The Mechanics of Blockchain

블록체인은 어떻게 중앙 서버 없이 신뢰를 만들어 내는 걸까?

Data structures

먼저 자료 구조 관점에서 살펴보자.

Block 에 대해서 설명하면 블록은 데이터를 담는 그릇이다. 비트코인의 경우 약 10분 동안 일어난 약 2,000~3,000개의 거래 내역(Transaction)이 하나의 블록에 담긴다. 그리고 각각의 블록은 독립적으로 존재하지 않는다. 모든 블록은 자신의 헤더에 '직전 블록의 해시값(Previous Block Hash)' 을 포함하여 체인(chain)을 구성한다. 이러한 연결 구조와 Hash 함수를 사용하는 덕분에 해커가 거래 내역을 단 1비트만 수정하더라도 블록 해시값이 변경되어 검증에 실패하게 된다.

Network

다음으로는 네트워크 관점에서 살펴보자.

기존 시스템(Client-Server)에서는 하나의 중앙 서버가 원본을 가진다. 하지만 블록체인은 P2P(Peer-to-Peer) 네트워크를 사용한다. 전 세계 수만 개의 노드(컴퓨터)가 모두 똑같은 장부(블록체인) 를 복사해서 가지고 있다. A가 B에게 1BTC 를 보내면, 이 사실이 전 세계 노드들에게 전파(Broadcast) 되며, 모든 노드는 각자 이 거래가 유효한지(잔고는 있는지, 서명은 맞는지) 검증한다.

Consensus: Pow

다음으로는 합의 관점에서 살펴보자.

P2P 네트워크의 치명적인 약점은 "순서(Order)" 를 정하기 어렵다는 것이다. 한국에 있는 노드와 미국에 있는 노드가 서로 다른 순서로 거래를 기록하면 장부가 갈라진다. 이를 해결하기 위해 비트코인은 '리더 선출' 시스템을 도입했다.

수학 퍼즐 풀기(Mining):

  • 모든 참여자(채굴자)는 블록을 생성할 권한을 얻기 위해 엄청난 컴퓨팅 파워를 써서 수학 문제(Nonce 찾기)를 푼다.
  • 비트코인에서 리더를 선출하는 방법이 바로 해시 퍼즐(Hash Puzzle) 이다. 특정 순간에 해시 퍼즐을 가장 먼저 해결한 단 하나의 노드에게만 기록할 수 있는 권리가 주어진다.
  • 리더의 역할은 '거래의 순서를 정하는 것' 이다.

PoW 를 뚫고 선출된 리더(채굴자)가 멤풀(대기실)에 떠다니는 수천 개의 거래 중 유효한 것을 골라 블록에 담고 순서를 매긴다. 다른 모든 노드들은 이 블록을 검증할 때, 리더가 정한 순서대로 잔고를 계산한다.

  • 리더 - "이번 10분 동안 일어난 거래의 순서는 내가 정한다. 내 블록 장부에 따르면 밥에게 보낸 거래(Tx A)가 첫 번째다. 그러므로 뒤늦게 발견된 찰리에게 보낸 거래(Tx B)는 잔고 부족으로 무효(Invalid)다."

가장 긴 체인 규칙 (Longest Chain Rule):

  • 누군가 문제를 풀고 블록을 전파하면, 다른 노드들은 이를 검증하고 자신의 장부에 추가한다. 만약 동시에 두 명의 리더가 나왔다면? "더 많은 작업량(누적 난이도)이 들어간 체인" 을 진짜로 인정하고 나머지는 버린다.

이 규칙 덕분에 전 세계 노드들은 중앙 관리자 없이도 단 하나의 '합의된 진실(Consensus)' 을 유지할 수 있다.

Why verification is necessary

검증이 필요한 이유는 리더가 정직하게 행동했는지, 위변조 등의 조작을 통해 자신에게 유리하도록 악위적인 행위를 하진 않았는지를 확인해야 한다. 즉, '신뢰'를 위해서 '검증'이 필요한 것이다. 즉, 검증은 리더가 정직하게 기록했는지 확인하는 과정 이다. 이 검증은 모두가 참여할 수 있다.

생성된 블록들이 브로드캐스팅되면 전체 노드에게 전달되고, 각 노드는 블록이 도달하는 즉시 블록의 무결성을 검증 한다. 무결성 검증은 크게 두 가지를 점검한다. 하나는 해시 퍼즐의 정답을 찾은 것이 맞는지 확인하고, 다른 하나는 블록에 기록된 트랜잭션이 조작되지 않고 원래 네트워크에 제출됐던 그대로인지 확인하는 것이다.

이 두 검증은 해시함수와 전자서명, 비대칭 암호화 기법을 활용해 순식간에 이뤄진다.

Lifecycle of a Transaction

  • 서명(Sign): Alice 가 Bob 에게 1 BTC를 보내는 거래를 생성하고 개인키로 서명한다.
  • 전파(Broadcast): 거래가 P2P 네트워크를 통해 전파되어 멤풀(Mempool) 이라는 대기실에 들어간다.
  • 채굴(Mining): 채굴자가 멤풀에서 거래를 꺼내 블록을 만들고, PoW 퍼즐을 푼다.
  • 검증(Validation): 퍼즐을 푼 채굴자가 블록을 전파하면, 다른 노드들이 이를 검증한다.
  • 확정(Confirm): 검증된 블록이 체인에 연결되고, 이후 6개 이상의 블록이 더 쌓이면 거래는 되돌릴 수 없는 상태(Finality)가 된다.

References

  • 비트코인의 탄생부터 블록체인의 미래까지 명쾌하게 이해하는 비트코인·블록체인 바이블 / 장세형 저
  • 비트코인과 블록체인 가상자산의 실체 2/e / 이병욱 저