블록체인(개념)-채굴,작업증명,보상

채굴

• 채굴은 일반인들이 비트코인을 쉽게 이해할 수 있도록 만든 용어로서, 작업 증명(Proof of Work)과 보상을 합친 개념이라고 생각하면 된다.

Proof of Work(작업 증명)

• 작업 증명은 새로운 블록을 블록체인에 추가하는 '작업'을 완료했음을 '증명'하는 것이라고 이해하면 된다. 새로운 블록을 블록체인에 추가하려면, 그 새로운 블록의 블록 해쉬를 계산해내야하고, 그 블록 해쉬를 계산해내려면 그 블록의 블록 헤더 정보 중의 하나인 nonce값을 계산을 통해 구해야 한다.

결론적으로 이 nonce값을 구하는 것이 바로 작업 증명이다.

nonce 값의 계산

• 결론부터 말하면 nonce 값은, 이 nonce 값을 입력값 중의 하나로 해서 계산되는 블록 해쉬값이 특정 숫자보다 작아지게 하는 값을 말한다.

• 그리고 해쉬 함수의 특성상, 어떤 해쉬값(A라고 하면)을 결과로 나오게 하는 입력값을 찾으려면, A에서 역산을 하는 방식으로는 찾을 수 없고, 결과가 A가 될 때까지 무작위로 입력값을 계속 바꿔가면서 찾아낼 수 밖에 없다.

• 그 입력값을 바꿀 수 있는 유일한 통로가 바로 nonce다. 다시 말해, 아래 그림의 '블록 헤더'란에 포함된 6가지 정보 중에서 확정되지 않아서 값을 바꿀 수 있는 유일한 항목이 nonce다.

• 이 nonce 값을 1씩 증가시키면서 반복적으로 계산한 블록 해쉬값이 특정 숫자보다 작은 값이 나오면, 그 때의 nonce 값으로 계산한 블록 해쉬가 그 블록의 블록 해쉬로 확정되고, 블록 해쉬라는 식별자를 얻은 그 블록은 새로운 블록으로서 블록 체인에 추가되며 작업이 완료 된다.

• 블록 해쉬가 특정 숫자보다 낮게 나올 떄의 nonce 값이 바로 작업 증명을 나타내는 nonce 값이다.

• 앞에서 설명한 대로 nonce 외의 모든 항목의 값은 이미 정해져 있다.

• nonce 값이 0 일 때의 해쉬를 구해보니 000000a84...보다 큰 fa8cbaeed... 가 나와서 작업 증명에 실패 했다.

• 다시 nonce가 1 일 때의 해쉬를 구해보니 932d16e2e... 가 나와서 또 실패.. nonce가 2 일 때의 해쉬, 3 일 때의 해쉬.. 를 계속 반복해서 구하고 실패하다가, nonce가 82,764,351 일 때의 해쉬를 구해보니 드디어 000000a84... 보다 작은 000000a83...이 나와서 작업 증명에 성공했다.

• 그렇다면 작업 증명 성공 여부의 기준이 되는 000000a84...라는 값은 어떻게 정해지나?

• 바로 작업 난이도에 의해 정해진다(앞의 그림에서는 이해를 돕기 위해 작업 난이도보다는 더 구체적인 채굴 난이도로 표시했으나, 이제 그 작업이 무엇인지 알았으니 앞으로는 작업 난이도라고 한다.)

작업 난이도

• 블록 해쉬가 특정 숫자보다 낮게 나올 때의 nonce 값을 찾아내는 것이 작업 증명이라고 했다. 작업 난이도는 nonce 값 계산의 어려운 정도를 나타낸다. 작업 난이도는 블록 헤더 정보에서 bits라는 값으로 조절된다.

• 앞에서 블록 해쉬는 32바이트의 숫자라고 했는데, 이해를 쉽게 하기 위해 블록 해쉬를 부호 없는 1바이트의 숫자라고 해보자. 그럼 1바이트의 숫자값을 블록 해쉬값으로 산출하는 해쉬 함수는 0 ~ 255 사이의 값을 결과로 산출한다.

• 블록 해쉬가 128보다 작아야 한다고 하면, 0 ~ 255 사이의 값을 산출하는 해쉬 함수를 적용해서 128보다 작은 블록 해쉬값이 나올 확률은 128보다 작은 수(0~127)의 개수 = 128/해쉬 함수가 산출할 수 있는 모든 값(0~255)의 개수 = 256, 즉, 128/256이므로, 50%의 확률이다.

• 블록 해쉬가 64보다 작아야 한다면 64/256, 즉 25%의 확률로 nonce 값을 구할 수 있다. 블록 해쉬가 32보다 작아야 한다면 확률은 12.5%로 줄어든다. 여기서 128, 64, 32라는 특정 숫자가 바로 블록 헤더 정보의 bits이다.

• 실제로 bits의 값이 128, 256 이런 식으로 저장되지는 않고, 지수와 계수를 사용하는 별도의 표현 방식이 있다.

• 난이도는 2,160개의 블록이 생성되는데 소요되는 시간이 평균 시간인 21,600분(10분/블록 * 2,160블록)보다 오래 걸리면 낮아지고, 적게 걸리면 높아지는 방식으로, 대략 21,600분을 주기로 전체적으로 평균 10분이 소요되는 하나의 난이도가 전체에 적용된다.

• 블록 헤더의 bits는 nonce 값을 계산하는데 기준이 되는 특정 숫자를 나타내며,
  블록체인 전체에 걸쳐 일률적으로 적용되는 숫자다.

보상

• 보상은 새로 발행되는 비트코인과 해당 블록에 포함되는 거래의 거래 수수료의 합이다. 비트코인의 새로운 발행은, 채굴자가 블록을 처음 구성할 때 채굴자의 지갑으로 일정량의 비트코인이 입금되는 거래를 그 블록의 첫 거래(generation transaction)로 추가하는 방식으로 이루어진다. 새로 발행되는 비트코인은 최초에 50BTC에서 시작해서 블록 체인에 21만개의 블록이 추가될 때마다 절반으로 줄어든다.

• 거래 수수료는 각 거래 당사자끼리 자율적으로 정할 수 있고, 거래가 블록에 추가되는 우선 순위를 결정하는데 거래 수수료가 입력값으로 사용되기도 한다.

• 보상은 nonce 값을 찾아내고, 그 결과 새로운 블록을 블록 체인에 추가해서,
  해당 블록에 포함된 모든 거래를 유효한 거래로 확정시켜준 대가라고 할 수 있다.

채굴 보상이 줄어든다면 채굴에 의해 유지되는 블록체인이 지속될 수 있나?

• 비트코인의 총 발행량은 2,100만BTC로 정해져 있다. 결국 채굴하더라도 언젠가는 비트코인은 더 이상 발행되지 않으므로, 거래 수수료만이 유일한 보상으로 남게 된다.

• 어떤 상황에서든 채굴이 의미가 있으려면, 채굴에 소요되는 비용보다 수익이 더 커야하며, 이는 비트코인의 신규 발행이 없는 상황에서도 마찬가지다. 이 조건을 만족시켜야 채굴이 계속되고 블록체인이 지속될 수 있다. 비트코인 신규 발행이 없는 상황에서 이 조건이 만족되려면 다음과 같은 시나리오가 충족되어야 한다.

채굴 비용의 감소

• 채굴 비용의 감소는 결국 작업 증명 해답을 찾는데 얼마의 시간이 소요되느냐에 달려있다. 이는 작업의 난이도에 달려 있으므로, 거래 수수료만이 유일한 보상인 상황에서 블록체인이 유지되려면 작업의 난이도가 현재보다 더 낮아져야 한다.

거래 수수료의 증가

• 거래 수수료의 증가는 결국 거래 수수료율의 증가를 의미하는데, 거래의 성격과 다른 화폐와의 경쟁 등 시장 상황에 따라 정해지겠으나 대폭 높아지기는 어려울 것이다.

• 신규 발행이 사라지는 2140년 경 이후에는 결국은 채굴 난이도가 낮아지는 방식으로 블록체인이 유지될 것이다.