Blockchain Basic Concept Theory (Beginner Version) / 초보자를 위한 블록체인 기초 개념 이론

University of Seoul Multimedia Computing Lab
Author: Kim Minwoo

Blockchain Basic Concept Theory 22018-02-23
저자

• 청운대학교 (인천캠퍼스) 학사
• 인터넷학과 졸업
• 서울시립대 컴퓨터과학부 석사 (현)
• 멀티미디어 컴퓨팅 연구소 소속
• 시청 자료 문의
• E-mail
• escapelazy@gmail.com
• kimminwoo0807@uos.ac.kr
• LinkedIn
• linkedin.com/in/민우-김-50a344151

블록체인

• 블록체인은 모든 암호 해독 트랜잭션의 디지털화된 분산 공공 장부
• 블록이라는 데이터 집합을 P2P 방식을 기반으로 생성된 체인 형태의 분산 컴퓨팅 기술 기반의 데이터 위변조 방지 기술
• 데이터를 담고 있는 블록들이 신뢰를 검증받아 블록끼리 연결된 형태를 가지며, 분산되고 독립적이며 개방된 공통 원장
관리 기술

블록

• 블록체인을 구성하는 하나의 블록은 유효한 거래 정보의 묶음
Block Block
Block
• 블록헤더
• version, previousblockhash, merklehash, time, bits, nonce 로 구성된다.
• 거래정보
• 입출금과 관련된 여러 정보를 포함한다.
• 기타정보
• 전자의 두 정보를 제외한 나머지 정보를 의미한다.
Tip.
비트코인의 경우 약 1,800개의 거래 정보를 포함하며,
블록 하나의 물리적인 크기는 약 0.98 Mbyte 를 차지한다.

블록헤더
거래정보
기타정보
블록
• version: 소프트웨어 / 프로토콜 버전
• previousblockhash: 현재 블록 앞에 위치하는 블록의 해
쉬
• merklehash: 개별 거래 정보의 거래 해쉬를 이진 트리 형
태로 구성할 때, 트리 루트에 위치하는 해쉬 값
• time: 블록이 생성된 시간
• bits: 난이도 조절용 수치
• nonce: 최초 0에서 시작하여 조건을 만족하는 해쉬 값을
찾아내는 순간까지 1씩 증가하는 계산 횟수
Tip.
블록 헤더가 중요한 이유는 블록의 식별자 역할을 하는 블록 해쉬
가 블록 헤더의 6가지 정보를 입력값으로 하여 산출되기 때문이다.

블록체인의 구조

• 블록체인은 Linked List (링크드 리스트) 형태의 구조를 기반으로 블록 간 연결
Block #0 (Genesis Block)
블록해쉬: 0x000027
기타정보
블록헤더
Version:
PreviousHash: 0
MerkleHash:
Time:
Bits:
Nonce:
거래정보
Tx0.0 채굴자에게 15BTC 전송
Block #1
블록해쉬: 0x0000a7
블록헤더
Version:
PreviousHash: 0x000027
MerkleHash:
Time:
Bits:
Nonce:
거래정보
Tx1.1 A가 E에게 0.8BTC 전송
…
Block #2
블록해쉬: 0x00002c
기타정보
블록헤더
Version:
PreviousHash: 0x0000a7
MerkleHash:
Time:
Bits:
Nonce:
거래정보
Tx2.1 F가 C에게 2.9BTC 전송
…
기타정보

블록해시

• 블록의 식별자 역할
• 블록 헤더가 포함하는 6가지의 정보를 입력값으로 가지며, SHA-256 해시 함수를 2회 적용시켜 계산되는 32바이트의 숫
자값을 의미
• 블록 전체를 해시한 값이 아닌, 블록 헤더 자체를 해시한 값을 의미한다.

• SHA (Secure Hash Algorithm)는 서로 관련된 암호학적 해시 함수들의 모임이다.
• SHA-256 함수는 어떤 데이터일지라도 256비트 데이터로 바꿔주는 함수이다.
• 미국 국가안보국 (NSA)이 1993년 처음 설계했으며, 해시 결과값을 32bit 8개를 병렬로 표기하여 SHA-256이라 한다.
32bit x 8 = 256bit (=32byte)
Tip.
해시 함수에서 데이터에 아주 사소한 변화가 발생해도 전혀 의도치 않은 다
른 값이 나오는 현상을 ‘눈사태 효과‘ 라고 한다.

블록체인의 종류

Blockchain Public Blockchain
Private Blockchain
Consortium Blockchain
Bitcoin Independent
Metacoins
Complementary
• 누구나 참여할 수 있는 네트워크 블록체인
• 익명성을 기반으로 추적이나 규제가 어려운 무허가 방식이 특징
• 하나의 중앙 기관에서 독자적으로 사용하여 읽기, 쓰기, 사용 과정을 관리할 수 있는 시스템
• 여러 기관들이 그룹을 이뤄 참여하는 블록체인을 의미
• 모두가 동등한 권한을 가지고 거래 참여가 가능하여, 금융 기관의 참여도가 높다.
비트코인과
연관지을 경우
• 네트워크가 쌓이기 전 충분한 개발과 실험을 통해 비트코인 블록체인에서 불가능한 여러
기능을 제공
• 비트코인 코드를 변경할 필요없이 비트코인 블록체인 위에서 여러 추가적 기능을 제공
• 개별 블록체인을 비트코인 블록체인에 연결하여 비트코인 블록체인을 공유
• 공유를 통해 기술적 문제를 해결하고 여러 실험을 가능하도록 지원

• Permission-less Blockchain
• 거래를 증명하는 채굴자들과 거래 이용자들이 특정 기관의 허락없이 자유롭게 네트워크에 참여할 수 있는 프로토콜을 의미
• 익명성 보장을 기반으로 중앙 기관의 통제가 불가능한 것이 특징
• Semi-permissioned Blockchain
• 거래 증명자들은 네트워크의 허락 및 증명 과정을 거치되 거래는 누구나 자유롭게 사용 가능한 프로토콜을 의미
• Permissioned Blockchain
• 거래증명자와 송금/수신자 모두 개인정보를 제공하고 중앙 기간의 허락 하에 네트워크에 참여하는 방식을 의미

작업증명

• 가장 보편화된 합의 알고리즘이며, 비트코인 창시자인 나카모토 사토시가 처음으로 제안한 비잔틴 합의 알고리즘이다.
• 최초의 작업증명 알고리즘의 난이도는 상당히 낮아 쉽게 블록을 생성할 수 있었지만, 점차적으로 블록의 개수가 많아짐
에 따라 난이도가 기하급수적으로 상승하여 현재는 블록 생성에 필요한 시간이 오래 걸리고 있다.
• CPU 및 GPU로 작업을 하여 증명을 하는 채굴 방식이다.

• 새로운 블록을 블록체인에 추가하는 작업을 완료했음을 증명하는 것
• 새로운 블록을 블록체인에 추가하려면, 생성되는 블록의 블록 해시를 계산해야 한다. 해시를 계산하기 위해 블록의 헤더
정보 중 하나인 ‘nonce’ 값을 이용한 계산을 통해 구해야 한다.
• 결론적으로 ‘nonce’ 값을 구하는 것이 작업 증명이다.

• ‘nonce’ 값은 ‘nonce’ 값을 입력값 중의 하나로 하여 계산되는 블록 해시값이 특정 숫자보다 작아지게 하는 값을 의미한
다.
• ‘nonce’ 값을 1씩 증가시키면서 반복적으로 계산한 블록 해시값이 특정 숫자보다 작은 값이 나오면, 그 때의 ‘nonce’ 값으
로 계산한 블록 해시가 그 블록의 블록 해시로 확정되고, 블록 해시라는 식별자를 얻은 그 블록은 새로운 블록으로서 블
록체인에 추가되며 작업이 완료된다.

• 아래의 그림은 블록 해시가 ‘000000a84......’ 보다 작게 나오는 ‘nonce’ 값을 찾는 과정 중 일부이다.
Block Header Block Hash
version previous... merklehash
time bits nonce = 0
time bits nonce = 1
time bits nonce = 2
time bits
nonce = 8
2,893,921
fa8cbaeed......
932d16e2e......
0ea33f7dd......
000000a83......
• 주의깊게 봐야 할 것은 ‘nonce’ 외의 모든 항목의
값은 이미 고정되어 정해져 있다.
• ’nonce’ 값이 0일 때
• fa8cbaeed...... > 000000a84...... (작업 증명 실패)
• ‘nonce’ 값이 1일 때
• 932d16e2e...... > 000000a84...... (작업 증명 실패)
• ‘nonce’ 값이 2일 때
• 0ea33f7dd...... > 000000a84...... (작업 증명 실패)
• 위 과정을 통해 ‘nonce’ 값을 증가시키면서 해시
를 구하여 작업 증명을 시도
• ‘nonce’ 값이 82,893,921일 때
• 000000a83...... < 000000a84...... (작업 증명 성공)

• 작업 난이도는 ‘nonce’ 값 계산의 어려운 정도를 나타내며, 블록 헤더 정보에서 ‘bits’ 라는 값을 통해 조절된다.
• 블록 헤더의 ‘bits’ 는 ‘nonce’ 값을 계산하는데 기준이 되는 특정 숫자를 나타내며, 블록체인 전체에 걸쳐 일률적으로 적
용되는 숫자이다.

• 작업 난이도에 대한 간단한 예
블록 해시가 부호없는 1byte 수라고 할 때…
128/256 = 50% 확률
64/256 = 25% 확률
32/256 = 12.5% 확률
산출되는 해시 함수는 0~255 사이의 값을 반환한다.
이러한 특정 숫자가 바로 블록 헤더 정보의 ‘bits’ 이다.
Tip.
실제 ‘bits’ 의 값은 위와 같이 계산되어 저장되지는 않으며, 지수와 계수를 사
용하는 별도의 표현 방식을 이용한다.

• 보상은 새로 발행되는 비트코인과 해당 블록에 포함되는 거래의 거래 수수료의 합을 의미한다.
• 비트코인의 새로운 발행은 채굴자가 블록을 처음 구성할 당시 채굴자의 지갑으로 일정량의 비트코인이 입금되는 거래를
해당 블록의 첫 번째 거래 (Generation Transaction)로 추가하는 방식으로 이뤄지는데, 최초에 50BTC에서 시작하여 블록
체인에 21만개의 블록이 추가될 때마다 이 양은 절반으로 줄어든다.
• 결론적으로 ‘nonce’ 값을 찾아내고, 새로운 블록을 블록체인에 추가하여 해당 블록에 포함된 모든 거래를 유효한 거래로
확정시켜준 대가라고 생각할 수 있다.

A Group
B Group
C Group
Mining (Block)

A Group
B Group
C Group
Mining (Block)
50%
30%
20%
블록 채굴 기여도에 따라
코인을 배분한다.
Tip.
채굴이란 용어는 작업증명과 보상을 합친 개념이라고 생각할 수 있다.

지분증명

• 지분증명은 지분증명 알고리즘인 ‘PeerCoin’ 가상화폐에서 처음으로 발표한 합의 알고리즘이다.
• 지분증명은 사용자가 가지고 있는 지분 (Stake)과 지분이 생성된 날짜에 의해 결정이되고, 한번 블록 생성을 위해 사용된
지분의 날짜는 초기화된다.

동작방식

Swift 를 이용하여 간단한 블록체인 원리 구현하기

• iOS / Mac OS 애플리케이션 개발에 주로 사용되는 Xcode의 Playground를 이용한다. Playground에는 블록체인에서 필
수적인 SHA1 해시를 생성하는데 필요한 기능들이 포함되어 있다.

Block Object 구현

• 첫 번째 단계에서는 블록체인에서 단일 블록을 나타내는 블록 객체를 구현한다.

Blockchain Object 구현

• 두 번째 단계에서는 블록체인 객체를 구현한다.

• 블록체인 객체는 자신을 초기화하기 위해 블록의 인스턴스가 필요하다. 이 때 이 블록을 블록체인의 첫 블록이자 제네시
스 블록이라고 한다.
• 주요 함수 설명
• addBlock() – 블록체인에 블록을 추가
• generateHash() – 블록에 할당되는 고유의 해시값을 생성

Blockchain 구동

• 최종적으로 아래의 코드를 작성하여 블록체인을 구동시킨다.

• 결과는 다음과 같이 출력되었다. (예시)

Peer to Peer

P2P
네트워크 구조화 오버레이
비구조화 오버레이
• Peer-to-Peer 를 의미
• 중앙 서버 없이 각 단말들이 서로 동등한 입장에서 통신을 수행하는 네트워크 형태
• 각 단말은 서버이면서 동시에 클라이언트가 될 수 있다.
종류
하이브리드 P2P
퓨어 P2P
• 각 단말들의 정보들이 인덱스 서버에 기록
• 데이터를 주고 받는 방식은 P2P로 이뤄지고, 단말들의 검색 및 발견등의 작업은 인덱스 서
버를 통해 수행
• 모든 노드가 동등한 입장으로 네트워크에 연결
• 각 단말들이 자율적으로 다른 단말들을 발견하고 탐색할 수 있도록 탐색 알고리즘이 필요
• 각 단말들이 물리적으로 연결되어 있으며, 그에 따라 네트워크 토폴로지도 반영되어 있는
네트워크
• 각 단말들의 ID가 할당되어 있고, 그에 따라 연결되는 대상들도 이미 정해져 있다.
• 구조화 오버레이와 다르게 단말들이 서로 물리적으로 연결되어 있지는 않지만, 논리적으로
연결된 것처럼 사용하는 네트워크
• 각 단말들을 탐색할 때는 탐색 메시지를 브로드캐스트하여 주변 단말들에게 확산하는 방식
을 이용

비트코인

• 2008년 나카모토 사토시가 처음으로 비트코인 개발하였고, 나카모토 사토시는 실제 존재하는 인물이 아닌 가명을 사용한
인물이다.
• 비트코인의 블록체인 기술을 기반으로 만들어졌으며, 작업증명 (Proof of Work)을 통해 복잡한 수학 문제를 풀어 암호를
해독한 후 코인을 얻어내는 방식으로 코인을 얻을 수 있다.
• 코인을 얻는 과정을 채굴 (Mining)이라 하고, 이를 행하는 사람을 채굴자 (Miner)라 한다. 채굴을 할수록 수학 문제 및 암
호 해독의 난이도가 상승하는데, 그렇기 때문에 발행량은 자연스럽게 줄어들 수 밖에 없는 구조이다.

• 비트코인의 장점
• 현재 통화에 비해 높은 자유성과 투명성
• 기존의 금융 시스템에 비해 월등히 빠른 거래
• 익명성 보장
• 인플레이션에 의한 가치 하락의 우려가 월등히 적
다.
• 국경과 세금이 존재하지 않는다.
• 비트코인의 단점
• 해킹, 마약, IS 자금, 북한, 비자금, 화폐 세탁과 같은
부정적인 이용
• 랜섬웨어를 통한 비트코인 요구
• 51% 공격
• 현재 비트코인의 블록사이즈는 1MB로 제한되어
거래 지연 및 네트워크 불안정성이 증가
Tip.
1MB의 블록사이즈로 인해 거래량이 갑작스럽게 증가하게 되면, 송금 거래가
지연되고, 그로 인해 전체 네트워크에 불안정성을 야기시킨다. 이러한 문제를
해결하기 위해 ‘Segwit (Segregated Witness)’ 라는 대안이 나타나게 된다.

알트코인

• 비트코인을 제외한 다른 모든 코인들을 지칭하는 용어
• 알트코인은 아래의 단어를 이용하여 합성된 합성어이다.
• 비트코인의 대체 대안으로 여겨지고 있다. 그 이유는 비트코인의 기술력을 대체하거나 개선하기 위해 만들어졌기 때문이
다.
Altcoin = Alternative + Coin
Tip.
‘Coin’ 은 비트코인을 의미하며, 세계 최초의 알트코인은 2011년 초에 만들어
진 ‘Namecoin’ 이다. 이 코인은 도메인 이름 등록을 분산화하여 인터넷 검열
을 어렵게 하는 것을 주목적으로 현재도 존재하는 코인 중 하나이다.

• 현재 영향력있는 알트코인의 이름과 목적을 정리하면 아래와 같다. (2018년 02월 기준)
Logo Name Description
Ethereum 블록체인 기술을 기반으로 스마트 컨트랙트의 기능을 구현하기 위한 분산 컴퓨팅 플랫폼
Ethereum Classic 이더리움의 하드포크로 인해 생성된 암호화폐의 한 종류
Ripple
기업용 송금 네트워크 결제 플랫폼, 국제결제시스템망(SWIFT)을 대체할 새로운 대안이며, 은행 간 이체서비스에 집
중한 암호화폐
Litecoin 다양한 기술적용과 전송속도가 빠르기 때문에 상용화와 실결제수단에 매우 근접한 암호화폐
Dash 실시간 전송기능, 완벽에 가까운 익명성 보장, 익명성과 추적이 불가능한 성질을 갖는 분산 암호화 화폐
Monero 익명성과 추적이 불가능한 성질을 갖는 분산 암호화 화폐로서, 보안에 집중한 암호화폐
EOS 빠르고 신뢰성이 높은 Dapps(Decentralized applications) 구동에 초점을 맞춘 암호화폐
Qtum 비트코인과 이더리움의 각 장점을 결합한 하이브리드 블록체인 플랫폼
Z Cash 익명성과 추적이 불가능한 암호화 화폐,
Bitcoin Cash
비트코인 블록체인에서 하드포크되어 나온 가상화폐, 블록 크기 증대 지지자, 비트코인과 별개의 블록체인에서 운영
되는 암호화폐

• Hard Fork
• 여러 규칙의 심한 변동으로 사용자와 채굴 규칙이 모두 변하여 블록체인 자체를 바꿔야 할 정도의 업데이트를 의미
• 보통 블록체인의 기록 방식부터 대규모 변경이 존재하는 만큼 블록체인 자체를 포크하여 복사한 새로운 블록체인으
로 접속을 시도
• Soft Fork
• 사용자들이 사용하는 기능이 블록체인에 반영되게 건드리지는 않지만 채굴 규칙등이 변경되어 블록체인에 소소한
영향을 주는 업데이트를 의미
• 블록체인 자체는 그대로 이어간다.

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