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해시 함수

해시 함수(Hash function)는 임의의 길이를 가진 데이터를 입력받아 고정 길이의 고유한 문자열로 출력하는 암호화 알고리즘입니다. 해시 함수는 다양한 목적으로 사용되며, 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

• (결정론적, Deterministic) 동일한 입력에 대해 항상 같은 출력을 생성합니다.

• (빠른 계산 속도) 입력 데이터에 대한 해시 값을 빠르게 계산할 수 있어야 합니다.

• (충돌 저항성, Collision resistance) 서로 다른 입력값에 대해 동일한 출력값(해시 충돌)을 찾기가 어려워야 합니다.

• (난이도 조절, Avalanche effect) 입력 데이터에 작은 변화가 있어도 출력 해시 값이 크게 달라져야 합니다.

해쉬함수 테스트

해시 함수는 다양한 분야에서 사용되며 특히 블록체인과 암호화폐에서 핵심 요소로 작용합니다. 블록체인에서 해시 함수는 다음과 같은 목적으로 사용됩니다.

• (작업 증명 채굴 과정) 채굴자들은 블록 헤더의 해시 값을 특정 목표 값보다 낮은 값으로 만들기 위해 작업을 수행합니다. 이 과정에서 해시 함수는 난이도 조절과 충돌 저항성을 통해 채굴 과정을 안전하게 유지합니다.

• (블록 및 트랜잭션의 무결성 검증) 블록체인의 블록 및 트랜잭션에 해시 값이 포함되어 있어 데이터의 변경이 발생하면 해시 값이 변경되어 무결성을 검증할 수 있습니다.

• (머클 트리 구성) 블록 내의 트랜잭션을 머클 트리로 구성할 때 각 트랜잭션의 해시 값을 사용하여 상위 노드의 해시 값을 계산합니다. 이를 통해 트랜잭션의 유효성을 빠르게 확인할 수 있습니다.

비트코인과 같은 블록체인 기술에서 가장 널리 사용되는 해시 함수는 SHA-256(Secure Hash Algorithm 256-bit)입니다. 이 외에도 다양한 해시 함수들이 있으며 각각의 알고리즘에 따라 다른 특성과 성능을 가집니다.

공개 키와 개인 키

공개 키와 개인 키는 암호화폐와 다양한 보안 애플리케이션에서 사용되는 비대칭 키 암호화(Asymmetric key cryptography)의 핵심 구성 요소입니다. 비대칭 키 암호화는 두 개의 다른 키를 사용하여 정보를 암호화하고 복호화하는 방식으로, 이 두 키는 공개 키(Public key)와 개인 키(Private key)라고 불립니다.

공개 키는 이름에서 알 수 있듯이 공개적으로 공유될 수 있는 키입니다. 이 키는 다른 사람들이 메시지를 암호화하거나 디지털 서명을 검증할 때 사용됩니다. 공개 키는 원래의 메시지를 복호화하거나 서명을 생성할 수 없기 때문에 공개 키를 알고 있는 사람들이 원본 메시지나 서명에 액세스할 수 없습니다.

개인 키는 공개 키와 쌍을 이루는 비밀 키로 소유자만이 알고 있어야 합니다. 개인 키는 암호화된 메시지를 복호화하거나 디지털 서명을 생성할 때 사용됩니다. 개인 키는 매우 중요한 정보이므로 안전하게 보관되어야 합니다. 만약 개인 키가 노출되면 소유자의 데이터와 자산이 탈취당할 위험이 있습니다.

비트코인에서는 타원곡선 디지털 서명 알고리즘(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, ECDSA)을 사용하여 공개 키와 개인 키를 생성하고 관리합니다. 이를 통해 사용자는 비트코인 거래를 안전하게 생성, 검증 및 전송할 수 있습니다. 공개 키는 비트코인 주소로 변환되어 거래에 사용되며 개인 키는 해당 주소의 비트코인을 소비하거나 전송할 때 사용됩니다. 이러한 방식은 효과적으로 거래의 보안과 데이터 무결성을 보장합니다.

거래(트랜잭션, TX)

비트코인 거래(Transaction, 줄여서 TX)는 비트코인 네트워크에서 가장 중요한 요소 중 하나로 사용자들이 비트코인을 전송하거나 받는 과정을 나타냅니다. 거래는 비트코인을 소유한 주소에서 다른 주소로 전송하는 방식으로 이루어지며, 이러한 과정은 블록체인에 기록되어 영구적으로 저장됩니다. 비트코인 거래는 주로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• (입력, Inputs) 거래 입력은 비트코인을 소비하는 주소입니다. 이 주소에서 이전 거래의 출력에서 비트코인을 사용할 수 있습니다. 일반적으로 입력에는 사용자의 개인 키에 의해 생성된 디지털 서명이 포함되어 있어 해당 주소의 비트코인 소유권을 증명합니다.

• (출력, Outputs) 거래 출력은 비트코인을 받는 주소로 거래의 수신자에 해당합니다. 이 주소에 할당된 금액이 전송됩니다.

• (금액, Amount) 거래에서 전송되는 비트코인의 양입니다. 이 금액은 입력에서 사용되는 비트코인의 총량과 출력에서 받는 비트코인의 총량이 일치해야 합니다. 이러한 일치를 통해 이중지불(더블 스펜딩, double-spending)을 방지하고, 거래의 정확성을 보장합니다.

• (거래 수수료, Transaction fees) 비트코인 거래는 네트워크에서 처리되기 위해 마이너들에게 거래 수수료를 지불해야 합니다. 거래 수수료는 마이너가 블록에 거래를 포함시킬 동기를 제공하며, 일반적으로 입력에서 사용되는 비트코인의 총량에서 출력에서 받는 비트코인의 총량을 뺀 차이로 계산됩니다.

비트코인 거래가 생성되면 네트워크에 전파되어 다른 노드들이 검증을 수행합니다. 검증이 완료되면 거래는 블록체인에 추가될 수 있는 트랜잭션 풀(Transaction pool)에 들어갑니다. 마이너들은 이 풀에서 거래를 선택하여 블록에 포함시키고, 작업 증명(PoW) 알고리즘을 통해 블록을 마이닝합니다. 블록이 성공적으로 마이닝되면 거래는 블록체인에 영구적으로 기록되어 완료됩니다.

The Mempool Open Source Project™mempool

비트코인 거래의 보안은 암호화 기술과 블록체인의 합의 알고리즘에 의해 보장됩니다. 거래를 생성할 때 사용되는 디지털 서명은 해당 주소의 비트코인 소유권을 증명하며, 블록체인의 합의 알고리즘은 거래가 올바르게 검증되고 기록됨을 보장합니다. 또한 거래가 블록체인에 기록되면 블록체인의 최장 체인 규칙에 의해 거래가 영구적으로 확정되며, 이중지불이 방지됩니다.

비트코인 거래의 처리 속도는 네트워크의 전체 해시 레이트와 마이너들의 수수료 정책, 그리고 네트워크의 혼잡도에 따라 달라집니다. 일반적으로 높은 거래 수수료를 지불하는 거래는 더 빠르게 처리되며, 마이너들은 이러한 거래를 블록에 먼저 포함시키려고 합니다.

비트코인 거래는 익명성과 투명성을 동시에 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 거래 주소는 공개되어 블록체인에 기록되기 때문에 투명성이 보장되지만, 주소와 개인 정보의 연결이 없어 익명성이 유지됩니다. 그러나 이러한 익명성은 상대적이며, 다양한 분석 기법을 통해 주소와 사용자 간의 연관성을 추론할 수 있는 경우가 있습니다.

PSBT(Partially Signed Bitcoin Transaction)

PSBT는 트랜잭션 생성, 각 입력의 서명, 그리고 최종 트랜잭션의 방출까지의 전체 과정을 가능하게 합니다. 이는 다중 서명(multisig) 또는 하드웨어 지갑과 같은 복잡한 비트코인 사용 시나리오에서 중요합니다.

PSBT 트랜잭션의 기본적인 생명 주기는 다음과 같습니다:

1. 생성 : 미완성된 "기반" 트랜잭션이 만들어집니다. 이 트랜잭션은 각 입력에 필요한 모든 정보를 포함하고 있지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 이전 트랜잭션에서 사용된 출력은 포함되지 않을 수 있습니다.

2. 업데이트 : 이 단계에서는 누락된 정보를 추가합니다. 이는 보통 이전 트랜잭션의 출력과 관련된 데이터를 추가하는 것을 포함합니다. 여기서 PSBT 파일은 각 입력에 대해 필요한 정보를 갖추게 됩니다.

3. 서명 : 모든 필요한 정보가 제공되면, 각 입력은 관련된 개인 키를 가진 개체에 의해 서명될 수 있습니다. 서명자는 자신의 개인 키를 사용하여 트랜잭션의 해당 부분을 서명하고 PSBT에 서명을 추가합니다.

4. 결합 : 모든 입력이 서명되면, PSBT는 모든 서명을 결합하여 완전히 서명된 트랜잭션을 생성합니다.

5. 방출 : 완전히 서명된 트랜잭션은 이제 비트코인 네트워크로 전송될 수 있습니다.

채굴

채굴(Mining)은 비트코인 네트워크에서 중요한 역할을 하는 과정으로 거래의 검증, 블록 생성, 그리고 새로운 비트코인 발행을 담당합니다. 채굴은 분산된 노드들이 네트워크에 참여하여 경쟁적으로 수행하는 작업 증명(PoW, Proof of Work) 알고리즘을 기반으로 하며, 이를 통해 블록체인의 보안과 무결성이 유지됩니다.

비트코인 채굴 과정은 다음과 같습니다.

• 트랜잭션 풀(Transaction pool)에서 대기 중인 거래를 선택하여 새로운 블록의 후보를 만듭니다. 마이너들은 일반적으로 높은 거래 수수료를 지불하는 거래를 우선적으로 선택합니다.

• 블록 헤더(Block header)에 대해 작업 증명 알고리즘을 수행하며, 블록 헤더에는 머클 루트(Merkle root, 거래의 요약 정보), 이전 블록의 해시값, 타임스탬프, 난이도 목표(비트코인 네트워크에서 정한 해시값의 최대한계) 등이 포함됩니다.

• 마이너들은 블록 헤더에 있는 논스(Nonce)라는 값을 변경하며, 블록 헤더의 해시값을 계산합니다. 목표 난이도에 해당하는 해시값을 찾기 위해 이 과정을 반복합니다.

• 목표 난이도보다 작은 해시값을 찾으면 마이너는 작업 증명을 완료한 것으로 간주되며, 새로운 블록을 네트워크에 전파합니다.

• 다른 노드들은 블록을 검증하고, 올바르게 작업 증명이 수행된 것으로 확인되면 블록을 자신의 블록체인에 추가합니다.

• 작업 증명을 완료한 마이너는 새롭게 발행된 비트코인(블록 보상)과 거래 수수료를 보상으로 받습니다. 이 보상은 채굴 과정에 참여하는 노드들에게 경제적 동기를 제공합니다.

Blockchain Demo

굴 과정은 비트코인 네트워크의 핵심 기능으로 네트워크 참여자들이 합의를 이루고 거래를 안전하게 처리할 수 있도록 합니다. 채굴의 난이도는 네트워크에 참여하는 채굴자들의 해시 레이트에 따라 조정되며, 이는 비트코인의 발행 속도를 일정하게 유지하고, 블록 생성 시간을 약 10분으로 유지하기 위한 목적이 있습니다.

비트코인 채굴은 네트워크의 보안과 무결성을 유지하며, 새로운 비트코인을 발행하는 과정입니다. 이 과정은 블록체인 기술의 핵심 구성 요소이며, 네트워크 참여자들이 거래를 안전하게 처리하고 합의를 이루기 위해 필요한 과정입니다.

비잔틴 장군 문제

비잔틴 장군 문제(Byzantine Generals Problem)는 컴퓨터 과학과 분산 시스템에서 오류 허용성과 합의 문제를 설명하는 대표적인 비유입니다. 이 문제는 1982년 레스 리포트(Leslie Lamport), 로버트 샤스테크(Robert Shostak), 및 마샬 피츠(Marshall Pease)에 의해 처음 제시되었습니다.

비잔틴 장군 문제는 다음과 같은 시나리오로 설명됩니다. 여러 개의 비잔틴(Bizantine) 군대가 적군을 공격하려 합니다. 각 군대는 서로 다른 장군에게 지휘를 받고 있으며, 공격에 성공하기 위해서는 모든 군대가 동시에 공격하거나, 전부 철수해야 합니다. 장군들은 전령을 사용해 서로 메시지를 전달할 수 있습니다. 그러나 일부 장군이나 전령이 배신자(Traitor)일 수 있으며, 이들은 잘못된 정보를 전달하거나 조작할 수 있습니다. 그렇다면 정직한 장군들이 어떻게 합의를 이루고, 올바른 결정을 내릴 수 있을까요?

이 문제는 분산 시스템에서 중요한 문제로 여겨집니다. 컴퓨터 네트워크의 노드들이 서로 메시지를 전달하며 합의에 이르려고 하지만, 일부 노드가 오작동하거나 악의적인 행동을 할 수 있습니다. 비잔틴 장군 문제는 이러한 상황에서 시스템 전체가 일관된 상태를 유지하고 올바른 결정을 내릴 수 있는 방법을 찾는 것을 목표로 합니다.

비잔틴 장군 문제를 해결하기 위한 다양한 알고리즘이 제안되었으며, 비트코인의 합의 알고리즘인 작업 증명(Proof of Work, PoW)도 이 중 하나입니다. 비트코인에서 PoW는 노드들이 난이도 목표를 만족하는 해시값을 찾기 위해 계산을 수행하고, 이를 통해 블록을 생성하는 과정입니다. PoW 알고리즘은 시스템 참여자들이 서로 신뢰하지 않아도 합의를 이루고, 비잔틴 장군 문제와 같은 상황에서도 안정적인 네트워크를 유지할 수 있게 해줍니다.

PoW를 사용한 비트코인 네트워크에서는 노드들이 높은 컴퓨팅 파워를 사용해 작업 증명을 완료하는 것이 경쟁적인 과정입니다. 이를 통해 서로 신뢰할 수 없는 노드들 사이에서도 합의에 도달하게 되며, 이는 비잔틴 장군 문제에 대한 해결책으로 작용합니다. 한편 비트코인 네트워크에서는 블록을 생성한 노드가 보상을 받게 되어 참여자들이 합의를 지원하도록 동기를 부여합니다.

비잔틴 장애 허용

비잔틴 장애 허용(Byzantine Fault Tolerance, BFT)은 분산 컴퓨팅 시스템에서 비잔틴 장군 문제를 해결하기 위한 특성입니다. 비잔틴 장애 허용 시스템은 일부 참여자가 잘못된 정보를 전달하거나 악의적인 행동을 해도 시스템 전체가 올바른 상태를 유지하고 합의에 도달할 수 있도록 설계되어 있습니다.

비잔틴 장애 허용 시스템은 다음과 같은 목표를 달성해야 합니다.

• (안전성, Safety) 시스템의 모든 정직한 참여자들은 동일한 값을 합의해야 합니다.

• (활동성, Liveness) 시스템의 정직한 참여자들은 합의를 계속해서 이끌어낼 수 있어야 합니다.

• (장애 허용, Fault Tolerance) 시스템은 악의적인 참여자들 또는 오작동하는 참여자들에 대해 허용 가능한 한도 내에서 올바르게 작동해야 합니다.

비잔틴 장애 허용은 블록체인 기술에서도 중요한 역할을 합니다. 비트코인은 작업 증명(Proof of Work) 알고리즘을 통해 비잔틴 장애를 극복하고, 참여자들 사이에서 합의를 이루도록 합니다. 이러한 알고리즘들은 비잔틴 장군 문제를 해결함으로써 분산 시스템이 안전하고 신뢰성 있는 작동을 보장할 수 있도록 돕습니다.

비트코인은 비잔틴 장애 허용 문제를 해결하는 데 게임 이론을 활용합니다. 게임 이론은 경제학과 수학의 한 분야로 참여자들이 이해관계에 따라 서로 상호작용하는 상황을 연구하는 학문입니다. 비트코인에서 참여자들은 블록 채굴 과정에서 경쟁적으로 작업 증명(Proof of Work)을 수행하고, 이를 통해 보상을 획득하려고 합니다. 이때 게임 이론은 참여자들의 선택과 행동을 설명하고 예측하는 데 도움을 줍니다.

비트코인의 핵심 원칙 중 하나는 규칙을 따르는 참여자들이 경제적 이익을 얻을 수 있도록 설계되어 있다는 것입니다. 즉, 참여자들이 정직하게 행동하면 보상을 받을 가능성이 높아지며, 이는 시스템 전체가 안정적으로 작동하도록 유지합니다.

블록체인의 작업 증명 과정에서 게임 이론이 적용되는 방식은 다음과 같습니다.

• 채굴자들은 블록을 생성하고, 거래를 포함하여 네트워크에 제출합니다.

• 채굴자들은 블록을 생성하는 데 필요한 작업 증명을 완료해야 합니다. 이 과정에서 채굴자들은 에너지와 자원을 소비하게 됩니다.

• 작업 증명을 완료하고, 블록이 네트워크에 추가되면 채굴자들은 보상(블록 보상과 거래 수수료)을 받게 됩니다.

이러한 경쟁 구조는 참여자들이 서로 신뢰하지 않아도 시스템이 안전하게 작동할 수 있도록 합니다. 채굴자들은 경제적 이익을 추구하기 때문에 정직하게 행동하고 규칙을 따르는 것이 이익을 극대화하는 전략이 됩니다. 따라서 게임 이론을 통해 비잔틴 장애 허용 문제를 해결하고, 블록체인 시스템의 안정성과 신뢰성을 보장합니다.