Ethereum
Vitalik Buterin이 2013년에 제안한 BlockChain 시스템이며 Bitcoin을 확장했다고 볼 수 있다. 대표적인 특징으로 EVM(Ethereum Virtual Machine)과 Smart Contract 등이 있다.
Ethereum의 특징
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한 블록의 평균 크기는 2KB
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EVM을 통해 Smart Contract실행이 가능
↪Smart Contract는 Turing Complete하다고 표현된다. -
BitCoin은 총 발행량이 2,100만개로 반감기가 있지만 이더리움은 정해진 총 발행량이 없다.
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Bitcoin은 Longest Chain을 선택하는 프로토콜을 사용하지만 Ehereum은 Heaviest Chain을 선택하는 프로토콜을 사용한다.
↪ Bitcoin은 height가 제일 높은 Chain을 선택하지만, Etereum같은 경우는 Subtree가 많은 체인을 선택한다. -
Uncle Block을 채굴한 Miner에게도 어느정도 보상을 제공한다
↪ Uncle Block이란 Bitcoin에서 Orphan Block과 메인 네트워크에 영향을 주지 않는다는 점은 비슷하다. 🥲
Account
EOA(Externally owned accounts)
Private Key를 통해 사용하며 새로운 transaction을 생성할 수 있다.
CA(Contract accounts)
Contract Code를 통해 사용하며 CA는 스스로 새로운 transaction을 생성할 수 없다
Account State
- nonce : EOA에서의
nonce는 EOA에서 Tx를 생성할 때 마다 증가하며, CA에서의nonce는 account에 의해 Contract가 생성될 때 마다 증가한다 - balance : 해당 주소의 소유
Wei의 총 합 - storageRoot : Storage trie의 Root Node를 hashing한 값
- codeHash : CA에서의
codeHash는 EVM을 통해 만들어진 hash값이며 EOA에서는 빈 문자열을 hashing한 값이다
Trie
이더리움에서 트리는 Merkle Patricia Trie를 이용하며 모든 block의 header에는 State Trie, Transaction Trie, Recipts Trie의 root값이 존재한다
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State Trie : 위에서 알아본 Account State들이 주로 저장된다.
↪key값은 account 값이고value값은 accout의 state로 [nonce, ..., storageRoot]값으로 구성되어 있다. -
Transaction Trie : 각각의 block으로부터 구분되어 있으며 block이 mining된 이후엔 update되지 않는다.
↪key값은 block내에서 transaction의 index값이며value값은 nonce, gas price 등으로 구성되어 있다
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Recipts Trie : transaction의 결과에 대해 저장하며 transaction의 영수증과 같은 역할을 한다
↪key값은Transaction Trie와 같이 block내에서 transaction의 index값이며value값은 gas used, post-trx state 등으로 구성되어 있다 -
Storage Trie : Contract상의 유지되는 데이터 등이 저장된다
Fee
Ethereum에서는 transaction의 gas fee와 storage fee를 이용하여 반복문의 무한반복, 네트워크 공격 등에 대한 문제를 대비했다.
Gas & Gas limit
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Gas : Transaction을 실행하기 위한
fee -
Gas Price : Transaction을 위해 사용할 Gas의 단위
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Gas limit : Transaction을 위해 사용할 최대 Gas량을 의미하며 Transaction실행 후 잔액은 반환
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Max transaction fee : Transaction실행을 위해 사용할 Gas와 Gas limit을 곱한 값으로 Transaction실행 후 잔액은 반환
✏️ Max transaction fee
0.001 eth= Gas Price20gwei× Gas limit50,000
Storage fee
사용한 Storage 만큼의 fee가 사용되며 최소 32byte에 비례해서 fee가 사용된다.
Contract를 이용해 사용한 storage를 초기화 한다면 일부 gas fee를 반환받을 수 있다.
자세한 내용은 이더리움 황서에서Appendix G부분에서 확인 가능하다
Transaction & Messages
이더리움에서는 Transaction뿐만 아니라 Internal Transaction(Messages)으로 구분되는 Transaction이 있다
Transaction
Transaction의 구성 요소
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nonce : sender가 보낸 Transacion의 counting된 수
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gas Price : Transaction을 위해 사용할 Gas의 단위
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gas Limit : Transaction을 위해 사용할 최대 Gas량을 의미하며 Transaction실행 후 잔액은 반환
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to : Transaction을 받는 주소
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value : 보내는
Eth, 혹은Wei의 양
↪ ✏️ Contract를 생성하는 Transaction에도 사용가능하며 이 경우, Contract의 최초 셋팅 balance이다 -
v, r, s : 서명한 sender를 식별할 수 있는 요소
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init : Contract를 생성하는 Transaction에만 존재하며 최초의 Contract의 셋팅값을 포함해 CA를 초기화하며 이후 byte code를 리턴한다
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data : message call에만 존재하는 optional Field이며 parameter등이 들어간다.
🤔 Transaction을 검증 하기 위해서 누가 보낸 Transaction인지를 알아야 하지만 from항목이 없다.
이더리움 Transaction에서는 from 대신v,r,s라는 요소를 넣어 검증을 하는데v,r,s는 각각 ECDSA에 의해 생성된 전자 서명r,s와 어떤 공개키인지를 추측할 수 있는v로 구성되어 있다.
↪ ECDSA를 검증하는 자세한 과정은 여기에서 찾아보자.
Internal Transaction (Messages)
Internal Transaction은 Contract에 의해 호출된 Transaction을 의미한다
🧐 Internal Transaction에서 연산 등을 위한 gas는 최초의 실행시킨 EOA가 지불한다.
Execution
모든 Transaction 실행 조건
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RLP 포멧으로 셋팅
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Transaction의 Signature 검증
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Transaction의 nonce와 sender account의 nonce와 같은지 확인
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Transaction의 gas Limit이 기본적으로 사용되는 gas들의 합보다 많은지 확인
↪Transaction을 실행하기 위해 필요한 기본 21,000gas를 포함해 사용할 Storage fee 등을 계산한다 -
sender의 account에 있는 balance가 지불할 금액보다 많은지 확인
𖤐 Transaction의 Storage fee는
4 * X + 68 * Y로 계산한다.
↪ X는 byte code로 변경했을 때 0인 값이고, Y는 0이 아닌 다른 수인 값이다.
𖤐 조건이 확인되면 Transaction은 아래와 같은 순서로 실행된다
1. sender의 balance에서 지불할 금액과 Gas를 제한다
2. sender의 account nonce의 값에 1을 더한다
3. subState을 추척한다
↪ Transaction을 실행시키는 중에 trie에 직접 접근할 수 없으니 trie에서 필요한 데이터를 불러와 임시로 저장하는 subState를 사용한다.
4. 필요한 여러가지 연산을 한 후 refund amount를 계산하여 sender에게 반환한다.
↪ refund amount는 사용하지 않은 gas(unused gas) + 사용하던 storage 초기화하여 받는 refund(refund of clearing up storage)로 계산한다
5. 반환받지 않은 gas는 Miner에게 지급되며 이를 위해 Block에 gas counter에 더한다
6. Transaction이 종료되며 subState에 있는 지워질 account들은 삭제한다
↪삭제라는 표현을 사용했지만 실제로 삭제가 아닌 Account State에서 nonce와 balance는 0으로, storageRoot는 NULL값, codeHash는 빈 문자열을 hashing한 값을 넣어 초기화 한다
subState에는
Self-destruct set,Log series,Refund balance가 있다.
- Self-destruct set : Transaction 실행 후 삭제될 amount의 리스트
- Log series : log 리스트
- Refund balance : sender가 반환받을 금액
Block
이더리움의 Block은 BlockHeader, Transaction의 정보, ommer Block의 header 등으로 구성되어 있다
Block Header
Block Header의 구성 요소
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parentHash : previous Hsah를 의미하며 이전 블록의 주소값
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uncleHash : 현재 블록의 uncle block 리스트
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beneficiary : Miner의 주소
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stateRoot : state trie의 root Node를 hashing한 값
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transactionRoot : transaction trie의 root Node를 hashing한 값
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reciptseRoot : recipts trie의 root Node를 hashing한 값
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logsBloom : log 정보를 담은 Bloom filter
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difficulty : 해당 블록의 난이도
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number : 현재 블록의 번호
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gasLimit : 블록에 포함된 Transaction들의 총 Gas Limit 값
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gasUsed : 블록에 포함된 Transaction들에서 사용한 총 Gas 값
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timestamp : 현재 블록 생성시간을 Unix timeStamp로
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extraData : Block의 여유 공간
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mixHash : 이더리움의 PoW 알고리즘 Ethash의 mixing된 값을 저장
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nonce : 이더리움의 PoW 알고리즘 Ethash에서 사용하는 값
Uncle (Ommer, Stale) Block
fork된 Block으로 메인 네트워크에는 영향을 주지 못하는 Block
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메인 네트워크에 존재하는 Block은 Stale Block을 Uncle Block으로 제안할 수 있다.
↪Uncle Block을 제안할 수 있는 최대 갯수는 2개이며 검증을 통해 진행되고 Uncle Block으로 확정되면 블록 체굴보상의 1/32를 보상받는다 -
Uncle Block을 Mining한 Miner도 보상을 받는다.
↪ Uncle Block Mining Reward = × 기존의 채굴 보상
↪ : Uncle Block의 nonce , : 현재 Block의 nonce✏️ 현재 Block의 nonce와 Uncle Block의 nonce가 같을 경우 기존의 채굴 보상을 받는 것이 이닌 fork로 처리 되어 어떤 체인을 선택하느냐로 나뉘기 때문에 Uncle Block Mining Reward는 없다
EVM & Contact
Contract
solidity를 이용한 어떤 상태를 다른 상태로 변환 시킬수 있는 기능을 포함한 계약을 위한 스크립트 언어로 작성된 프로그램
Contract 생성시 초기화
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nonce는 0으로 설정한다.
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Contract를 생성하는 Transaction에 value값이 있다면 value값을 넣어 balance를 설정하고 sender의 balance에서 제한다.
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storage는 null값을 넣고, codeHash에는 빈 문자열을 hashing한 값을 넣어 설정한다.
📌 최초의 생성시 이더리움 황서에 나와있는 Gas비가 사용되며 사용하는 Storage용량에 비례하여 추가로 더 Gas를 사용한다.
𖤐만약 가스비가 모자른 상황(out-of-gas)이 발생할 경우 상태는 Transaction이 실행되기 전으로 돌아가지만 sender는 Gas를 반환받을 수 없다.
Ethereum Virtual Machine (EVM)
EVM을 통해 모든 Node들은 Contract를 실행할 수 있으며 32bytes 스택기반의 아키텍쳐이다.
특징
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volatile memory : 실행 중에만 사용하는 변수들이 들어가며
stack,arguments,memory를 사용한다 -
non-volatile memory : 실행 이후에도 지속되는 변수들이 들어가며
code,storage를 사용한다.
↪ ✓ 실행 이후에도 지속되는 변수는 Storage Trie에 저장되므로 용량의 크기에 따라 Storage fee가 발생한다
