작업 증명(PoW)이란?

작업증명은 뭐야?

사토시 나카모토는 Adam Back의 Hashcash를 바탕으로 2008년 비트코인 백서에서 이를 설명했습니다. Hashcash는 이메일 스팸 발송에 비용을 들게 하려는 오래된 아이디어입니다. 유효한 해시가 작업을 증명합니다. 작업 없이는 유효한 해시를 만들 수 없고, 누구나 작업이 이뤄졌는지 확인할 수 있습니다.

이 페이지의 나머지 부분에서는 각 요소를 하나씩 살펴봅니다. 위 상자에서 직접 시도해 볼 수도 있어요. 실제 Bitcoin 헤더 형식을 브라우저에서 실시간으로 해시합니다. 채굴을 더 폭넓게 알아보려면 Bitcoin 채굴 완벽 가이드를 확인하세요.

작업 증명은 어떤 문제를 해결하나요?

비트코인을 관리하는 회사나 은행, 서버는 없습니다. 수천 대의 컴퓨터가 각자 원장 사본을 보관하고, 다음 블록이 무엇인지와 결제가 어떤 순서로 이루어졌는지 합의해야 합니다. 그렇지 않으면 누군가 같은 코인을 두 번 쓸 수 있습니다.

온라인에서는 누구나 가짜 컴퓨터를 천 대 만들어 천 번 투표할 수 있으므로 단순한 투표 방식은 통하지 않습니다. 이를 시빌 공격이라고 합니다. 작업 증명은 이 문제를 우회합니다. 발언권은 해시 수로 측정되고, 해시를 계산하려면 전기와 하드웨어가 필요합니다.

비트코인 블록 헤더에는 무엇이 들어 있나요?

채굴자는 블록 전체를 해시하지 않습니다. 나머지 모든 내용을 요약해 담은 80바이트 헤더를 해시합니다. 위쪽 상자에서 수정한 여섯 필드는 다음과 같습니다.

헤더에는 이전 블록의 해시가 들어 있으므로, 오래된 블록을 바꾸면 해시가 달라집니다. 그러면 다음 헤더와 그다음 헤더도 유효하지 않게 됩니다. 이 페이지를 만들 때 서버에서 히어로에 쓰인 것과 같은 코드로 2009의 실제 제네시스 블록을 확인했습니다:

Bitcoin에서 SHA-256은 어떻게 작동하나요?

SHA-256는 어떤 입력이든 256비트 숫자로 바꿉니다. 이 숫자는 16진수 64자리로 표시됩니다. 비트코인은 블록 헤더에 이 연산을 두 번 적용합니다. 이를 SHA-256d라고 부릅니다. 채굴에서 중요한 특성은 간단합니다.

이 마지막 특성이 작업 증명의 핵심입니다. 타깃에 가까운 해시라고 해서 다음 추측을 알 수 있는 건 아니므로, 유효한 블록을 찾는 지름길은 없습니다. 모든 채굴자가 같은 복권에 참여하며, 초당 해시 수가 많을수록 더 많은 복권을 사는 셈입니다.

타깃이 뭐고, 앞에 0이 많이 붙는 이유는 뭐야?

타깃은 256비트 숫자입니다. 해시를 숫자로 읽었을 때 타깃 이하이면 블록이 유효합니다. 작은 숫자는 앞자리가 0이므로 타깃이 낮을수록 앞에 0이 더 많이 붙습니다. 16진수 0이 하나 늘 때마다 평균적으로 추측 횟수는 16배가 됩니다.

네트워크는 블록 2,016개마다, 약 2주에 한 번 타깃을 조정합니다. 덕분에 해시레이트가 늘거나 줄어도 블록은 약 10분마다 생성됩니다. 현재 네트워크의 해시레이트는 약 858 EH/s입니다. 실시간 수치이며 매시간 업데이트됩니다. 조정 방식은 비트코인 채굴 난이도 가이드에서, 단위는 해시레이트 설명에서 확인할 수 있습니다.

논스와 엑스트라 논스란?

논스(“한 번만 사용하는 숫자”)는 채굴자가 매번 추측할 때 바꾸는 4바이트 필드입니다. 바꾸기 위해 있는 유일한 필드죠. 문제는 4바이트로 만들 수 있는 값이 약 4.3억 개뿐이라 최신 장비는 거의 즉시 전부 시도한다는 점입니다.

그래서 채굴자들은 추가 논스도 바꿉니다. 채굴자에게 보상을 지급하는 블록의 첫 거래인 코인베이스에 남겨 둔 몇 바이트입니다. 코인베이스가 바뀌면 머클 루트도 바뀌고, 그에 따라 새 논스를 수십억 개 더 시도할 수 있습니다. 채굴 풀에서는 각 채굴자에게 서로 다른 추가 논스 범위를 할당해 다른 채굴자가 한 작업을 반복하지 않도록 합니다.

블록을 찾는 데는 왜 많은 비용이 들지만 검증은 왜 간단한가요?

채굴자는 타깃보다 작은 해시가 나올 때까지 계속 해시를 시도해야 합니다. 다른 사람들은 블록 헤더를 한 번만 해시한 뒤 결과를 비교하면 됩니다. 이처럼 작업 비용이 크게 차이 나기 때문에 수많은 일반 컴퓨터가 블록을 만든 채굴자를 신뢰하지 않고도 체인을 검증할 수 있습니다.

아래에서 직접 검색해 보세요. 이 데모는 히어로보다 단순한 블록 형식을 쓰지만, 같은 이중 SHA-256 복권 방식이며 찾은 블록은 각각 직전 블록으로 연결됩니다.

최장 체인 규칙이란? 51% 공격이란?

두 채굴자가 거의 동시에 블록을 찾으면 네트워크에 잠시 두 가지 버전이 생길 수 있습니다. 노드는 누적 작업량이 더 많은 체인을 따릅니다. 흔히 가장 긴 체인이라고 하지만, 실제로는 가장 무거운 체인입니다. 난이도가 높은 블록 몇 개가 난이도가 낮은 블록 여러 개보다 더 큰 누적 작업량을 가질 수 있습니다.

결제를 되돌리려면 공격자는 해당 결제 이전부터 시작해 모두의 체인보다 더 무거운 체인을 만들어야 합니다. 위에 새 블록이 하나씩 쌓일 때마다(확인 횟수가 늘 때마다) 공격자는 더 뒤처집니다. 이 확률은 백서에서 계산했습니다. 슬라이더를 움직여 확인해 보세요.

해시레이트가 50% 이상이면 공격자는 결국 성공합니다. 이것이 51% 공격입니다. 심각한 위협이지만 한계가 있습니다:

그래서 거래소는 큰 금액을 입금할 때 확인이 여러 번 이뤄질 때까지 기다립니다. 보통 6회를 기준으로 삼습니다.

작업 증명에는 왜 에너지가 많이 드나요?

에너지가 곧 보안이기 때문입니다. 유효한 블록은 실제로 전력을 사용했다는 증거입니다. 기록을 바꾸려면 공격자는 최소한 같은 양의 전력을 더 써야 하고, 정직한 네트워크가 계속 진행되는 동안에도 전력을 계속 써야 합니다.

전력 사용량과 전력의 출처는 충분히 논의할 만한 주제입니다. 케임브리지 지수는 추정치를 추적하고, Bitcoin 채굴 에너지 가이드에서는 수치를 살펴봅니다. 반감기가 일어날 때마다 보상 중 새로 발행되는 코인의 몫이 줄어들기 때문에, 시간이 갈수록 수수료가 보안 비용에서 더 큰 몫을 부담해야 합니다.

작업증명과 지분증명은 어떻게 다를까요?

지분증명(PoS)은 전기를 쓰는 사람 대신 코인을 예치해 묶어 둔 사람 중에서 다음 블록 생성자를 선택합니다. Ethereum은 2022에 작업증명에서 지분증명으로 전환했습니다. 두 방식을 공정하게 비교해 보겠습니다.

비트코인 개발자들은 작업 증명을 유지해 왔습니다. 그 비용은 시스템 밖에서 발생하므로, 보유한 코인으로 통제권을 살 수 없기 때문입니다. 지분 증명 지지자들은 에너지를 아끼고 거래를 더 빨리 최종 확정할 수 있다고 주장합니다.

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참고: 보상은 추정치이며 네트워크 상황에 따라 달라지고 보장되지 않습니다. 플랜을 이용해도 어떤 장비나 채굴 풀의 소유권이 생기지는 않습니다. 출금에는 한도나 인증이 적용될 수 있습니다. 자세한 내용은 보상 규칙과 무료 비트코인 채굴 가이드를 확인해 보세요. 조건이 적용됩니다.

자주 묻는 질문

출처와 추가 자료

1. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System(백서) · 사토시 나카모토, bitcoin.org
2. 블록체인 가이드: 블록 헤더, 작업 증명, 코인베이스 · Bitcoin 개발자 문서
3. 채굴 가이드: 솔로 채굴, 채굴 풀, getblocktemplate · Bitcoin 개발자 문서
4. 난이도 · Bitcoin Wiki
5. 컨펌 · Bitcoin Wiki
6. 케임브리지 Bitcoin 전력 소비 지수 · Cambridge Centre for Alternative Finance
7. 채굴 대시보드: 해시레이트, 난이도, 최근 블록 · mempool.space

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