[BlockChain] 합의 알고리즘 이해하기 (PoW, PoS)

합의 알고리즘이란?

합의 알고리즘은 분산 컴퓨팅 시스템에서 여러 노드들이 동시에 발생한 트랜잭션의 순서와 내용에 대한 동의를 이루는 과정입니다. 이 과정에서는 시스템 내 모든 노드들이 동일한 결과를 도출해내어야 합니다.

분산 컴퓨팅 시스템에서는 다수의 노드들이 존재하며, 이들은 독립적으로 트랜잭션을 처리합니다. 이 때, 동시에 발생한 트랜잭션을 처리하는 노드들 간에는 트랜잭션의 순서에 대한 불일치가 발생할 수 있습니다. 이러한 불일치를 해결하기 위해서는 노드들 간에 합의 과정이 필요합니다.

합의 알고리즘에는 다양한 종류가 존재하며, 대표적으로는 Proof of Work(PoW), Proof of Stake(PoS), Delegated Proof of Stake(DPoS) 등이 있습니다. 이 중 PoW는 가장 잘 알려진 알고리즘 중 하나로, 블록체인 분야에서 가장 많이 사용됩니다. PoW는 각 노드가 블록을 생성하기 위해 일종의 수학적 문제를 해결하는 과정을 거치게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 노드들은 컴퓨팅 파워를 사용하며, 블록을 생성한 노드는 해당 블록에 대한 보상을 받습니다.

반면, PoS는 컴퓨팅 파워 대신에 노드가 가지고 있는 자산을 이용하여 합의를 이루는 알고리즘입니다. 이러한 방식은 환경 친화적이며, 보안성도 높은 편입니다. 또한 DPoS는 PoS와 유사하나, 대표 노드들이 투표에 의해 선출되어 블록 생성을 담당하는 방식으로, 블록 생성에 대한 직접적인 경쟁을 줄여 확장성을 높이는 특징을 가지고 있습니다.

---

작업증명 PoW란?

작업증명(Proof of Work, PoW)은 블록체인 기술에서 사용되는 합의 알고리즘 중 하나입니다. 이 알고리즘은 새로운 블록을 생성할 때마다, 특정 작업을 수행하는 노드들이 먼저 작업을 완료한 뒤에 새로운 블록을 추가할 수 있도록 해줍니다.

작업증명의 핵심 아이디어는 "난이도 조절"입니다. 블록체인에서는 일정한 시간 간격으로 새로운 블록이 생성되어야 하는데, 이를 위해서는 블록을 생성하는 작업의 난이도를 조절해야 합니다. 이는 너무 쉬운 작업이라면 블록이 너무 빨리 생성되어 블록체인의 안전성이 보장되지 않으며, 너무 어려운 작업이라면 블록이 생성되는 시간이 너무 오래 걸려 사용성이 떨어지게 됩니다.

작업증명에서는 노드들은 새로운 블록을 생성하기 위해 매우 복잡한 작업을 수행해야 합니다. 이 작업은 일정 수준의 난이도를 갖고 있으며, 노드들은 이 작업을 수행하면서 소비되는 시간과 에너지를 들여서 새로운 블록을 생성할 수 있게 됩니다. 이 작업을 수행하면서 노드들은 일종의 "경쟁"을 벌이게 되며, 먼저 작업을 완료한 노드가 새로운 블록을 추가할 권한을 얻게 됩니다.

 

이 작업을 수행하는 과정에서 사용되는 값 중 하나가 "nonce"입니다.

Nonce는 "number used once"의 약어로, 무작위로 생성되는 숫자 값입니다. 블록체인에서 새로운 블록을 추가하기 위해 수행해야 하는 작업은 이러한 nonce 값을 찾는 것입니다.

작업 증명 과정에서는 일정 기준 이하의 해시 값을 찾기 위해 블록 헤더(Block Header)를 사용합니다. 블록 헤더는 이전 블록의 해시 값, 새로운 블록의 버전, 타임스탬프, 머클 루트(Merkle Root) 값 등을 포함합니다. 블록 헤더를 해싱 알고리즘에 적용한 결과로 나오는 해시 값이 일정 기준 이하인지를 검증합니다.

블록체인 hash 생성 간략한 그림

이 때, 일정 기준 이하의 값을 찾기 위해 블록 헤더에서 nonce 값을 무작위로 변경하면서 해싱 알고리즘에 적용합니다. 이 작업을 반복적으로 수행하면서, 일정 기준 이하의 해시 값을 찾을 때까지 계속해서 nonce 값을 변경하고 해시 값을 계산합니다. 일정 기준 이하의 해시 값을 찾았을 때, 이 값을 검증하여 새로운 블록을 추가합니다.

즉, nonce 값 찾는 과정은 무작위로 생성되는 숫자 값을 블록 헤더와 결합하여 해시 값을 계산하는 과정을 반복하면서, 일정 기준 이하의 해시 값을 찾을 때까지 계속해서 nonce 값을 변경하는 과정입니다.

이러한 방식으로 작업증명은 블록체인의 안전성을 보장하는데 큰 역할을 합니다. 블록체인에서는 한 번 기록된 블록은 수정이 불가능하기 때문에, 블록을 생성하는 작업에 적극적으로 참여하는 노드들이 분산되어 있고, 블록을 생성하기 위해 소비되는 시간과 에너지가 매우 크다면 블록체인의 안전성이 보장됩니다.

---

지분증명 PoS란?

지분 증명(Proof of Stake, PoS)은 블록체인에서 사용되는 분산 원장 기술 중 하나로, 새로운 블록을 생성하는 노드를 선정하는 방식입니다. 작업 증명(Proof of Work, PoW)과는 달리, 지분 증명에서는 블록 생성에 필요한 작업을 수행하는 대신 노드가 가지고 있는 가상 화폐 지분(스테이크)에 비례하여 블록 생성에 참여할 수 있는 권한을 부여받습니다.

지분 증명에서는, 블록 생성에 참여하고자 하는 노드는 자신이 가진 가상 화폐를 일정 비율로 스테이크(Stake)로 제출해야 합니다. 이 스테이크는 일종의 보증금으로 작용하며, 이를 이용하여 블록 생성 권한을 부여받습니다. 즉, 노드의 가상 화폐 지분이 클수록 블록 생성에 참여할 확률이 높아지는 것입니다.

이러한 방식에서 블록 생성 권한을 부여받은 노드는 새로운 블록을 생성하고, 블록체인 네트워크에 이를 제출합니다. 다른 노드들은 이 블록이 유효한지 여부를 검증한 후, 블록체인에 추가합니다.

지분 증명의 장점으로는, 작업 증명보다 더 적은 컴퓨팅 자원을 필요로 하며, 블록 생성에 대한 중앙화된 권한이 분산되어 더욱 안전하다는 것이 있습니다. 또한, 작업 증명에서는 에너지 소모가 많은 것에 비해, 지분 증명에서는 에너지 소모가 적다는 것이 있습니다.

하지만, 지분 증명에서도 일부 노드가 과도하게 스테이크를 모으거나 블록 생성 권한을 악용하는 경우가 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 이를 방지하기 위해, 지분 증명에서는 스테이크를 모은 노드들 간의 투표 방식이나, 일정 시간 이상 참여하지 않으면 스테이크를 소멸시키는 등의 방식으로 이러한 문제를 해결하려고 노력하고 있습니다.