[개념] 블록체인이란? :: 공개키 암호화, 해시 함수, 합의, 채굴, 작업 증명, 지분 증명, 머클 트리

 

블록체인은 떠오르는 기술 중 하나입니다.

기존의 중앙 집중화된 형태가 아니라 분산된 형태로 작동함으로서 여러 보안적인 측면을 달성할 수 있는 기술입니다.

 

주의할 점은 암호 화폐, 즉 비트코인과 블록체인은 다른 것임을 알야아 합니다.

비트코인이나 이더리움 등은 P2P 기반 Blockchain 을 이용한 '전자 화폐'이지, 기술 자체가 아닙니다.

 

그럼 이 포스팅에서는 비트코인같은 전자 화폐의 기술적 토대인 Blockchain 에 대해 알아보도록 하겠습니다.

이는 추후 블록체인 프로젝트와 관련된 포스팅 전에 블록체인의 개념에 대해 한번 짚고 넘어가기 위함이고, 기본적인 개념에 대해서만 다루겠습니다.

 

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블록체인이란?

block + chain 이라는 말 그대로, 블록체인은 데이터를 '블록' 단위로 관리하고, 이 블록들을 '연결'하여 데이터 무결성을 제공하는 기술입니다.

어떻게 연결하는 것을 통해 무결성이 입증되는지, 어떻게 '수수료'가 있는지, 또 분산해서 저장하는 이유가 무엇인지를 아래 블록체인의 기술들을 통해 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

공개키 암호화

공개키 암호 알고리즘(비대칭키 암호 알고리즘)은, 암호화와 복호화에 다른 key 를 사용(공개키, 개인키)하여 공개키를 통해 어떤 사람이라도 암호화를 할 수 있고, 그렇게 암호화된 내용은 해당 공개키의 쌍인 개인키 (공개키의 소유자만 가짐) 로만 복화화할 수 있는 암호 알고리즘입니다.

때문에 기존의 대칭키 암호 알고리즘은 같은 키를 사용해 암복호화를 수행하는 것과 대비되며, 수학적 이론을 바탕으로 만들어져서 대칭키 암호 알고리즘보다 어렵고 연산이 복잡하다는 특징이 있습니다.

공개키 암호 알고리즘에는 RSA (소인수분해 문제 이용), ElGamal (Discrete Logarithm 문제 이용) 등이 있습니다.

 

이론적으로, 개인키가 없다면 공개키로 암호화된 내용은 복호화하기 어렵습니다. 이 '어려운' 요소 (소인수 분해, Discrete Logarithm 등 NP-hard 문제들) 로 인해 공개키 암호 알고리즘의 안전성이 보장되고 있는 것입니다.

이런 공개키-개인키는 상호 연관적이며, 어떠한 공개키의 개인키는 해당 키 쌍을 갖는 소유자만이 알 수 있으므로 전자 서명에도 이용됩니다. (전자 서명의 경우 개인키로 서명을 생성, 공개키로 서명을 검증)

다른 말로 하면, 어떠한 개인키로 서명한다는 것은, 해당 소유자 외에는 불가능한 작업이므로 소유자를 입증할 수 있습니다.

 

블록체인에서는 '사용자 계정'이 공개키-개인키 쌍으로 관리됩니다.

즉, 블록체인 플렛폼에서 암호화폐는 공개키로 식별되는 계정에 저장되고, 이 계정을 사용하기 위해서는 해당 공개키에 해당하는 개인키가 있어야 합니다. 개인키가 있다면, 계정주임이 확인되며 계정주는 개인키로 자신의 자산을 관리할 수 있게 되는 것입니다. 다시 말하지만, 이렇게 공개키-개인키로 검증을 할 수 있는 것은 공개키 암호 알고리즘의 기반이 되는 수학적 이론입니다. (우리는 그 이론에 기대어 지금껏 전자 결제 시스템 등을 사용하는 것이죠. 만일 NP-hard 문제를 누군가가 풀어버린다면..... (사실상 이론적으로 풀지 못하는 영역이라고는 하지만, 여태 명확한 증명은 없는 상황))

 

그럼, 개인키 분실되면 계정을 다시 찾을 수 없나요?

네.

www.mk.co.kr/news/economy/view/2021/01/40735/

"153조원 날아갈 판"…비트코인 370만개 비밀번호 몰라 못 찾는다

아니, 비밀번호 찾기 같은 기능이 없나요? 라고 할 수 있지만,

위에서 설명한대로 공개키를 아는 것으로 개인키를 알아낼 수 없으며,

우리가 보통 사용하는 서비스가 비밀번호 찾기 기능이 존재하는 것은 '중앙화된 서버'에 사용자 정보(아이디, 비밀번호 등)를 저장하기 때문입니다.

블록체인은 중앙화된 서버가 아니라 어디서 공개키와 개인키 쌍을 찾아올 수 있는 구조가 아니며, 만일 단순히 공개키-개인키를 그냥 저장해두고 찾아주는 서비스가 있다면 수많은 해킹 공격에 노출될 것입니다.

 

블록체인은 공개키-개인키를 이용하여 개인을 식별하고, 개인의 거래 내역을 증명합니다.

즉, 거래(transaction)는 거래 내역 + 상대방의 공개키을 해시한 값을 자신의 개인키로 전자서명함으로 사용자 인증과 거래 내역의 위조 불가능성을 제공합니다. (해시하는 이유는 전자서명의 재사용 방지 때문)

이는 자신이 아니면 해당 서명을 생성할 수 없다는 특성 때문에 가능합니다.

또한, 공개키로부터 사용자의 신원은 알 수 없으니, 블록체인은 공개키-개인키를 사용함으로서 사용자의 익명성을 보장합니다.

 

 

암호학적 해시 함수

해시 함수는 어떠한 데이터를 고정 크기의 데이터로 매핑해주는 함수입니다.

암호학적 해시 함수는, 다음의 다섯 가지 특징을 만족하는 해시 함수입니다.

• 결정론적(deterministic): 동일한 입력값은 항상 동일한 해시 생성
• 빠른 계산 속도
• 일방향 함수(one-way), 불가역적: 원래 데이터로 해시값을 얻는 것은 쉽지만, 해시값으로부터 원래 데이터를 알아내는 방법은 동일한 해시가 나올 때까지 모든 경우의 데이터를 해시 함수에 넣어보는 수밖에 없습니다.
• 다른 입력값에서 같은 해시값이 나오는 경우는 거의 불가능
• 입력값이 1 bit 라도 변경되면 전혀 다른 해시값이 생성

 

즉, 암호화는 양방향성 (암호화, 복호화) 이지만, 암호학적 해시 함수는 일방향성 (원본->해시값은 가능, 해시값->원본은 불가는) 입니다. 또한, 암호학적 해시 함수는 의도적으로 다른 값을 넣어서 동일한 해시 값을 얻을 수 없습니다.

 

대표적인 암호학적 해시 함수는 MD5, SHA 가 있으며 MD5 은 128 bit, SHA-1 은 160 bit 의 해시 결과를 생성합니다.

 

블록체인은 암호학적 해시 함수를 이용하여 각 블록의 내용을 검증합니다.

 

 

합의 알고리즘

합의는 네트워크 참여자들 (블록체인 노드들) 이 트랜잭션 (거래) 처리 결과를 동의하는 과정이고, 블록 단위로 이루어집니다. 즉, 새로운 블록이 유효한지 검증하여 검증된 블록을 네트워크로 전파합니다.

이렇게 합의를 한 블록들이 쌓이면서 계속해서 새로운 블록이 이전의 블록을 기반으로 쌓이는 형태입니다.

(건물이 공사해서 빌딩이 올라가는 모습을 떠올리면 쉽습니다.)

 

합의 알고리즘의 핵심은 참여자 노드가 최신 블록을 검증하는 것으로, 작업 증명 또는 지분 증명을 기반으로 합니다.

초기 이더리움은 작업 증명 알고리즘을 기반을 사용하고 있지만, 나중엔 지분 증명 알고리즘을 기반으로 제공할 것으로 보입니다.

 

작업 증명 (Proof of work)

블록체인은 특정 시간 (ex. 10분) 단위로 P2P 의 모든 거래 내역을 모아서 하나의 블록을 생성합니다.

현재까지 생성된 모든 블록들에 대한 chained-timestamp 를 생성하는데, 새로운 블록이 추가되기 위해서는 해당 블록의 암호화된 해시가 필요합니다.

이때 각 블록의 해시값은 (이전 블록의 해시값 + 현재 블록의 거래 내역들 + Nonce) 를 해시한 값입니다.

 

이렇게 새로운 블록에 대한 해시값을 찾아내는 작업을 작업 증명이라고 하며, 결국 조건에 맞는 32 bit 길이의 Nonce 값을 찾는 작업입니다.

 

예를 들면, 새 블록의 해시값은 앞자리 10 bit 가 0 이어야 한다고 하면, 해당 조건에 맞는 해시값이 나오는 Nonce 값을 찾아야 합니다. 암호학적 해시 함수의 일방향적인 특성 때문에, Nonce 를 무작위로 넣어서 조건에 맞는 해시값이 나오도록 계속 시도해야 합니다.

블록체인은 중앙화된 서버가 없으므로 이 역할을 해주는 대상이 필요한데, 바로 블록체인 네트워크의 참여자 노드들이 이 역할을 수행합니다.

 

이렇게 작업 증명을 수행하는 과정을 채굴이라고 하며, 채굴을 하는 사람(노드)을 채굴자라고 합니다.

새로운 블록에 대한 해시값을 찾아낸 사람이 chained-timestamp 를 생성할 수 있고, 작업 증명을 끝낸 최초의 사용자에게 incentive 를 지급합니다. (이렇게 지급한 incentive 가 화폐로 작동, 화폐 제조 및 발행 기능도 분산화)

 

이렇게 Nonce 값을 찾는 과정은 결코 몇 초 안에 이루어질 수 있는 계산이 아닙니다. (암호학적 해시 함수 특성 때문)

그렇기에 해커가 과거의 거래 내역을 위조하는 것은 이론적으로 불가능합니다.

과거의 거래 내역을 위조하면, 위조된 내역을 바탕으로 그 이후의 블록의 해시값이 변경됩니다.

그에 따라 변경된 거래 내역을 반영하여 이후의 블록들을 새롭게 작업 증명을 해야 하는데, 이 과정이 최신 블록을 따라잡을 수 없습니다.

 

다시 말하면, 정직한 채굴자가 악의적인 채굴자보다 많다면 블록체인의 안전성이 보장된다는 것입니다.

정직한 채굴자가 많으면 올바른 블록체인을 먼저 생성할 확률이 높으며,

기본적으로 가장 긴 블록체인을 신뢰하는 구조이므로 정직한 채굴자가 더 많다면 제일 긴 블록체인을 기반으로 계속 새로운 노드를 추가해갈 것입니다.

 

 

지분 증명 (Proof of Stake)

지분 증명은 작업 증명 방식이 채굴자 간의 경쟁을 유도하여 엄청난 에너지를 소비한다는 비난 속에서 생겨난 알고리즘입니다. (작업 증명에서 Nonce 값을 찾아내는 데에는 컴퓨팅 자원을 사용하니, 그만큼 전력량을 많이 쓰게 됩니다)

 

지분 증명은 새로운 블록을 검증할 때 검증자들의 투표로 정하는 방법입니다.

더 많은 지분(코인)을 가질수록 블록을 기록할 권한이 더 많이 부여되며, 각 노드는 자신이 합의하는 블록에 자산을 증명함으로서 데이터를 업데이트합니다.

 

즉, 자신이 가진 자산을 해당 블록에 보여주면서 자신이 정당하다고 생각하는 블록에 '동의'를 하는 것입니다.

그 결과 과반수의 '자산'이 동의한 블록이 더 빠르게 긴 블록들을 형성하게 됩니다.

각 노드들의 투표는 예치된 금액만큼 가중치를 가지므로 인센티브의 형태가 작업 증명과는 달리, '이자'의 개념입니다.

 

이와 관련해서 'Nothing at Stake' 등 세부적인 내용이 궁금하면 다음 포스팅이 잘 설명이 되어있으니, 참고하면 좋을 것입니다.

https://www.banksalad.com/contents/%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%84%A4%EB%AA%85%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%B8%94%EB%A1%9D%EC%B2%B4%EC%9D%B8-%EC%A7%80%EB%B6%84%EC%A6%9D%EB%AA%85%EC%9D%B4%EB%9E%80-lr7RH

쉽게 설명하는 블록체인 : 지분증명이란? | 뱅크샐러드

 

 

Merkle Tree

머클 트리는 해시값 검증이 효율적으로 이루어지도록 제안된 구조입니다.

머클 루트(머클 트리의 root hash) 에 블록에 포함된 모든 트랜잭션을 하나의 해시값으로 '요약'하여, 블록을 검증할 때 모든 거래 내역을 바탕으로 해시값을 검증하는 것이 아닌 해시값들을 바탕으로 루트 해시값을 검증합니다.

ko.wikipedia.org/wiki/해시_트리

 

블록은 header 와 body 로 이루어지는데,

• header: 블록 번호, 타임스탬프, 직전 블록 해시값, Nonce 등 블록의 메타데이터 + 블록의 머클 트리
• body: 블록 안의 모든 트랜젹션을 포함

의 정보를 포함합니다.

이를 통해 모든 거래 내역을 알지 않아도 해시값을 검증할 수 있도록 합니다.

해시값은 그 크기가 정해져 있고, 원본 거래 내역보다 일반적으로 크기가 작으므로 이런 형태를 사용합니다.

 

 

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이렇게 기본적인 블록체인에 대한 개념과 기술적인 요소를 알아보았습니다.