2) 암호화 알고리즘, 즉 키는 공개키 방식을 사용하며, 공개키는

• 개인키: 이더를 지출하는 트랜잭션을 디지털 서명
• 공개키: 이더를 수신하는 주소로 사용, 타원 곡선 암호화 (ECC)를 사용해 공개키 암호화, secp256k1 표준 타원 곡선 사용.

로 나눠져있다.

여기서 알아야 할 것은 계정 주소와 디지털 서명 만이 블록체인에서 전송되고 저장됨.

3) 트랜잭션은 크게

• EOA -> EOA: 이더 전송
• EOA -> CA: 스마트 컨트랙트 실행

로 나눠진다.

4) 주소 생성 방식

• 공개 키의 keccak-256 해시 생성, 256비트의 숫자 제공
• 앞 96비트 (즉 12바이트) 를 버린다. 160비트 (20바이트)의 바이너리 데이터를 가지고 있다.
• 주소를 16진수 문자열로 인코딩한다. 최종적으로 40개 문자의 바이트 스트링을 가지고, 이것이 계정 주소이다.

2. Account: UTXO 의 비효율성 해결, 스마트 컨트랙트 코드를 포함.

UTXO 는 비트코인 등 다른 블록체인에서 사용하고 있는 지갑 관리 방식이다. 관련 포스팅: Blochain과 Bitcoin은 무엇인가?

1) Account 의 구성 요소

• nonce: 해당 account 로부터 보내진 트랜잭션의 수, 0으로 시작, 트랜잭션을 오직 한 번만 실행되게 할 때 사용하는 카운터
• balance: 이더 잔고
• root: 해당 account 가 저장 될 머클 매트리시아 트리의 루트노드
• codehash: 스마트 컨트랜트 바이트 코드의 해시

지갑 (Wallet) 에는 키 값만 소유하고, 이더나 토큰에 대한 정보는 모두 블록체인 위 기록.

3. Message, Transaction

1) Transaction: EOA 의 개인키로 서명된 메시지 패키지, ECDSA(Ellictic Curve Digital Signature Algorithm) 이용해 서명

• AccountNonce: 발신자가 보낸 트랜잭션의 개수, 0으로 시작.
• Price: 수수료로 지급할 Gas 가격 (Wei)
• GasLimit: 최대 Gas 사용 범위
• Recipient: 수신처의 주소
• Amount: 전송할 이더의 양 (Wei)
• Payload: 옵션 필드, 스마트 컨트랙트 호출 시 필요한 매개변수 저장, Lack of state 해결
• V, R, S: 서명에 필요한 값들.

2) Message (내부 트랜잭션): CA 가 다른 CA 에서 보내는 트랜잭션, CA 가 보내기 때문에 서명이 되어 있지 않음.

• 상태변환: account 의 상태 변화로 표현

채굴과정

• 브로드캐스팅된 트랜잭션 중 아직 채굴되지 않은 트랜잭션 목록을 수집하고 유효하지 않은 트랜잭션을 필터링해야한다.
• 트랜잭션이 유효하기 위해서는 개인키로 적절하게 서명되어 있어야 하고, 계정에 트랜잭션을 수행하기 위한 충분한 잔액이 있어야 한다.
• 논스를 찾는 과정 - ethash 해싱 알고리즘 사용해 가능성 숫자 대입

현재 블록의 난이도 = 이전 블록의 난이도 + 이전 블록의 난이도//2048 * max(1-현재 블록 타임스탬프-이전 블록 타임스탬프)//10,-99) + int(2 ** ((현재 블록 번호 // 100000) - 2))

(//는 integer division)

4. EVM (Ethereum Virtual Machine): 코드가 플랫폼에 상관없이 작동하게 함.

5. Block

1) 비트코인과 이더리움의 블록 구조 차이

• 비트코인: 이전 블록헤더 해시, 타임스탬프, 트랜잭션 머클트리 루트, 논스
• 이더리움: (비트코인과의 차이점) 트랜잭션 리스트, 가장 최근 상태의 복사본, 블록 넘버, 난이도

2) Account 상태 저장

• 머클 패트리시아 트리
• 블록에 연결된 트리: 트랜잭션 머클 트리 루트, 리시트 (트랜잭션 수행 결과) 머클 트리 루트, 상태 머클 패트리시아 트리 루트
• account balance, contract data 효율적으로 관리하기 위함.
• 변경된 부분만 새로 저장하고 나머지는 이전 데이터 주소로 연결.

6. 블록 검증 알고리즘

블록 생성 시 수행하는 트랜잭션 자체에 대한 검증

트랜잭션 전체 수행 시 소모된 총 gas 가 블록의 gasLimit 를 초과하는지 검증

이전 블록 마지막 상태에서 시작해 모든 트랜잭션 수행 후 상태가 현재 블록에 기록된 상태인지 확인.

7. Gas

1) Gas Fee

가스 수수료는 이더리움에서 요구하는 자원의 양과 복잡도에 따라 가치가 결정되는 수수료. 단위는 Gas

2) Gas Price

Gas 당 트랜잭션 요청자가 지급할 금액, 단위는 Wei/Gas. Ether의 가치 변동에 따라 실질적으로 동일한 가치를 얻을 수 있도록 변경됨. 채굴자는 가스 가격이 높은 트랜잭션부터 실행한다.

3) Gas Limit

트랜잭션 수행에 소비될 총 가스 예상량 최댓값, Gas Limit이 넘는 경우 그 이상은 처리하지 않고 실행 전 상태로 되돌림. 하지만 Gas는 채굴자에게 지불된다. 만약에 컨트랙트 측에서 잘못이 있어도 지불할 Gas는 Gas Limit 을 넘지 않음. 남은 Gas는 지불처로 되돌아옴.

8. ERC 20 / ERC 721

ERC: Ethereum Request for comment

1) ERC 20

디앱 개발자들이 통화적인 가치를 주면서 새 토큰을 적용할 수 있께 함. 대신 토큰의 스마트 컨트랙트를 통해 토큰을 보내려고 하면 토큰 손실로 이어질 수 있음.

• ICO 에서 많이 사용, 서로 다른 기능을 하는 DApp 간 상호운용성 제공

2) ERC 223

토큰들이 스마트컨트랙트에서 한번에 다른 지갑으로 보내질 수 있도록 지원. 토큰 손실을 막음.

3) ERC 777

모든 사람들에게 스마트 컨트랙트 주소를 볼 수 있게 하고, 기능을 체크할 수 있게함. 트랜잭션이란 요구된 액션 검증에 사용

4) ERC 721

NFT(Non-Fungible Token), 공유될 수 없는 토큰

ERC-20 특성

• Total Supply (총 발행량)
• Transfer (송금)
• Balance of (잔액)
• Transfer From (유저간 송금)
• Approve (승인)
• Allowance (허용)

결제 수단으로 쓰면 토큰이 파괴되는 현상

9. 스테일 블록 (Uncle block)

1) 스테일 블록

비슷한 시간에 다음 블록을 채굴할 경우, 두 블록 모두 유효하지만, 최종적으로 높은 난이도를 가진 블록체인이 네트워크에서 허용됨.

버려지는 유효한 블록 = 스테일 블록

네트워크 내에서 생성된 총 스테일 블록의 수는 새로운 블록을 생성하기 위한 평균 시간에 반비례

스테일 블록의 문제점

• 트랜잭션의 확인을 지연.
• 보안에 영향, 블록체인 네트워크의 보안은 네트워크 내 채굴자의 전체 연산 능력으로 측정됨. 연산 능력 향상 시 난이도 올라감, 난이도가 높아질 수록 블록체인은 안전한 블록체인이 되고, 스태일 블록이 생길 수록 불필요한 해시파워가 사용되기 때문에 평균 블록 시간보다 오래 걸리는 생성 시간 때문에 난이도가 낮아져 보안을 떨어뜨린다고 볼 수 있다.

2) 고스트 프로토콜

스테일 블록을 메인 블록체인에 붙여서 전체 난이도를 상승시키는 방법으로 보안 문제 해결, 모든 블록은 0개 이상의 스테일 블록을 지정할 수 있고, 채굴자는 스테일 블록을 포함하거나 스테일 블록을 채굴한다면 보상을 받는다.

스테일 블록 내에 포함된 트랜잭션 수수료는 받지 않고, 확인을 계산하는 데 사용되지도 않는다.

3) 스테일 블록 채굴

스테일 블록 채굴자 보상 공식: (uncle_block_number + 8 - block_number) * (현재 보상 리워드) / 8, 나머지 보상은 orphan block (고아 블록)을 포함한 nephew block (조카 블록) 에게 간다.

고스트는 조카가 참조할 수 있는 최대 스케일 블록의 수를 제한해, 채굴자가 단순히 스테일 블록만 채굴하고 블록체인을 멈추지 않게 한다.

10. 포크

1) 일반 포크

둘 이상의 채굴자가 블록을 거의 동시에 채굴했을 경우에 발생하는 임시적 충돌, 둘 중 하나가 더 높은 난이도 가지고 있으면 해결

2) 소프트 포크

소스코드 변경 후 충돌 해결 위해 해시 파워의 50% 이상 채굴자의 업그레이드 필요한 경우 소프트 포크

3) 하드포크

모든 채굴자가 업그레이드 해야할 경우 하드 포크

출처: 이더리움 공식페이지, 마스터링 이더리움