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작업증명(Proof of Work, 이하 PoW)은 블록체인 네트워크에서 트랜잭션을 검증하고 새로운 블록을 생성하는 과정에서 필요한 합의 알고리 중 하나입니다. 이 메커니즘은 네트워크 참여자들이 복잡한 수학적 문제를 해결함으로써 새로운 블록의 생성 권한을 얻게 합니다. PoW의 가장 큰 특징은 고도의 계산 작업이 요구된다는 점이며, 이는 네트워크의 안정성과 보안을 강화하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 처음에는 스팸 메일 방지 기술로 고안되었으나, 나중에는 비트코인을 비롯한 여러 암호화폐에서 널리 사용되기 시작했습니다.

목차

1. 작업증명(PoW)의 개발배경 및 발전

2. 작업증명(PoW)의 증명 과정(작동과정)

3. 작업증명(PoW)의 장단점 

4. 작업증명(PoW) 코인 종류

5. 마치며

1. 작업증명(PoW)의 개발배경 및 발전

작업증명(PoW)의 개념은 1993년 Cynthia Dwork와 Moni Naor에 의해 처음 제안되었습니다. 당시 이들은 이메일 시스템에서 스팸을 줄이기 위한 방법으로 PoW를 고안했습니다. 이후 1997년 Adam Back은 Hashcash 시스템을 통해 이 개념을 구체화했으며, 이는 이메일 스팸 방지 및 서비스 거부 공격(DoS)에 대한 대응책으로 사용되었습니다.

비트코인의 창시자인 사토시 나카모토는 2008년에 발표한 비트코인 백서를 통해 PoW를 디지털 화폐 시스템의 핵심 요소로 도입했습니다. 나카모토는 PoW를 사용하여 비트코인 네트워크의 합의를 달성하고, 이중 지출 문제를 방지하는 방법을 제시했습니다. 이로써 PoW는 암호화폐와 블록체인 기술의 기반으로 자리 잡게 되었습니다. PoW의 도입 이후, 여러 암호화폐 프로젝트들이 이 합의 메커니즘을 채택하여 사용했습니다. 그러나 시간이 지나면서 PoW의 에너지 소비와 확장성 문제가 점차 부각되면서, 많은 새로운 블록체인 프로젝트들은 더 효율적이고 지속 가능한 합의 메커니즘을 모색하기 시작했습니다. 그 결과, 지분증명(PoS), 위임지분증명(DPoS) 등의 새로운 합의 알고리즘이 등장했습니다.

2. 작업증명(PoW)의 증명 과정(작동과정)

2.1. PoW증명과정 개요

PoW의 증명 과정은 참여자(채굴자)가 주어진 수학적 문제를 해결하는 것에서 시작됩니다. 이 문제는 그 해답을 찾는 것이 매우 어렵지만, 해답이 제출되었을 때 그것이 올바른지를 확인하는 것은 매우 쉬운 특징을 가지고 있습니다. 문제를 해결하기 위해 채굴자는 대량의 컴퓨팅 파워를 사용해야 하며, 문제를 가장 먼저 해결한 참여자가 다음 블록을 네트워크에 추가할 권리와 그에 대한 보상을 받습니다.

-문제 제시 : 네트워크는 새로운 블록을 생성하기 위해 해결해야 하는 수학적 문제(예: 특정 조건을 만족하는 해시 값 찾기)를 제시합니다.
-문제 해결 : 채굴자들은 이 문제를 해결하기 위해 자신의 컴퓨팅 리소스를 사용하여 수많은 계산을 시도합니다. 이 과정에서 막대한 양의 전기가 소모될 수 있습니다.
-해답 제출 및 검증 : 문제를 가장 먼저 해결한 채굴자는 해답을 네트워크에 제출합니다. 다른 참여자들은 이 해답이 정확한지를 빠르게 검증할 수 있습니다.
-보상: 해답이 올바르면, 문제를 해결한 채굴자는 새로운 블록을 체인에 추가할 권리와 함께 암호화폐 형태의 보상을 받습니다.

2.2. PoW증명과정 세부설명

작업증명(PoW)의 핵심은 참여자들이 복잡한 수학적 문제를 해결함으로써 네트워크에 대한 기여를 증명하는 것입니다. 이 문제는 해시 함수를 사용하여 생성되며, 해시 함수는 임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 해시값으로 변환하는 함수입니다. 비트코인에서 사용되는 SHA-256 해시 함수는 강력한 암호학적 속성을 가지고 있으며, 해시값을 예측하기 매우 어렵습니다.
PoW에서의 문제 해결 과정은 대상 해시값보다 작거나 같은 해시값을 갖는 논스(nonce)를 찾는 것입니다. 이 과정에서 채굴자는 블록의 헤더 데이터에 논스 값을 반복적으로 삽입하고, 해당 데이터의 해시값을 계산합니다. 적절한 논스 값을 찾는 것은 매우 어렵지만, 한 번 찾아지면 네트워크의 다른 참여자들이 빠르게 검증할 수 있습니다.

PoW 시스템은 난이도 조정 알고리즘을 통해 블록 생성 시간을 일정하게 유지합니다. 비트코인 네트워크의 경우, 평균적으로 10분마다 한 블록이 생성되도록 난이도가 조정됩니다. 이는 전체 네트워크의 해시파워가 변동해도 난이도가 적절히 조절되어, 블록 생성 속도가 일정하게 유지되도록 합니다. 난이도 조정은 전체 네트워크의 컴퓨팅 파워에 따라 동적으로 이루어지며, 이를 통해 네트워크의 안정성과 보안을 유지합니다.
해시 함수의 일방향성은 PoW 시스템의 보안을 강화하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 해시 함수는 원본 데이터로부터 해시값을 생성할 수는 있지만, 해시값으로부터 원본 데이터를 복구하는 것은 계산상 불가능에 가깝습니다. 이러한 특성은 블록체인의 무결성을 보장하며, 네트워크 참여자들이 수행한 작업을 검증 가능하게 합니다.

PoW 시스템에서는 "채굴"이라는 용어가 자주 사용되며, 이는 새로운 블록을 생성하고 네트워크에 추가하는 과정을 의미합니다. 채굴자는 적절한 논스 값을 찾는 데 성공함으로써, 해당 블록에 대한 채굴 보상(새로 생성된 암호화폐와 트랜잭션 수수료)을 받게 됩니다. 이 보상은 네트워크 참여자들에게 자발적인 기여를 유도하고, 시스템의 보안과 운영을 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다.

3. 작업증명(PoW)의 장단점

3.1. PoW장점

-보안성 : PoW는 해시 함수를 기반으로 하며, 이는 역산이 불가능하기 때문에 매우 안전합니다. 이로 인해 블록체인은 변조가 거의 불가능한 수준의 보안성을 갖게 됩니다.
-중앙집중화 방지 : PoW 메커니즘은 누구나 참여할 수 있도록 함으로써 네트워크의 분산화를 촉진합니다. 이는 네트워크를 더욱 강인하게 만들며 단일 실패 지점(single point of failure)을 제거합니다.

3.2. Pow단점

-에너지 소모 : PoW를 위해 필요한 계산은 엄청난 양의 전력을 소모합니다. 이는 환경적으로 지속 가능하지 않은 방법이라는 비판을 받고 있습니다.
-스케일링 문제 : 블록 생성 시간과 트랜잭션 처리 용량이 한정되어 있어, 네트워크의 확장성에 제한을 둡니다. 이는 높은 수수료와 느린 처리 속도로 이어질 수 있습니다.
-불평등한 보상 분배 : 대규모 채굴업체가 더 많은 리소스를 통해 보상을 독점할 수 있으므로, 새로운 참여자의 진입 장벽이 될 수 있습니다.

4. 작업증명(PoW) 코인 종류

-비트코인 (Bitcoin) : PoW 메커니즘을 최초로 사용한 암호화폐로, 가장 널리 알려진 대표적인 암호화폐 입니다.
-라이트코인 (Litecoin) : 비트코인과 유사하지만, 더 빠른 트랜잭션 확인 시간을 목표로 합니다. 라이트코인 역시 PoW 방식을 사용하여 네트워크를 보호하고 있습니다.
-모네로 (Monero) : 강력한 개인정보 보호 기능을 제공하는 암호화폐로, PoW를 사용해 거래의 익명성을 보장합니다. 모네로는 특히 개인정보 보호에 중점을 둔 채굴 과정을 통해 사용자의 신원을 보호합니다.

-도지코인 (Dogecoin) : 도지코인은 2013년에 시작된 암호화폐로, 밈(Meme)코인으로 시작하여 빠르게 인기를 얻었습니다. 주로 팁 시스템이나 자선 활동에 사용되어 커뮤니티 기반의 가치를 중시합니다.
-이더리움 클래식 (Ethereum Classic) : 이더리움 클래식은 이더리움 네트워크에서 하드 포크 후 독립적으로 발전한 블록체인입니다. 2016년 DAO 공격 이후 분리되어, 원래 이더리움의 비전과 원칙을 유지하며 작업증명(PoW) 합의 알고리즘을 계속 사용하고 있습니다. 이더리움 클래식은 변경 불가능성과 코드의 법률에 대한 철학을 강조합니다.

5. 마치며

작업증명(PoW)은 블록체인의 초기 단계에서 매우 중요한 역할을 수행했으며, 오늘날까지도 많은 주요 암호화폐 프로젝트에서 사용되고 있습니다. 그러나 그 단점으로 인해, 블록체인 기술의 지속 가능한 발전을 위해서는 보다 효율적이고 환경적으로 지속 가능한 대안이 필요하다는 인식이 커지고 있습니다. 따라서, PoW 외에도 다양한 합의 메커니즘이 탐구되고 있으며, 이러한 노력은 블록체인 기술의 미래를 더욱 밝게 할 것입니다. PoW의 장단점을 이해하는 것은 블록체인 기술의 복잡성과 그 기술이 직면한 도전을 이해하는 데 중요한 단계입니다.
작업증명(PoW)의 대안으로 등장한 다른 합의 알고리즘/메커니즘(PoS, DPoS 등)에 대해서는 다음 포스팅에서 알아보도록 하겠습니다.

블록체인 기술에 관심을 가지거나, 암호화폐에 직접 투자를 하다 보면 생소한 용어들을 접하게 됩니다. "합의 알고리즘이라는 게 뭐지?", "작업 증명, 지분 증명은 어떻게 다른 거야?"등 여러 궁금증이 생기게 됩니다. 이번 포스팅에서는 블록체인의 핵심적인 원리 중 하나인 합의 알고리즘(consensus algorithm)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

목차

1. 합의 알고리즘의 중요성 및 블록체인 기술과의 관계

2. 합의 알고리즘의 개념

3. 합의 알고리즘의 종류와 선택 기준

4. 마치며

1. 합의 알고리즘의 중요성 및 블록체인 기술과의 관계

1.1 합의 알고리즘의 중요성

합의 알고리즘이 왜 중요할까요? 블록체인은 여러 노드(컴퓨터)가 각자 독립적으로 운영되는 분산형 네트워크입니다. 이러한 네트워크에서 모든 노드가 같은 데이터를 보유하고, 그 데이터의 변경 사항에 대해 동의(합의) 해야 합니다. 합의 알고리즘은 이 과정에서 각 노드가 데이터의 유효성을 검증하고, 네트워크 전체가 하나의 진실에 도달할 수 있게 하는 메커니즘입니다. 즉, 합의 알고리즘 없이는 블록체인의 기본 원리인 투명성, 보안성, 불변성을 실현할 수 없습니다.

1.2 블록체인 기술과 합의 알고리즘의 관계

블록체인 기술을 한마디로 설명하자면, 데이터를 변조할 수 없는 방식으로 기록하는 분산형 디지털 원장입니다. 이 원장은 네트워크상의 모든 참여자에게 공개되어 있으며, 새로운 데이터(블록)가 추가될 때마다 네트워크의 모든 참여자가 이를 검증하고 합의해야 합니다. 여기서 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크 내에서 참여자들이 어떻게 합의에 이르는지를 정의하는 규칙입니다. 각 블록체인 프로젝트는 네트워크의 특성과 목표에 맞는 합의 알고리즘을 선택하여 사용합니다.

2. 합의 알고리즘의 개념

2.1. 합의 알고리즘이란 무엇인가?

간단히 말해서, 합의 알고리즘은 네트워크 내 모든 참여자가 어떤 데이터가 유효하고 정확한지에 대해 동의하는 과정입니다. 이 과정을 통해 네트워크는 하나의 공통된 진실, 즉 합의된 데이터 상태에 도달합니다. 합의 알고리즘은 블록체인의 분산된 특성을 감안할 때, 특히 중요합니다. 왜냐하면 중앙 집중식 시스템과 달리, 블록체인 네트워크는 단일 권위자가 아닌 네트워크 참여자 전체의 합의에 의해 운영되기 때문입니다. 이로 인해, 네트워크는 더욱 투명하고 변경이 어렵게 되며, 이는 블록체인이 제공하는 주요 가치 중 하나입니다.

2.2. 합의 알고리즘의 역할과 목적

합의 알고리즘의 주된 역할은 네트워크의 신뢰성을 확보하고, 거래의 정확성을 보장하는 것입니다. 모든 참여자가 동의한 거래만이 블록체인에 추가됨으로써, 데이터의 무결성이 유지됩니다. 이는 블록체인이 중앙 권한 없이도 작동할 수 있는 기반을 마련해 줍니다. 또한, 합의 알고리즘은 네트워크를 안전하게 보호하는 역할도 합니다. 잠재적인 악의적 공격자로부터 네트워크를 방어하기 위해, 합의 과정에서 다양한 암호학적 기술과 경제적 인센티브를 활용합니다.

이 과정에서 합의 알고리즘은 다음과 같은 목적을 달성하기 위해 설계되었습니다:

-보안성 강화 : 합의 알고리즘은 네트워크를 보호하고, 악의적인 공격자가 네트워크를 조작할 수 없도록 합니다. 이를 통해 블록체인 네트워크는 데이터의 안정성과 무결성을 유지할 수 있습니다.
-분산화 유지 : 블록체인의 핵심 가치 중 하나는 중앙 집중식 권력을 없애고 네트워크 참여자 모두가 권력을 공유하는 것입니다. 합의 알고리즘은 이러한 분산화를 가능하게 하는 기술적 기반을 제공합니다.
-효율성 증대 : 다양한 합의 알고리즘은 네트워크의 특성과 목적에 따라 다르게 설계되었습니다. 예를 들어, 에너지 소비가 적고 처리 속도가 빠른 알고리즘은 네트워크의 전반적인 효율성을 향상시킵니다.

3. 합의 알고리즘의 종류와 선택 기준

3.1 합의알고리즘의 종류

블록체인 기술의 핵심은 다양한 합의 알고리즘을 통해 네트워크 참여자 간의 신뢰와 합의를 이루어내는 것입니다. 이러한 합의 알고리즘은 블록체인의 보안성, 효율성, 확장성 등에 중대한 영향을 미칩니다. 블록체인 세계에는 다양한 종류의 합의 알고리즘이 있으며, 각각은 고유한 특성과 장단점을 가지고 있습니다. 대표적인 합의 알고리즘 몇 가지를 소개합니다.

-작업증명(PoW) : 비트코인(Bit coin) 등
가장 잘 알려진 합의 알고리즘 중 하나로, 복잡한 수학 문제를 해결하는 데 성공한 참여자가 다음 블록을 생성할 권리를 얻습니다. 이는 네트워크를 보호하는 강력한 방법이지만, 이 과정에서 상당한 양의 계산 자원이 소모됩니다. 
-지분증명(PoS) : 카르다노(Cardano), 폴카닷(Polkadot) 등
소유한 코인의 양에 따라 거래의 검증 권한이 주어지는 방식으로, PoW에 비해 훨씬 적은 양의 계산 자원을 필요로 함으로 에너지 효율적이라는 큰 장점이 있습니다.
-위임된 지분증명(DPoS) : 이오스(EOS), 트론(Tron) 등
PoS의 변형으로, 토큰 소유자들이 대표 검증자를 선출하는 방식입니다. 더 빠른 거래 처리가 가능하지만, 중앙화될 수 있다는 우려도 있습니다.
-실용적 비잔틴 장애 허용(PBFT) : 스텔라(Stellar) 등
노드 간의 신뢰를 기반으로 하며, 빠른 거래 처리 속도와 높은 처리량을 자랑합니다. 다만, 네트워크 규모가 커질수록 효율이 떨어질 수 있습니다.

3.2 합의알고리즘 선택 기준

블록체인 프로젝트를 개발하거나 기존 시스템에 블록체인 기술을 도입할 때, 적합한 합의 알고리즘을 선택하는 것은 매우 중요합니다. 알고리즘 선택에 영향을 미치는 여러 요소들이 있으며, 이는 각 블록체인의 목적, 사용 사례, 요구 사항에 따라 다를 수 있습니다. 아래는 합의 알고리즘을 선택할 때 고려해야 할 주요 기준입니다.

-보안성 :
네트워크가 외부 공격이나 내부 조작으로부터 안전해야 합니다. 알고리즘이 충분한 보안성을 제공하는지 평가해야 하며, 51% 공격 같은 특정 공격에 대한 취약점이 없는지 확인해야 합니다.
-확장성 :
시스템이 늘어나는 거래량과 참여자 수를 효과적으로 처리할 수 있어야 합니다. 높은 트랜잭션 처리 속도(TPS)와 낮은 거래 지연 시간을 제공하는 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
-분산화 정도 :
블록체인의 핵심 가치 중 하나는 분산화입니다. 합의 알고리즘은 네트워크의 분산화 정도를 결정하는 데 큰 역할을 합니다. 중앙 집중화의 위험이 적고, 네트워크 참여자 간에 권력이 공정하게 분배되는 알고리즘을 선호할 수 있습니다.
-에너지 효율성 :
특히 작업 증명(PoW)과 같은 일부 알고리즘은 많은 양의 전력을 소모할 수 있습니다. 환경에 미치는 영향을 고려하거나 운영 비용을 최소화하고자 할 때 에너지 효율적인 알고리즘을 선택해야 합니다.
-합의 속도 :
네트워크의 합의에 도달하는 데 걸리는 시간도 중요한 고려 사항입니다. 실시간 거래가 중요한 애플리케이션의 경우, 빠른 합의 도달 시간을 제공하는 알고리즘을 선택하는 것이 유리합니다.
-사용 사례와 호환성 :
마지막으로, 선택한 알고리즘이 프로젝트의 사용 사례와 잘 맞는지 확인해야 합니다. 예를 들어, 공공 블록체인과 사설 블록체인은 서로 다른 요구 사항과 목표를 가지고 있으므로, 이에 적합한 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
적절한 합의 알고리즘을 선택하는 것은 블록체인 프로젝트의 성공에 결정적인 역할을 합니다. 각 알고리즘의 장단점을 면밀히 분석하고, 프로젝트의 목표와 요구 사항에 가장 잘 부합하는 옵션을 선택하는 것이 중요합니다.

4. 마치며

비트코인의 작업 증명에서 시작된 합의 알고리즘 이제 카르다노의 지분 증명, 이오스의 위임 지분 증명, 하이퍼레저의 실용 비잔틴 장애 허용에 이르기까지, 보다 다양하고 세분화된 방향으로 발전하고 있습니다. 이러한 발전은 블록체인 기술이 단순한 암호화폐 생성을 넘어 금융, 제조, 헬스케어 등 다양한 산업 분야에 혁신을 가져올 수 있는 잠재력을 지니고 있음을 보여줍니다. 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크의 중추적 역할을 하며, 그 선택은 블록체인의 성능, 효율성, 그리고 신뢰성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 블록체인 기술이 계속해서 발전하고 새로운 알고리즘이 등장함에 따라, 우리는 보다 공정하고, 효율적이며, 지속 가능한 디지털 미래를 향해 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것입니다.