마이닝 알고리즘: 블록체인에서 해시 기반 증명 시스템 탐구

해시 기반 증명 시스템은 많은 블록체인 네트워크, 특히 작업 증명(PoW) 합의 메커니즘을 사용하는 네트워크의 기본 구성 요소입니다. 이러한 시스템은 암호화 해시 함수를 사용하여 블록체인을 보호하고 트랜잭션이 유효하고 위조 방지되도록 합니다. 이 기사에서는 해시 기반 증명 시스템, 기본 원리, 구현 세부 사항, 보안 고려 사항 및 진화하는 추세에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

암호화 해시 함수 이해

해시 기반 증명 시스템의 핵심에는 암호화 해시 함수가 있습니다. 암호화 해시 함수는 임의의 양의 데이터를 입력("메시지")으로 받아 고정 크기의 출력("해시" 또는 "메시지 다이제스트")을 생성하는 수학적 알고리즘입니다. 이러한 함수는 블록체인 네트워크를 보호하는 데 적합하도록 만드는 몇 가지 중요한 속성을 가지고 있습니다.

• 결정적: 동일한 입력이 주어지면 해시 함수는 항상 동일한 출력을 생성합니다.
• 역상 저항성: 주어진 해시 출력을 생성하는 입력(메시지)을 찾는 것은 계산상 불가능합니다. 이는 단방향 속성이라고도 합니다.
• 제2 역상 저항성: 입력 x가 주어지면 hash(x) = hash(y)가 되도록 다른 입력 y를 찾는 것은 계산상 불가능합니다.
• 충돌 저항성: hash(x) = hash(y)가 되도록 서로 다른 두 입력 x와 y를 찾는 것은 계산상 불가능합니다.

블록체인에서 일반적으로 사용되는 해시 함수에는 비트코인에서 사용되는 SHA-256(Secure Hash Algorithm 256-bit)과 이전에 이더리움에서 사용되었던 Keccak 해시 함수의 수정 버전인 Ethash가 있습니다(지분 증명으로 전환되기 전).

작업 증명(PoW) 설명

작업 증명(PoW)은 네트워크 참가자(채굴자)가 블록체인에 새 블록을 추가하기 위해 계산적으로 어려운 퍼즐을 풀어야 하는 합의 메커니즘입니다. 이 퍼즐은 일반적으로 블록의 데이터와 결합되어 해싱될 때 특정 기준(예: 특정 수의 선행 0이 있는 경우)을 충족하는 해시 값을 생성하는 논스(임의의 숫자)를 찾는 것을 포함합니다.

PoW의 마이닝 프로세스

1. 트랜잭션 수집: 채굴자는 네트워크에서 보류 중인 트랜잭션을 수집하여 블록으로 조립합니다.
2. 블록 헤더 구성: 블록 헤더에는 다음을 포함하여 블록에 대한 메타데이터가 포함되어 있습니다.
• 이전 블록 해시: 체인에서 이전 블록의 해시로, 블록을 함께 연결합니다.
• 머클 루트: 블록의 모든 트랜잭션을 나타내는 해시입니다. 머클 트리는 모든 트랜잭션을 효율적으로 요약하여 모든 단일 트랜잭션을 처리할 필요 없이 검증할 수 있습니다.
• 타임스탬프: 블록이 생성된 시간입니다.
• 난이도 목표: PoW 퍼즐의 필요한 난이도를 정의합니다.
• 논스: 채굴자가 유효한 해시를 찾기 위해 조정하는 임의의 숫자입니다.
3. 해싱 및 유효성 검사: 채굴자는 난이도 목표보다 작거나 같은 해시를 찾을 때까지 다른 논스 값으로 블록 헤더를 반복적으로 해싱합니다.
4. 블록 브로드캐스팅: 채굴자가 유효한 논스를 찾으면 블록을 네트워크에 브로드캐스팅합니다.
5. 검증: 네트워크의 다른 노드는 해시를 다시 계산하고 난이도 목표를 충족하는지 확인하여 블록의 유효성을 검사합니다.
6. 블록 추가: 블록이 유효하면 다른 노드는 블록체인의 복사본에 추가합니다.

난이도 목표의 역할

난이도 목표는 일관된 블록 생성 속도를 유지하기 위해 동적으로 조정됩니다. 블록이 너무 빨리 생성되면 난이도 목표가 증가하여 유효한 해시를 찾기가 더 어려워집니다. 반대로 블록이 너무 느리게 생성되면 난이도 목표가 감소하여 유효한 해시를 찾기가 더 쉬워집니다. 이 조정 메커니즘은 블록체인의 안정성과 보안을 보장합니다.

예를 들어 비트코인은 평균 블록 생성 시간을 10분으로 목표로 합니다. 평균 시간이 이 임계값 아래로 떨어지면 난이도가 비례적으로 증가합니다.

해시 기반 PoW 시스템의 보안 고려 사항

해시 기반 PoW 시스템의 보안은 유효한 해시를 찾는 계산적 어려움에 달려 있습니다. 성공적인 공격에는 공격자가 네트워크 해싱 능력의 상당 부분을 제어해야 하며, 이를 51% 공격이라고 합니다.

51% 공격

51% 공격에서 공격자는 네트워크 해싱 능력의 절반 이상을 제어합니다. 이를 통해 다음을 수행할 수 있습니다.

• 코인 이중 지출: 공격자는 코인을 지출한 다음 트랜잭션이 포함되지 않은 블록체인의 개인 포크를 만들 수 있습니다. 그런 다음 이 개인 포크에서 블록을 채굴하여 메인 체인보다 길어질 때까지 채굴할 수 있습니다. 개인 포크를 릴리스하면 네트워크는 더 긴 체인으로 전환되어 원래 트랜잭션이 효과적으로 되돌려집니다.
• 트랜잭션 확인 방지: 공격자는 특정 트랜잭션이 블록에 포함되는 것을 방지하여 효과적으로 검열할 수 있습니다.
• 트랜잭션 기록 수정: 매우 어렵지만 공격자는 이론적으로 블록체인 기록의 일부를 다시 작성할 수 있습니다.

성공적인 51% 공격의 확률은 네트워크의 해싱 능력이 증가하고 더 분산됨에 따라 기하급수적으로 감소합니다. 이러한 많은 해싱 능력을 획득하고 유지하는 데 드는 비용은 대부분의 공격자에게 금지될 정도로 비쌉니다.

해싱 알고리즘 취약점

매우 드물지만 기본 해싱 알고리즘의 취약점은 전체 시스템의 보안을 손상시킬 수 있습니다. 효율적인 충돌 찾기가 가능한 결함이 발견되면 공격자는 블록체인을 조작할 수 있습니다. 이것이 SHA-256과 같이 잘 확립되고 엄격하게 테스트된 해시 함수를 사용하는 것이 중요한 이유입니다.

해시 기반 PoW 시스템의 장점

에너지 소비에 대한 비판에도 불구하고 해시 기반 PoW 시스템은 다음과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다.

• 보안: PoW는 시빌 공격 및 이중 지출을 포함한 다양한 공격으로부터 보호하는 매우 안전한 합의 메커니즘임이 입증되었습니다.
• 탈중앙화: PoW는 충분한 컴퓨팅 능력을 가진 모든 사람이 채굴 프로세스에 참여할 수 있도록 하여 탈중앙화를 촉진합니다.
• 단순성: PoW의 기본 개념은 이해하고 구현하기가 비교적 간단합니다.
• 입증된 실적: 최초이자 가장 성공적인 암호화폐인 비트코인은 PoW에 의존하여 장기적인 실행 가능성을 입증합니다.

해시 기반 PoW 시스템의 단점

해시 기반 PoW 시스템의 주요 단점은 높은 에너지 소비입니다.

• 높은 에너지 소비: PoW는 상당한 컴퓨팅 능력을 필요로 하여 상당한 전기 소비를 초래합니다. 이로 인해 환경 문제가 제기되어 보다 에너지 효율적인 합의 메커니즘이 개발되었습니다. 지열 에너지가 풍부한 아이슬란드와 중국의 일부 지역(암호화폐 채굴 금지 이전)은 낮은 전기 비용으로 인해 채굴 운영의 허브가 되었습니다.
• 채굴 능력의 중앙 집중화: 시간이 지남에 따라 채굴은 대규모 채굴 풀에 점점 더 집중되어 잠재적인 중앙 집중화와 이러한 풀이 네트워크에 미치는 영향에 대한 우려가 제기되었습니다.
• 확장성 문제: PoW는 블록체인의 트랜잭션 처리량을 제한할 수 있습니다. 예를 들어 비트코인의 블록 크기 및 블록 시간 제약은 초당 처리할 수 있는 트랜잭션 수를 제한합니다.

해시 기반 PoW에 대한 대안

PoW의 한계를 해결하기 위해 다음과 같은 여러 가지 대체 합의 메커니즘이 등장했습니다.

• 지분 증명(PoS): PoS는 보유하고 담보로 "스테이킹"하려는 암호화폐의 양에 따라 검증자를 선택합니다. 검증자는 새 블록을 생성하고 트랜잭션을 검증하는 역할을 합니다. PoS는 PoW보다 훨씬 적은 에너지를 소비하고 더 빠른 트랜잭션 확인 시간을 제공할 수 있습니다.
• 위임된 지분 증명(DPoS): DPoS를 사용하면 토큰 보유자가 투표권을 더 적은 수의 검증자(대표자)에게 위임할 수 있습니다. 대표자는 새 블록을 생성하는 역할을 하며 작업에 대한 보상을 받습니다. DPoS는 높은 트랜잭션 처리량과 에너지 효율성을 제공합니다.
• 권위 증명(PoA): PoA는 새 블록을 생성하는 역할을 하는 사전 승인된 검증자 세트에 의존합니다. PoA는 검증자 간에 신뢰가 확립된 개인 또는 허가된 블록체인에 적합합니다.

해시 기반 증명 시스템의 진화하는 추세

연구원과 개발자는 해시 기반 증명 시스템의 효율성과 보안을 개선할 수 있는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다. 현재 추세 중 일부는 다음과 같습니다.

• ASIC 저항성: ASIC(Application-Specific Integrated Circuits)에 저항하는 PoW 알고리즘을 개발하려는 노력이 이루어지고 있습니다. ASIC는 특히 채굴을 위해 설계된 특수 하드웨어로, 채굴 능력의 중앙 집중화로 이어질 수 있습니다. CryptoNight 및 Equihash와 같은 알고리즘은 ASIC 저항성으로 설계되었지만 많은 경우 이러한 알고리즘에 대해 ASIC가 결국 개발되었습니다.
• 에너지 효율적인 마이닝 알고리즘: 연구자들은 더 적은 에너지 소비를 필요로 하는 새로운 PoW 알고리즘을 모색하고 있습니다. 예를 들어 GPU와 ASIC 채굴자 간의 경쟁의 장을 평준화하도록 설계된 ProgPoW(Programmatic Proof-of-Work)와 유휴 컴퓨팅 리소스를 활용하는 알고리즘이 있습니다.
• 하이브리드 합의 메커니즘: PoW를 PoS와 같은 다른 합의 메커니즘과 결합하여 두 접근 방식의 강점을 활용합니다. 예를 들어 일부 블록체인은 PoW를 사용하여 네트워크를 부트스트랩한 다음 PoS로 전환합니다.

실제 사례

여러 암호화폐 및 블록체인 플랫폼에서 해시 기반 증명 시스템을 사용합니다.

• 비트코인(BTC): 최초이자 가장 잘 알려진 암호화폐인 비트코인은 PoW 알고리즘에 SHA-256을 사용합니다. 비트코인의 보안은 전 세계에 분산된 광대한 채굴자 네트워크에 의해 유지됩니다.
• 라이트코인(LTC): 라이트코인은 처음에 ASIC 저항성으로 설계된 Scrypt 해싱 알고리즘을 사용합니다.
• 도지코인(DOGE): 도지코인도 Scrypt 알고리즘을 사용합니다.
• 이더리움(ETH): 이더리움은 지분 증명으로 전환되기 전에 PoW 알고리즘에 대해 Keccak 해시 함수의 수정 버전인 Ethash를 처음 사용했습니다.

실행 가능한 통찰력

블록체인 기술에 관심이 있는 개인 및 조직의 경우 해시 기반 증명 시스템을 이해하는 것이 필수적입니다. 다음은 몇 가지 실행 가능한 통찰력입니다.

• 합의 메커니즘의 최신 개발 상황에 대한 정보를 얻으십시오. 블록체인 환경은 끊임없이 진화하고 있으며 새로운 알고리즘과 접근 방식이 정기적으로 등장합니다.
• 다양한 합의 메커니즘 간의 장단점을 평가하십시오. 각 접근 방식의 보안, 에너지 효율성, 확장성 및 탈중앙화 속성을 고려하십시오.
• PoW의 환경 영향을 고려하십시오. 에너지 소비가 우려되는 경우 대체 합의 메커니즘을 탐색하거나 지속 가능한 채굴 관행을 촉진하는 이니셔티브를 지원하십시오.
• 채굴 능력의 중앙 집중화와 관련된 위험을 이해하십시오. 보다 분산되고 탈중앙화된 채굴 생태계를 촉진하는 이니셔티브를 지원하십시오.
• 개발자의 경우: 해싱 알고리즘 구현을 엄격하게 테스트하고 감사하여 안전하고 공격에 저항력이 있는지 확인하십시오.

결론

해시 기반 증명 시스템, 특히 작업 증명은 블록체인 네트워크를 보호하고 탈중앙화된 암호화폐 생성을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 했습니다. PoW는 높은 에너지 소비로 인해 비판을 받았지만 입증되고 신뢰할 수 있는 합의 메커니즘으로 남아 있습니다. 블록체인 산업이 계속 진화함에 따라 지속적인 연구 개발 노력은 해시 기반 증명 시스템의 효율성, 보안 및 지속 가능성을 개선하고 대체 합의 메커니즘을 탐색하는 데 중점을 두고 있습니다. 이러한 시스템을 이해하는 것은 블록체인 기술의 미래에 관여하거나 관심이 있는 모든 사람에게 중요합니다.