블록체인 합의 알고리즘은 스파이를 색출하기 위해 탄생했습니다. 스파이는 보안이 필요한 조직에게 언제나 골치 아픈 존재인데요. 조직 안에 스파이가 잠입해 있다면..., 보안과 신뢰를 잃는 건 시간문제이기 때문이에요! 😱

전쟁이 한창이던 비잔티움 제국에도 스파이가 있었습니다. 비잔티움 장군들이 적군의 도시를 함락하라는 명령 앞에 망설이고 있던 이유였죠. 정확한 정체는 모르지만, 적군의 스파이가 어딘가 숨어있다는 사실은 분명했거든요. 게다가 각자의 담당 구역이 정해져 있어, 서로 멀리 떨어져 있는 상황이었습니다. 함께 힘을 합쳐도 성공할까 말 까인데... 중간에 스파이가 장난을 치기라도 하면, 크게 참패할 것이 뻔했어요! 따라서 명령을 수행하기 전, 우선적으로 스파이를 색출해 낼 필요가 있었습니다. 보다 정확하게는 스파이를 찾아낼 방법이 필요했던 거예요!

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비잔티움 장군들이 무사히 스파이를 찾아냈을까요? 글쎄, 아마 아무도 모를 겁니다. 사실 이 이야기는 ‘비잔티움 장군 문제’라는 이름으로 더 유명한 사고 실험이거든요. 하지만 우리가 주목해야 할 부분이 있습니다. 바로 비잔티움 장군들 앞에 놓인 문제가 블록체인 네트워크의 문제와 유사하다는 사실이죠!

여기서 말하는 블록체인 네트워크는 ‘균등한 영향력을 가진 다수의 노드가 참여한다’는 것을 전제합니다. 각 노드의 파워 차이가 없어, 악의적인 노드가 방해 행위를 할 수 있는 가능성을 고려하고 있어요. 참여 노드의 50%가 넘는 비중을 차지하여 네트워크를 장악하는 51% 공격(51% Attack)이 그 대표적인 예인데요. 채굴량을 과점하여 다른 노드들이 옳은 블록을 채택하지 못하도록 막는 행위를 말해요. 따라서 지금부터 언급하는 ‘블록체인 네트워크’는 ‘개방형 블록체인(Public Blockchain)’이라는 의미로 이해해 주세요!

그렇다면 우리는 어떻게, 이 무시무시한 블록체인 네트워크의 문제를 막을 수 있을까요?

1️⃣ 작업 증명(PoW: Proof of Work) 합의 알고리즘

작업 증명 합의 알고리즘(이하 작업 증명)은 비트코인의 창시자 사토시 나카모토의 논문에 등장하며 다시 한번 세상의 주목을 받았습니다. 작업 증명에서 중요한 것은 해시값을 구하는 ‘작업’인데요! 해시값이란, 해시 함수를 통해 얻을 수 있는 데이터의 고유 식별값을 말합니다. 일정한 개수의 숫자열로 그 개수는 해시 함수의 종류에 따라 달라져요. 비트코인의 경우, SHA-256 함수를 사용합니다. 이는 항상 256비트(32바이트)의 숫자열을 출력해 내는 함수라고 해요!

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👀 작업 증명(PoW)의 방법

비트코인을 예시로 작업 증명을 설명해 보겠습니다. 목표는 주어진 난이도 이하의 해시값을 구하는 것이에요. 채굴(Mining)이라고 부르는 이 작업은 평균 10분이라는 시간 동안, 난이도로 주어지는 해시값보다 작은 값을 찾아내야 하죠!

정말 쉬워 보이지만, 해시값을 찾는 과정은 컴퓨터의 굉장한 계산력을 필요로 합니다. 확률 싸움이거든요! 언제, 어느 순간 원하는 결괏값을 도출할 수 있을지 아무도 모릅니다. 만약 결괏값을 도출했다면? 이 결과를 다른 노드들에게 전달하여 유효성 검증 절차를 거쳐야 해요. 검증의 과정은 굉장히 빠르게 진행됩니다. 검증이 완료되면, 유효한 블록으로 인정받고 동시에 보상 즉, 비트코인이 주어지는 구조이죠.

👀 작업 증명(PoW)의 문제

작업 증명은 너무 많은 전력 에너지를 소모합니다. 해시값을 계산할 때, 상당한 전력 에너지를 필요로 하기 때문이죠. 환경 이슈가 중요한 세계 사회 문제로 여겨지고 있는 지금, 결코 가볍게 생각할 수 없는 문제입니다.

작업 증명이 중앙화를 야기할 수 있다는 것 또한 주요 문제로 꼽힙니다. 앞서 언급한 51% 공격처럼 함께 해시값을 찾아줄 동료 컴퓨터가 있으면, 원하는 결과를 도출할 확률이 높아지거든요! 실제로 비트코인 채굴을 전문으로 하는 기업들이 세계 곳곳에 존재한다고 합니다. 블록체인 네트워크의 궁극적 지향점인 탈중앙화를 위협할 수 있어 반드시 주의가 필요한 부분이죠.

2️⃣ 지분 증명(PoS: Proof of Stake) 합의 알고리즘

지분 증명 합의 알고리즘(이하 지분 증명)은 작업 증명의 전력 에너지 사용 이슈를 해결하고자 발의되었습니다. 지분 증명에서 가장 중요한 것은 ‘보유하고 있는 코인의 양’이에요! 코인을 많이 가지고 있을수록, 블록 검증 및 생성 과정에 행사할 수 있는 영향력이 커지기 때문입니다.

👀 지분 증명(PoS)의 방법

지분 증명의 경우, 작업 증명과 달리 해시값을 찾지 않습니다. 단지 코인을 보유하고 있다는 것을 증명하기만 하면 끝이에요! 노드는 자신이 보유한 코인을 예치하고 다음 블록을 검증하는 작업에 참여합니다. 과반수의 지지를 받은 블록이 채택되는 구조예요. 이 과정을 스테이킹(Staking)이라 부릅니다. 스테이킹에 참여한 노드들은 그 보상으로 추가 코인을 받게 된답니다.

결과적으로 지분 증명은 작업 증명에 비해 거래 처리 속도가 빠릅니다. 더불어 해시값 계산에 필요한 전력 에너지도 아낄 수 있어요!

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👀 지분 증명(PoS)의 문제

코인을 보유하고 있는 사람은 많습니다. 하지만 이들 중 고래의 수는 현저히 적어요. 이런 상황에서 보유 지분의 양에 따라 블록 생성에 미치는 영향력이 차등된다면, 어떤 결과가 발생할까요? 소수의 사람들에게 권력이 집중되는 중앙화가 야기될지 모릅니다. 따라서 이를 방지하기 위한 대책들이 제시되고 있어요. 대표적인 것이 코인 보유 일수(Coin Age)에 따라 가중치를 주는 것입니다. 코인 보유량이 적더라도 그 기간이 길다면, 블록 생성 과정에 더 큰 영향력을 미칠 수 있도록 가중치를 주는 것이죠!

두 번째는 손해 볼 것이 없는 상태(Nothing at Stake)입니다. 블록체인 네트워크의 특성상, 부득이 2개의 블록이 동시에 생성되는 상황이 발생할 수 있거든요. 이때 보상에 눈이 먼 악의적인 노드가 2개 블록 모두를 지지하는 방해 행위를 할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 제시된 것이 ‘보증금 제도’예요. 노드가 블록 생성에 참여하기 전 보증금을 예치하도록 하고 잘못된 선택을 했다면, 보증금의 일부를 벌금으로 삭감하여 참여 노드들이 옳은 결정을 하도록 유도하는 것이죠!

블록 생성 및 검증 권한을 소수의 노드에게 위임하는 방식도 있습니다. 위임 지분 증명(DPoS: Delegated Proof of Stake) 합의 알고리즘은 지분 증명과 동일한 구조이지만, 증인이라 불리는 노드들의 대표자만이 블록 생성 과정에 참여할 수 있거든요. 증인은 투표를 통해 선출되고요. 위임 지분 증명 합의 알고리즘은 탈중앙을 다소 포기하는 대신, 지분 증명보다 더 빠른 거래 처리 속도를 자랑합니다. 더불어 잘못된 의사 결정을 내린 증인은 투표를 통해 해임될 수 있기에, 나름의 보안 장치도 갖춘 한층 진화한 지분 증명이라고 할 수 있어요.

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이 밖에도 프랙티컬 비잔틴 장애 허용(PBFT: Practical Byzantine Fault Tolerance) 합의 알고리즘, 권위 증명(PoA: Proof of Authority) 합의 알고리즘 등 다양한 블록체인 합의 알고리즘들이 이미 존재하고 또 새로 생겨나고 있습니다. 이들 각각이 채택되는 환경 및 작동 원리는 다 다르지만, 신뢰할 수 있는 블록체인 네트워크를 만들고자 하는 바람을 담고 있다는 것만은 동일해요. 기술이 발전하고 시대가 빠르게 변할지라도, 신뢰는 언제나 중요한 가치라는 사실을 증명하고 있다는 생각이 듭니다.

신뢰를 위협하는 스파이는 예나 지금이나 굉장히 위협적인 존재입니다. 그러니 다른 건 몰라도 보안만큼은, 언제나 과해도 괜찮은 것 같아요! 🤗

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