비트코인 투자를 고민 중인데, 개발자로서 비트코인과 관련된 기술을 이해하고 투자하는것이 좋다고 판단해 정리해보는 시간을 갖으려고한다. 비트코인은 블록체인 기술 위에서 동작하는 암호화폐로 블록체인에 블록을 추가하면 그 보상으로 비트코인을 주는 구조로 되어있다. 이 블록체인의 블록을 추가하기위해서 어떤 과정을 거치는지 오늘 알아보려고한다.
작업증명이란
작업 증명(Proof of Work, PoW) 알고리즘은 암호화폐 네트워크의 거래를 검증하고 새로운 블록을 추가하는 과정을 통해 네트워크의 안전성을 보장하는 합의 메커니즘입니다. 작업 증명 알고리즘은 다음과 같은 원리와 과정으로 작동합니다:
기본 원리
작업 증명은 네트워크 참여자(채굴자)가 복잡한 수학적 문제를 해결하는 데 컴퓨터 자원을 사용하는 알고리즘입니다. 이 수학적 문제는 고도의 계산력을 요구하며, 문제를 해결하면 새로운 블록을 생성하고 이를 블록체인에 추가할 수 있는 권한을 얻습니다.
과정
- 문제 설정: 네트워크는 특정 수학적 문제를 설정합니다. 이 문제는 매우 복잡하여, 많은 계산이 필요합니다.
- 채굴: 채굴자들은 이 문제를 해결하기 위해 경쟁합니다. 문제를 해결하기 위해 해시 함수를 반복적으로 적용하여 특정 조건을 만족하는 해시 값을 찾습니다.
- 문제 해결: 특정 조건을 만족하는 해시 값을 처음으로 찾은 채굴자는 새로운 블록을 생성할 권한을 얻습니다. 이 블록에는 최근의 거래 내역이 포함됩니다.
- 블록 검증: 다른 네트워크 참여자들은 새로 생성된 블록을 검증합니다. 블록이 유효한지 확인한 후, 블록체인에 추가됩니다.
- 보상: 문제를 해결한 채굴자는 보상으로 새로 발행된 암호화폐(블록 보상)와 거래 수수료를 받습니다.
특징
- 보안성: 작업 증명은 높은 계산력을 요구하기 때문에, 악의적인 공격자가 네트워크를 공격하려면 전체 네트워크 계산력의 51% 이상을 장악해야 합니다. 이는 매우 어려운 일입니다.
- 에너지 소모: 작업 증명 알고리즘은 많은 에너지를 소비합니다. 이는 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
- 탈중앙화: 많은 채굴자가 네트워크에 참여할수록 네트워크는 더욱 탈중앙화되고 보안성이 높아집니다.
비트코인에서의 작업 증명
비트코인 네트워크에서 작업 증명 알고리즘은 SHA-256 해시 함수를 사용합니다. 채굴자들은 블록 헤더 정보를 입력값으로 하여, 특정 조건을 만족하는 해시 값을 찾기 위해 반복적으로 해시 연산을 수행합니다. 이 과정에서 최초로 조건을 만족하는 해시 값을 찾은 채굴자는 블록을 생성하고 보상을 받습니다.
작업 증명 알고리즘의 예시
작업 증명 알고리즘의 기본 목표는 특정한 해시 값을 찾는 것입니다. 해시 값은 SHA-256과 같은 해시 함수에 의해 생성되며, 이 해시 값은 주어진 입력값의 고유한 출력입니다. 채굴자는 특정 조건을 만족하는 해시 값을 찾기 위해 입력값을 계속해서 바꿔가며 시도합니다.
목표 및 입력 조건
- 해시 함수 SHA-256을 사용하여 '0000'으로 시작하는 해시 값을 찾아야 한다.
- 입력값 : 블록 헤더(이전 블록의 해시, 타임스탬프, 거래 목록 등) + 논스(nonce)라는 임의의 숫자를 사용한다.
단계별 과정
- 블록 헤더 설정: 새로운 블록을 만들기 위해 블록 헤더를 준비합니다. 블록 헤더에는 이전 블록의 해시, 현재 타임스탬프, 거래 목록 등이 포함됩니다.
- 논스 초기화: 채굴자는 논스(nonce)를 0으로 초기화합니다. 논스는 해시 값을 변경하기 위해 사용되는 임의의 숫자입니다.
- 해시 계산: SHA-256 해시 함수에 블록 헤더와 논스를 결합하여 해시 값을 계산합니다.
예시: 블록 헤더 + 논스 = "PreviousBlockHash + Timestamp + Transactions + 0"
SHA-256("PreviousBlockHash + Timestamp + Transactions + 0") = "5d41402abc4b2a76b9719d911017c592"4. 해시 값 검증: 생성된 해시 값이 목표 조건을 만족하는지 확인합니다. 이 예시에서는 해시 값이 '0000'으로 시작해야 합니다.
"5d41402abc4b2a76b9719d911017c592" -> '0000'으로 시작하지 않음 -> 실패5. 논스 증가: 목표 조건을 만족하지 않으면 논스를 1 증가시키고 다시 해시 값을 계산합니다.
논스 = 1
SHA-256("PreviousBlockHash + Timestamp + Transactions + 1") = "7d793037a0760186574b0282f2f435e7"6. 반복: 목표 조건을 만족하는 해시 값을 찾을 때까지 이 과정을 반복합니다.
논스 = 42517
SHA-256("PreviousBlockHash + Timestamp + Transactions + 42517") = "0000a67bff3a2b31c10a1f429d5c83e3"7. 블록 생성: 특정 조건을 만족하는 해시 값을 찾으면, 채굴자는 이 해시 값을 블록에 포함시켜 블록체인에 추가할 수 있습니다. 이 블록에는 새로운 거래 목록과 함께 논스 값이 포함됩니다.
8. 보상: 블록을 성공적으로 생성한 채굴자는 새로운 암호화폐(블록 보상)와 거래 수수료를 보상으로 받습니다.
결론
작업 증명 알고리즘은 암호화폐 네트워크의 안전성을 보장하는 중요한 메커니즘입니다. 그러나 높은 에너지 소비와 환경에 대한 영향 때문에, 일부 암호화폐 프로젝트는 지분 증명(Proof of Stake)과 같은 대안적인 합의 메커니즘으로 전환하고 있습니다.
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