블록체인 원리(2) - 블록의 구조

1. 블록의 이해

블록 (Block)

• 의미 있는 묶음 = 1 BLOCK
• 어떤 의미있는 단위를 한 블록으로 정의
• 특정 데이터를 다루는 단위

비트코인 블록체인

• 1 MB 까지의 한도 내에서 거래내역을 기록한 단위 (2000 ~ 3000 거래 내역)
• 비트코인 캐시 (8MB 까지 허용), 비트코인 골드

이더리움 블록체인

• 이론적인 한도는 없음

비트코인 블록의 구조

• 블록 헤더 : 데이터의 요약 정보
  • 블록 헤더의 크기 : 80 Byte
  • 항상 일정한 크기를 유지
• 블록 데이터 : 실제의 데이터를 담는 부분

2. 블록의 구성요소

블록체인의 구성 요소

• 블록 크기 : 4 Byte
• 거래내역 개수 : 가변 (1 ~ 9 Byte)
• 트랜잭션 : 가변
  • 트랜잭션 크기는 기록된 트랜잭션 개수에 따라 변화

블록체인의 특징 1.

• 실제 거래내역 개수가 적을 때 실제로 개수를 저장

블록체인의 특징 2.

• 거래내역 개수가 많아질 때는 바이트를 사용

거래내역 개수의 규칙

• 1 ~ 9 Byte로 제한
• 선두 바이트 : 거래 개수에 적혀 있는 바이트 표시 -> 전체 데이터 바이트 절약
• 거래내역 개수 = 트랜잭션 개수

비트코인 트랜잭션

• 하나의 비트코인 주소로부터 다른 비트코인의 주소로 거래
• 하나의 비트코인 주소로부터 다른 하나의 비트코인의 주소로 거래
• 하나의 비트코인 주소로부터 다른 다수의 비트코인 주소로 거래
• 기록 개수에 대한 제한 없음
• 수령자가 늘 수록 더 많은 저장 공간 필요
• 하나의 거래의 최소 크기 166Byte -> 실제 거래내역 크기는 300 Byte 초과 ( 거스름돈, 다수의 수령자)
• 이론적으로 5,000 ~ 6,000 개의 거래내역 포함 -> 실제 거래내역은 3,000 개 미만

3. 블록헤더의 구성요소

블록헤더의 구성 요소

• 버전 정보 - 4byte
• 이전 블록 해시 값 - 32 byte
• 머클트리 루트 - 32 byte
• 타임스탬프 - 4 byte
• 타깃 난이도 - 4 byte
• 난스 - 4 byte

버전 정보 (4 Byte)

• 블록을 만들 당시의 소프트웨어 버전을 의미
• =법령정보 -> 버전에 따라 서로 다른 규칙 적용 -> 블록 무결성의 확인 부분이 상이
• 시간의 흐름에 따른 법의 변화 -> 소프트웨어 버전에 따라 블록 생성의 규칙이 변화
• 어떤 규칙을 사용해 블록을 검증할지 알려주는 값

이전 블록 해시 값 (32Byte)

• 현재의 블록에 이전 블록의 데이터 값이 포함
• SHA256 32 Byte 해시 값
• 일련의 과정을 통해 이전 블록에서 해시 값을 생성
• 생성된 해시 값이 현재 블록에도 기록
• 모든 블록은 자기의 특정 값을 가지며 다음 블록에 전달

해시 값 기록의 이유

• 이전 기록과 비교로 변조 여부 확인
• 블록의 어떤 값이 변경되었음을 손쉽게 탐지

머클트리 루트 (32 Byte)

• 블록 데이터에 담겨 있는 모든 트랜잭션의 요약 정보
• 블록 데이터에 모든 트랜잭션 -> 하나의 해시 값으로 요약
• 1 MB에 달하는 3,000 개의 트랜잭션 요약
• 블록 데이터에 모든 트랜잭션 -> 단 32 Byte의 해시 값 -> 머클트리 루트에 데이터로 저장

타임스탬프 (4 Byte)

• 블록이 만들어진 시간 기록
• 블록의 생성 시간을 파악 가능

타깃 난이도 비트 (4 Byte)

• 블록 생성의 난이도에 대한 값을 저장하는 비트
• 일련의 공식을 통해 32 Byte 로 변환

넌스 (Nonce, 4byte)

• 해시 퍼즐의 정답
• 해시 퍼즐을 가장 먼저 해결한 노드가 요청서를 기록
• 해시 퍼즐의 정답 -> 넌스를 찾는 과정
• 모든 가능한 조합을 통한 무차별 대입법
• 무수한 계산을 통해 정답을 찾은 정수

블록체인 마다 서로 다른 정의 가능

비트코인 헤더의 크기

• 헤더의 크기는 80 Byte 고정
• 6개의 필드

이더리움 헤더

• 최소 508 Byte로 가변적
• 15개의 필드

블록헤더

• 실제 블록에 담겨 있는 모든 데이터에 대한 정밀한 요약
• 블록 데이터의 기능에 따라서 서로 다르게 정의

블록체인 원리 (3) - 작업증명 : 해시 퍼즐과 난이도

1. 블록만들기와 해시 퍼즐

해시 퍼즐

• 무차별 대입법 -> 특정 값 -> 무한 반복 산수 문제
• 해시 퍼즐을 푸는 수학적 공식은 없음
• 무수히 반복되는 산수 문제 해결
• 해시를 통해 얻게 되는 고유한 값 32 Byte 값 -> SHA-256 - 유효한 블록의 해시값을 찾을 때까지 무한 반복
• 해시 퍼즐 정답 = 블록 고유 해시값
• 제네시스 블록 해시값 = 2의 32승 번 값 계산 -> 약 10분동안 계산

해시 퍼즐 풀이

1. 블록 헤더의 넌스값을 0 으로 설정
2. 비트코인 해시 함수를 연속 2번 해싱 (SHA-256) : 임의의 32 Byte 값
3. 블록 전체를 해시함수를 연속 두 번 적용하여 나온 해시값 H와 주어진 목표값 T 값을 비교
4. 주어진 값보다 더 작거나 갖지 않다 -> 넌스 1증가 (1 ~ 32 까지 증가) -> 임의의 32 Byte 값 생성 반복
5. 판단박스 목표 값보다 T보다 작아질 때까지 반복

넌스값

• 입력의 사소한 변화
• 32 Byte 충분히 작은 값이 나올 때까지 반복
• T(목표값) -> 목표값이 작을 수록 만족 힘듦

작업증명

• 퍼즐을 이용해서 의도적으로 막대한 에너지를 소모하게 만든 방식
• 스팸 방지를 위해 개발
• 의도적으로 막대한 에너지를 소모하게 하여 그 일을 억제
• 최초 기록 및 변경에 막대한 에너지 소모 -> 반대 급부의 경제적 이득이 없으면 변경 이유 없다
• 최초의 기록된 노드의 검증 -> 합당한 이유 없다면 정상적 기록을 통한 보상금 -> 합리적 선택

스팸 방지

• 네트워크 과부하 문제
• 어떤 작업을 반드시 해야만 되도록 부과 -> 스팸 억제

2. 해시 퍼즐과 난이도

해시 퍼즐과 난이도

• 목표값이 작아지면 해시퍼즐을 찾을 확률이 줄어듬
• 목표값을 성취하려면 과정 반복 필요

해시 퍼즐의 비유

• 더 작은 해시 값 찾기 = 목표 값 찾기

해시 함수를 통해 얻는 값

• 32 byte로 이루어진 값이 어떤 특정 패턴을 이룰 수 있는 방법 -> 0000 (0), 1111 (2의32승-1)
• 목표값은 작아질 수록 ㅎ시행횟수 증가 -> 오래시간 소요
• 목표값을 조정하여 목표값에 맞는 해시값을 찾는데 필요한 계산횟수
• 횟수는 오래 걸리지만 시간은 10분 소요 -> 과거에 비해 빠른 컴퓨터

난이도 조절 이유

• 컴퓨터가 발달 하여도 10분에 하나씩 블록 생성

목표값과 해시값의 관계

• 1,209,600초 -> 10분이하로 블록 생성
• 늦은 시간 -> 하나의 블록생성시 10분 이상 걸림
• 원래 소요시간보다 적을 겨우 -> 난이도 상승
• 원래 소요시간보다 낮음 -> 난이도 하향

목표값

무어의 법칙

• 반도체의 발달 속도 - 18 개월마다 반도체의 직접도가 두배가 되어
• 18개월마다 컴퓨터 속도 2배 항샹
• 지속적으로 난이도조절
• 2009 ~ 2017 63배

무어의 법칙에 따른 자연적인 증가

• 막대한 하드웨어의 투자 + 전용 기계 -> 인위적 수치
• 난이도 증가는 블록체인의 영속성에 영향