1. 비트코인과 기존 개념들에 대한 소개
(1) 역사(History)
- 2009년 사토시 나카모토에 의해 처음 실제로 구현된 탈중앙화된 화폐는 공개키 암호방식을 통한 소유권 관리를 위해 사용되던 기존의 알고리즘을 ‘작업 증명(proof of work)’이라고 알려진 합의 알고리즘과 결합함으로써 가능하게 되었다.
- 작업증명의 기반이 되는 작동방식은 매우 혁신적이었는데, 이것은 두 가지 문제를 동시에 해결하기 때문이다.
- 첫째, 이것은 간단하면서도 상당히 효과적인 합의 알고리즘을 제공해주었다. 즉, 네트워크상에 있는 모든 노드들이 비트코인의 장부상태(state of the Bitcoin ledger)에 일어난 표준 업데이트의 집합(a set of canonical updates)에 공동으로 동의할 수 있도록 해주었다는 것이다.
- 둘째, 누구나 합의 프로세스에 참여할 수 있도록 허용해줌으로써 합의결정권에 대한 정치적 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 시빌공격(sybil attacks)도 방어해줄 수 있는 메커니즘을 제공했다.
(2) 상태변환시스템으로서의 비트코인
- 기술적인 관점에서 보았을 때, 비트코인과 같은 암호화 화폐의 장부는 하나의 상태변환시스템(state transition system)으로 생각해볼 수 있다. 이 시스템은, 현재 모든 비트코인의 소유권 현황으로 이루어진 하나의 “상태(state)” 와 이 현재 상태와 트랜잭션을 받아서 그 결과로써 새로운 상태를 출력해주는 “상태변환함수(state transition function)”로 구성되어 있다.
- 상태는 모든 계좌잔고 표(balance sheet)이고 트랜잭션은 A에서 B로 $X를 송금하라는 요청이며, 상태변환함수에 의해 A의 계좌에서는 $X가 감소하고 B의 계좌에서는 $X가 증가한다.
- 만약 처음에 A의 계좌에 있는 금액이 $X 이하였으면 상태변환함수가 에러를 리턴한다.
- 비트코인에서 "상태(state)"는 생성되었지만, 아직 사용되지 않은 모든 코인의 집합(기술적 표현으로는 '소비되지 않은 트랜잭션 출력', UTXO(Unspent Transaction Outputs))이다
- 각 UTXO들에는 각자의 코인 금액이 표시되어 있고 이 UTXO의 소유자(20byte의 주소로 정의되는 암호화된 공개키 정보가 들어 있다.
- 트랜잭션은 하나 이상의 입력(inputs) 및 출력을 포함한다. 각 입력에는 보내는 쪽 지갑 주소에서 선택된 기존 UTXO에 대한 참조정보와, 해당지갑주소에 대응되는 개인키(private key)가 생성한 암호화된 서명을 담고 있다. 그리고 각 출력은 상태에 추가될 새로운 UTXO정보를 가지고 있다.
- 상태변환함수 APPLY(S,TX) -> S' 는 다음과 같이 정의할 수 있다.
- TX의 각 입력에 대해 :
- 만약 참조된 UTXO가 S에 없다면, 에러를 리턴.
- 만약 서명이 UTXO의 소유자와 매치되지 않으면, 에러를 리턴.
- 만약 입력에 사용된 UTXO들 금액의 합이 출력 UTXO들 금액의 합보다 작으면, 에러를 리턴.
- 입력에 사용된 UTXO가 삭제되고 출력 UTXO가 추가된 S를 리턴.
여기서 1번의 첫 번째 과정은 존재하지 않는 코인이 트랜잭션에 사용되는 것을 막기 위한 것이고 1번의 두 번째 과정은 다른 사람의 코인이 트랜잭션에 사용되는 것을 막기 위한 것이다. 위 절차를 실제 비트코인 지급과정에 적용하면 다음과 같다. Alice가 Bob에게 11.7 BTC를 보내고 싶다고 가정하자. 먼저 Alice 지갑 주소로부터 표시된 금액의 합이 적어도 11.7 BTC 이상인 UTXO의 집합을 찾는다. 실제 대부분은 11.7 BTC를 정확히 바로 선택할 수 없다. Alice의 지갑 주소에서 각각 6, 4, 2 BTC 가 표시된 3개의 UTXO를 참조할 수 있다고 하자. 이 3개의 UTXO가 트랜잭션의 input이 되고 2개의 output이 생성된다. Output 중 하나는 11.7 BTC가 표시된 새로운 UTXO이며 소유자는 Bob의 지갑 주소가 된다. 그리고 다른 하나는 12(6+4+2) - 11.7 = 0.3 BTC의 "잔돈(change)"이 표시된 새로운 UTXO이며 소유자는 Alice 자신의 지갑 주소가 된다.
(3) 채굴
- 비트코인에서는, 탈중앙화된 통화시스템을 구축하고자 하는 것이며, 이를 위해서는 모든 사람이 수긍할 수 있는 트랜잭션 순서 합의 시스템을 상태변화시스템과 결합해야만 한다.
- 비트코인의 분산 합의 과정은 네트워크에 "블록(blocks)"이라 불리는 트랜잭션 패키지를 계속 생성하고자 시도하는 노드들을 필요로 한다.
- 이 네트워크는 약 10분마다 하나의 블록을 생성하도록 계획되어 있고 각 블록은 타임스탬프, 논스(nonce), 이전 블록에 대한 참조(이전 블록의 해시), 그리고 이전 블록 이후에 발생한 모든 트랜잭션의 목록을 포함한다.
- 이 과정을 통해서 지속해서 성장하는 블록체인이 생성되게 되는데, 비트코인 장부의 최신상태(state)를 나타내기 위해 지속적인 업데이트가 이루어진다.
- 블록 유효성 검증 알고리즘에서 특징적인 부분은 "작업증명(proof of work)"의 조건 즉, 256 비트 숫자로 표현되는 각 블록의 이중-SHA256 해시값이 동적으로 조정되는 목표값(이더리움 영문 백서를 작성하는 시점에서 대략 2187)보다 반드시 작아야 된다는 조건이다.
- 작업증명의 목적은 블록 생성을 계산적으로 어렵게 만들어서 sybil 공격자들이 마음대로 전체 블록체인을 조작하는 것을 방지하는 것이다. SHA256은 전혀 예측불가능한 유사난수 함수(pseudorandom function)로 설계되었기 때문에 유효 블록을 생성하기 위한 유일한 방법은 블록헤더의 논스(nonce) 값을 계속해서 증가시키면서, 생성되는 새로운 해시값이 위의 조건을 만족하는지 확인하는 과정을 반복하는 것 뿐이다.
- 일반적으로 이 목표값은 매 2016개의 블록마다 네트워크에 의해 재조정되어서 네트워크의 현재 노드들이 평균적으로 10분마다 새로운 블록을 생성할 수 있도록 한다. 이러한 연산작업에 대한 보상으로 현 시점의 각 블록의 채굴자들은 25 BTC를 획득할 자격을 가진다. 그리고 출력금액보다 입력금액이 큰 트랜잭션이 있다면 그 차액을 "트랜잭션 수수료(transaction fee)"로 얻는다. 이것이 BTC가 발행되는 유일한 방법이며, 원시상태(genesis state)에는 아무런 코인이 포함되지 않았다.
채굴 목적을 더 잘 이해하기 위해서, 악의적인 공격자가 있을 때 어떤 일이 발생하는지 알아보자. 비트코인의 뼈대를 이루는 암호기법은 안전한 것으로 알려져 있다. 그러므로 공격자는 비트코인 시스템에서 암호기법에 의해 직접 보호되지 않는 부분인 '트랜잭션 순서'를 공격 목표로 잡을 것이다. 공격자의 전략은 매우 단순하다.
1. 어떤 상품(가급적이면 바로 전달되는 디지털 상품)을 구매하기 위해 판매자에게 100 BTC를 지불한다.
2. 상품이 전송되기를 기다린다.
3. 판매자에게 지불한 것과 같은 100 BTC를 공격자 자신에게 보내는 트랜잭션을 생성한다.(이중지불 시도)
4. 비트코인 네트워크가, 공격자 자신에게 보내는 트랜잭션이 판매자에게 지불하는 트랜잭션보다 먼저 수행된 것으로 인식하도록 한다.
- 1번 과정이 발생하고 몇 분 후에 몇몇 채굴자가 그 트랜잭션을 블록에 포함할 것이다. 이 블록 번호를 270000이라 하자. 대략 1시간 후에는 이 블록 다음의 체인에 5개의 블록들이 추가될 것이다. 이 5개의 블록들은 위 1번 트랜잭션을 간접적으로 가리킴으로써 "컨펌(confirming)"한다. 이 시점에서 판매자는 지불이 완료된 것으로 판단하고 상품을 전송할 것이다. 디지털 상품으로 가정했으므로 전송은 바로 끝난다. 이제 공격자는 판매자에게 보낸 것과 동일한 100 BTC를 공격자 자신에게 보내는 다른 트랜잭션을 생성한다. 만약 공격자가 그냥 단순하게 트랜잭션을 시도한다면, 채굴자들이 APPLY(S,TX)를 실행하고 이 TX는 상태에 더 이상 존재하지 않는 UTXO를 소비하려 한다는 것을 알아차리므로 이 트랜잭션은 진행되지 않는다. 그러므로 대신에, 같은 부모 블록 269999을 가리키지만 판매자에게 보낸 것을 대체하는 새로운 트랜잭션이 포함된 다른 버전의 블록 270000을 채굴함으로서 블록체인 "분기점(fork)"을 생성한다. 이 블록 정보는 원래 것과 다르므로 작업증명(proof of work)이 다시 수행되어야 한다. 그리고 공격자의 새버전 블록 270000은 기존 270000과 다른 해시를 가지므로 원래 블록 270001부터 270005는 공격자의 블록을 가리키지 않는다. 그러므로 원래 체인과 공격자의 새로운 체인은 완전히 분리된다. 이러한 분기점에서 비트코인 네트워크의 규칙은 가장 긴 블록체인을 참으로 인식하는 것이다. 공격자가 자신의 체인에서 혼자 작업을 하는 동안 정당한 채굴자들은 원래의 270005체인에서 작업할 것이기 때문에 공격자 자신의 체인을 가장 길게 만들기 위해서는 네트워크의 다른 노드들의 계산능력 조합보다 더 큰 계산능력을 가져야 한다.(이를 51% attack이라 한다.)
