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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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블록체인과 비트코인

지금까지 우리나라의 갈 곳 없는 돈들은 주로 은행이나 부동산에 들어갔습니다. 하지만 지금은 상황이 달라졌습니다. 은행 예금 금리는 물가 오르는 속도를 겨우 따라가는 수준이고, 부동산 가격은 하늘을 뚫고 올라가 투자할 수 조차 없게 되자 사람들은 새로운 투자 대상을 물색하기 시작했습니다. 그래서 찾은 것이, 바로 주식과 비트코인입니다. 그런데, 비트코인도 주식과 같이 쌀 때 사서 비쌀 때 파는 것인데, 주식과 다른 것이 뭐가 있을까요? 지금부터 비트코인의 바탕인 블록체인 기술에 관해 알아봄으로써 그 차이를 명확히 하도록 합시다.

비트코인
블록체인이 뭔가요?

블록체인은 분산원장을 이용하며, 거래가 이루어질 때마다 블록에 기록해 기존 블록에 연결시키는 시스템을 말합니다. 먼저, 분산원장은 데이터가 여러 컴퓨터에 공유되어 지속적인 동기화가 이루어지는 데이터 관리 방식입니다. 기존에는 중앙의 서버에 사용자의 정보를 저장해 사용자가 요구하면 불러오는 방식으로 데이터를 관리했는데, 이런 방식은 암호화폐 거래에 적합하지 않았습니다. 중앙서버를 공격해 성공하기만 하면 데이터 위/변조가 가능해 거래를 조작하거나 자신이 가진 비트코인을 늘릴 수도 있는데, 비트코인이 화폐라는 점에 미루어 볼 때 이런 공격은 매우 치명적입니다. 하지만 분산원장을 활용하면 모든 사용자가 서버 역할을 하기 때문에 사실상 데이터 위/변조가 불가능 해집니다.

왼쪽 그림은 중앙 집중형 방식을, 오른쪽 그림은 분산원장 방식을 표현하고 있다.

또, 새로운 블록을 연결할 때 앞의 블록의 데이터를 암호화한 정보와 같이 연결해서 이전의 데이터를 위/변조하려면 그 뒤에 연결된 모든 블록을 수정해야 하게 해서 데이터 위/변조를 훨씬 하기 힘들게 했습니다.

마트에서 비트코인 3개짜리 물건을 산다고 가정해봅시다. 내 계정에서는 비트코인 3개가 빠져나가고, 마트 주인에게 비트코인 3개가 지급됩니다. 동시에 이 정보는 블록에 기록되어 앞의 블록과 연결되고, 이 블록은 다시 다른 사용자에게 전송되어 동기화가 일어납니다. 이제 이 거래 내역은 누구도 바꿀 수도, 지울 수도 없는 정보가 된 것입니다.


동시에 거래가 이루어진다면…?

만약 어떤 사람이 같은 돈을 두 번 사용한다면 어떤 일이 일어날까요? 애초에 그런 일은 일어날 수 없습니다. 지폐 한 장을 두 장으로 만들 수는 없기 때문입니다. 하지만, 비트코인으로는 가능합니다. 거의 동시에 거래가 이루어지면 컴퓨터에서는 같은 시간에 거래가 이루어진 것으로 판단하기 때문입니다.

2개 이상의 거래가 동시에 이루어지면 블록체인 시스템은 분기점(fork)를 만들어 블록을 연결합니다. 이후 내장되어 있는 규칙에 따라 두 블록의 점수를 계산한 후, 점수가 높은 블록을 선택해 그 블록 뒤에 블록을 이어 붙여 나갑니다.

블록체인의 연결구조를 표현한 그림입니다, 초록색은 초기 블록(Genesis Block), 검은색은 메인 블록(Main Block), 보라색은 fork를 통해 갈라져 나왔지만 점수가 낮아 연결되지 못한 블록(Orphan Block)을 의미합니다.
블록체인을… 채굴해?

본인인증을 하거나, 앱에 가입할 때 가끔씩 우리에게 휘갈겨 쓴 숫자를 보여주고 입력하라고 하거나, 신호등이 포함된 사진을 고르라고 합니다. 블록체인 채굴도 이와 비슷한 과정으로, 이러한 절차들은 모두 자신이 정상적인 사용자임을 증명하는 과정 중 PoW(Proof of Work)에 해당합니다.

비트코인 채굴

이러한 절차들은 DDoS 공격을 예방하기 위해 만들어졌습니다. DDoS는 Distributed Denial of Service의 줄임말로, 여러 컴퓨터가 동시에 시스템에 접속해 서버를 마비시키는 공격을 말합니다. 하지만 사람의 노력을 반드시 필요로 하는 신호등 고르기나, 시간이 오래 걸리는 채굴을 해야 한다면 공격자는 여러 계정을 만들기 힘들어지고, 한꺼번에 여러 블록을 연결하기도 힘들어서 DDoS 공격을 예방할 수 있습니다.

또한, 블록체인 채굴은 채굴하려는 사람의 전기와, 컴퓨터, 시간 등의 자원을 소모시키기 때문에 채굴을 통해 얻을 수 있는 비트코인에게 희소성을 부여하는 역할도 합니다.


블록체인과 비트코인의 탄생

1982년, 데이비드 촘은 논문에서 "Computer Systems Established, Maintained, and Trusted by Mutually Suspicious Groups."라는 것을 언급합니다. 해석하면 서로를 의심하는 사람들에 의해 만들어지고, 유지되며, 신뢰를 받는 컴퓨터 시스템으로, 분산원장을 뜻합니다. 1년후, 데이비드 촘은 가상화폐인 ecash를 만들었고, 1995년에는 ecash를 발전시켜 정부와 은행에서 거래를 추적할 수 없는 암호화폐 Digicash를 만들어냅니다. 하지만 촘은 분산인장 시스템을 제대로 구현하지 못했고, 신뢰할 수 있는 사용자끼리만 거래가 가능했습니다.

지금의 비트코인을 만들어낸 사람은 사토시 나가모토(본명인지 알 수 없음)입니다. 처음으로 분산된 네트워크를 구축해 거래에 적용했고, 블록체인 구조를 설계해 데이터 위/변조를 어렵게 만들었습니다. 그리고 암호화된 문자를 컴퓨터를 이용해 풀면 비트코인을 지급하는 채굴 시스템을 만들어 화폐를 성공적으로 공급했습니다.


블록체인의 다양한 활용

블록체인이 암호화폐를 위해 만들어졌다고 해서, 암호화폐를 위해서만 쓰이고 있지는 않습니다. 중앙 관리자가 없다는 점과 정보가 투명하게 공개된다는 점을 잘 이용하면 다양한 분야에 응용이 가능합니다.

우리나라에서는 매년 수많은 중고차 사기가 발생합니다. 하지만 블록체인 기술을 이용하면 이것 또한 예방할 수 있습니다. 차량을 정비소에서 수리 받을 때 이 정보가 블록체인 시스템에 기록된다면, 블록체인의 강한 보안구조 덕분에 판매자가 차에 관한 정보를 위/변조할 수 없어 정확한 정보가 남게 되고, 모든 정보는 투명하게 공개되므로 차량을 살 때 차에 관한 정확한 정보를 소비자가 열람할 수 있게 되어 중고차 사기를 방지할 수 있습니다. 실제로 Treecle이라는 앱은 블록체인 기술을 이용해 중고차의 매매와 대여에 필요한 정보를 제공하고 있다고 합니다.

Treecle의 로고

또한 블록체인은 중앙 관리자가 없기 때문에 수수료가 없어 거래를 효율적으로 진행할 수 있습니다. 최근 친환경 정책이 늘어나면서 발전기가 있는 집들이 늘어나고 있는데, 사용량보다 발전량이 더 많은 경우 전기에너지가 남게 됩니다. 이렇게 남는 에너지들은 주로 한국전력에 판매되거나, 전기요금 감면으로 이용되고 있었습니다. 하지만 최근 만들어진 PowerLedger라는 암호화폐는 개인이 전기를 판매하여 얻을 수 있고, 이것을 다시 사용해 다른 사람이 생산한 전기를 구매할 수도 있습니다. 즉, PowerLedger를 이용하면 개인 간의 전력거래가 가능해집니다!

PowerLedger의 로고

이외에도 블록체인 시스템을 응용하면 보석의 거래를 모니터링해 이 보석이 윤리적으로 생산되었는지 확인할 수 있고, 식재료의 원산지와 생산과정, 유통기한을 추적할 수 있습니다.


블록체인의 한계

이렇게 강력한 블록체인에도 한계점은 존재합니다. 먼저, 한 사용자가 과반수를 넘는 채굴 능력을 갖고 있다면 이른바 51% Attack을 이용해 블록체인 시스템을 무너뜨릴 수 있습니다. 과반수를 넘을 만큼 강한 채굴 능력을 갖고 있다면 블록 전체를 변경해 거래 내역을 위조할 수 있기 때문입니다.

또한 채굴과정에서의 자원 낭비가 상당합니다. 2021년 Cambridge 대학교에서 진행한 연구에 따르면 매년 비트코인 채굴에 사용되는 전력량은 121.36TWh로, 아르헨티나의 총 전력량(121TWh)과 네덜란드의 총 전력량(108.8TWh)보다 많다고 합니다. 하지만 채굴과정에서는 전력 뿐만 아니라 각종 전자장비와 그것을 배치할 공간, 사람들의 노력과 시간이 투입되고, 많은 양의 열이 발생해 열을 처리하는 데에도 많은 노력이 필요해 합산한다면 천문학적인 양의 자원이 낭비되고 있음을 알 수 있습니다.

2014년에는 비트코인 블록체인의 크기가 20GB에 불과했지만, 2020년에는 200GB를 돌파했습니다. 비트코인을 이용하는 사람이 늘어남에 따라 블록체인의 길이도 더욱 급격하게 증가할 텐데, 거대해진 데이터를 저장할 공간을 찾는 것도 향후 문제가 될 것입니다.

박찬 | Mathematics & Computer Sci | 지식더하기


참고자료

[1] Blockchain, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Blockchain

[2] History of Bitcoin, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_bitcoin

[3] 블록체인 구조와 이론, 아카바네 요시하루(2017)

[4] Cryptocurrency, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptocurrency

[5] Bitcoin, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Bitcoin


첨부 이미지 출처

[1] https://blog.naver.com/thud456/221725731370

[2] http://www.klnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=122247

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Blockchain.svg

[4] http://tectok.com/2018/02/11/7418/

[5] https://twitter.com/trcl_0601

[6] https://medium.com/theblock1/how-power-ledger-s-decentralized-energy-market-will-change-electricity-forever-e14868a20047


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