블록체인 기술의 정의와 유형, 합의 알고리즘을 통한 블록 생성 및 채굴 과정, 그리고 확장성 문제와 같은 기술적 특성에 관한 고찰 doc_id PCY_201908260556547681_1

블록체인 기술은 비트코인이라는 분산 컴퓨팅 기반의 전자화폐 시스템(Peer-to-Peer Electronic Cash System)을 구현하기 위하여 사토시나카모토라는 익명의 개발자가 고안하였다. 해시캐시(Hashcash)와 같은 다양한 선행 기술이 소개되었지만 실제로 사용 가능한 수준까지 도달한 것은 비트코인이 최초라고 할 수 있다. 이후 선구적 웹브라우저 개발자인 마크 앤드리슨은 “비트코인은 정보처리 분야에서 오랜 세월 우리를 괴롭혀 온 비잔티움 장군 문제(Byzantine Generals Problem)를 (Lamport et al., 1982) 해결한 혁신적인 기술”(Marc, 2014. 1. 21.)이라고 평가하는 등 블록체인 기술 자체에 세계적 이목이 집중되고 있으며 다양한 형태로 발전하고 있다. 본격적으로 블록체인의 응용 분야를 알아보기 전에 블록체인의 용도나 블록체인이 적용되는 네트워크의 운영 형태에 따른 구분을 할 필요가 있다. 블록체인은 네트워크 참여에 사전 승인이 필요한지에 따라 크게 허가형과 비허가형 블록체인으로 구분할 수 있다. 좀 더 세분화한다면 개방형(Public), 폐쇄형(Private) 혹은 연합형(Consortium)으로 나눌 수 있다. 허가형 블록체인에는 폐쇄형과 연합형이, 비허가형에는 개방형이 속한다. 비허가형 블록체인은 해당 네트워크에 참여하는 데 아무런 제한이 없어 누구나 참여할 수 있다. 비허가형 블록체인에 참여하는 노드는 합의 과정에 기여한 보상으로 암호화폐를 받는다. 비허가형 블록체인에 이러한 인센티브가 없다면 참여 노드가 사라지게 되고 결국 운영이 중단될 수 밖에 없으므로 비허가형 블록체인과 암호화폐는 분리할 수 없는 개념이라고 할 수 있다. 비허가형 블록체인은 탈중앙화된 형태로 운영되므로 정보의 투명성과 무결성이 보장되나 다른 형태에 비해 거래 처리 속도가 느리다. 비트코인이 대표적인 비허가형 블록체인에 해당한다. 블록체인은 중앙기관과 같은 하나의 컨트롤타워 없이 탈중앙화된 형태로 운영되며, 블록체인 네트워크에 참여하는 모든 노드들이 동일한 역할을 한다. 이때 거래의 유효성 검증, 새로운 블록의 생성과 연결, 그리고 생성된 블록체인을 전체 노드가 동일하게 유지하기 위해 필요한 것이 바로 합의 알고리즘이다. 기본적으로 블록체인 네트워크, 즉 P2P 네트워크에 참여하는 노드는 지리적으로 전 세계 분산되어 있으며 다양한 기종의 컴퓨팅 머신으로 구성될 수 있다. 이러한 환경에서는 생성된 거래 내역이 전체 노드에 전달되기까지 소요되는 시간이 각기 다를 수 있으며, 심지어 해당 정보를 수신하지 못하는 노드가 발생할 수도 있다. 따라서 악의적 목적의 데이터 위변조뿐만 아니라 중복된 거래 내역 수신이나 미수신된 정보로 인한 오작동의 가능성을 피하는 것이 합의 알고리즘의 목적이라 할 수 있다. 블록 생성 과정은 마치 금광에서 금을 캐는 과정과 유사하다고 하여 채굴(mining)이라고 일컫는다. 블록체인에 참여하는 노드는 어떤 노드가 생성하여 전파한 블록을 전송받아서 그 블록에 포함된 거래 내역의 유효성을 검증한다. 이때 ‘어떤 노드가 새로운 블록을 생성하여 전파’하는 과정을 채굴이라 한다. 블록 생성은 정해진 합의 알고리즘에 따라 진행된다. 가장 대표적인 합의 알고리즘인 작업 증명(PoW)에 따른 블록 생성 방법을 설명하도록 한다. 누군가 새로운 거래를 생성(예시: 비트코인을 다른 사람에게 지불)했다면 이를 블록체인에 기록하기 위해 그 거래 내역을 모든 노드에 전파하게 된다. 각 노드는 아직 블록체인에 포함되지 않은 거래 내역들을 모아 두었다가 자기 자신만의 새로운 블록(정확히는 블록 보디)에 포함시킨다. 새로운 블록에 일정량의 거래 기록들이 모이면 위변조를 막기 위한 머클 해시값을 계산하여 블록 헤더에 기록한다. 노드가 현재 가지고 있는 블록체인의 마지막 블록의 블록 해시값을 새로운 블록의 블록 헤더에 기록함으로써 기존의 블록체인과 연결한다. 새로운 블록의 헤더의 넌스값에 여러 가지 값을 무작위로 대입해 보면서 난이도 목표값(발견해야 할 숫자 비트의 연속된 0의 개수)을 만족시키는 해시값을 계속해서 계산한다. 개방형 블록체인의 경우 누구나 네트워크에 참여하여 채굴에 도전할 수 있다. 그러나 더 고성능의 컴퓨터를 갖춘 노드가 작업 증명에 유리할 수밖에 없다. 성능을 높이기 위해서는 더 많은 자본을 투자해야 함을 의미하고, 이는 블록체인 네트워크에 참여하려는 자의 진입 장벽을 높게 만든다. 이러한 상황에서 개인이 채굴에 도전하여 새로운 블록을 생성할 확률은 극히 낮다. 이를 타개하기 위해 채굴 연합을 형성한 후, 공동으로 채굴에 참여한다. 만약 해당 연합에서 새로운 블록을 발견하였을 경우 보상을 기여도에 따라 나누어 갖는 형태를 공동 채굴(mining pool)이라고 하며, 현재 이러한 채굴 방식이 주를 이루고 있다. 그러나 하나의 공동 채굴 단체가 블록체인 네트워크의 과반수의 컴퓨팅 파워를 지속적으로 확보하게 된다면 이는 블록체인의 보안에 심각한 위협이 된다. 앞서 기존의 블록체인에 새로 생성된 블록을 연결하는 방법을 알아보았다. 새로운 블록을 빨리 생성하기 위해 여러 노드들이 경쟁한다고 하였는데, 만약 두 노드가 동시에 넌스값을 찾아냈다면 어떻게 처리해야 할 것인가 하는 문제가 남아 있다. 다행히 이러한 상황 또한 합의 알고리즘에 반영되어 있다. 이러한 상황을 블록체인의 분기라고 하며, 이는 긴 블록체인 선호 정책에 따라 해결한다. 즉 만약 동시에 새로운 블록이 생성되었다면 일시적으로 블록체인은 두 가닥으로 분기된다. 이후 노드들은 분기된 두 마지막 블록 중 하나의 블록을 선택하여 자신의 새로운 블록을 생성하여 연결한다. 이렇게 되면 두 분기의 길이가 달라지기 시작한다. 다음에 생성된 블록은 정책에 따라 길이가 더 긴 분기에 연결된다. 이러한 과정이 반복되면 결국에는 분기가 사라지고 가장 긴 분기를 기준으로 하나의 블록체인이 존재하게 된다. 노드가 길이가 긴 분기를 선택할 수밖에 없는 것은 만약 선택한 분기가 더 이상 연결되지 못하면 해당 분기는 모두 무효화되고 채굴에 대한 보상을 받을 수 없기 때문이다. 개방형 블록체인의 경우 초당 처리할 수 있는 거래가 수십 개에 불과하다. 폐쇄형 블록체인의 경우에도 수천 개에 불과한 상황이다. VISA 신용카드 거래의 경우 최대 초당 5만 건15)에 달하는 것으로 알려져 있는데, 블록체인이 이를 대체하기에는 아직까지 성능이 턱없이 부족하다. 확장성 문제는 더 많은 자원을 투입하더라도 거래 처리 속도가 증가하지 않는 것을 말한다. 이는 블록 생성 시간과 블록 크기의 제한과 연관되어 있다. 거래 처리 속도를 높이기 위하여 블록의 생성 시간을 빠르게 하면 블록체인의 분기가 발생할 확률이 높아지며 이는 블록체인의 보안을 취약하게 만든다. 또 한 번에 많은 양의 거래를 담기 위하여 블록의 크기를 늘리면 네트워크로 주고받아야 하는 데이터의 양이 급속히 증가하며, 이는 더 고사양의 컴퓨팅 장비가 동원되어야 함을 의미한다. 참고로 블록 하나의 크기가 1MB였던 비트코인의 경우, 지난 십여 년간의 거래 내역이 모여 있는 블록체인의 용량이 현재 약 180GB에 달하고 있다.