KR102061030B1 - 암호 화폐 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호 화폐 시스템은, 발생한 거래 내용을 포함하는 제1 블록의 이전 블록인 제2 블록의 해시 값을 해시 함수에 넣은 제1 값을 획득하고, 자신 고유의 지갑 주소를 동일한 해시 함수에 넣은 제2 값을 획득하고, 상기 제1 값 및 제2 값을 비교하여 두 값이 동일한 경우에 상기 제1 블록에 대하여 작업 증명을 수행하고, 수행 결과 상기 제1 블록에 포함된 모든 거래가 유효한 거래로 확정되는 경우 상기 제1 블록을 암호 화폐 시스템을 구성하는 전체 네트워크로 브로드캐스팅하는 제1 피어노드 및 상기 제1 피어노드로부터 브로드캐스팅된 상기 제1 블록을 승인하고 블록 체인에 추가하는 복수의 피어 노드를 포함한다.

Description

암호 화폐 시스템{a cryptocurrency system}

본 발명은 암호 화폐 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 암호 화폐 시스템에서 채굴 그룹의 랜덤 선택을 통해 기존에 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템의 문제를 해결할 수 있는 암호 화폐 시스템에 관한 것이다.

2009년 사토시 나카모토가 개발한 비트코인으로부터 블록 체인 기반의 암호 화폐가 등장했다. 블록 체인은 공공 분산 원장을 위한 분산 데이터 처리 기술이다. Peer-to-Peer(P2P) 트랜잭션 데이터는 블록으로 기록되며, 이들 블록은 블록의 연결리스트(다시 말해서, 체인)을 형성한다. 네트워크의 각 사용자는 중앙 기관 없이 분산된 방식으로 전체 데이터를 저장한다. 블록 체인의 각 블록이 이전 블록의 해시 값을 포함하는 블록 체인을 구성하기 때문에, 블록 체인 기반 암호 화폐에서 트랜잭션을 조작하는 것은 거의 불가능하다.

대규모 P2P 네트워크에서 단일 블록 체인을 유지하려면 피어 노드간에 결과를 상호 검증하여 시스템 무결성을 보장하는 분산 합의 메커니즘이 필요하다. 이 합의 메커니즘은 새로운 블록을 누가 만들었는지, 그리고 어떤 체인이 유효한지를 판단하는 것이 가능해야 한다.

비트코인은 작업 증명(Proof-of-work, PoW) 알고리즘을 사용하는 대표적인 암호 화폐이다. 이 알고리즘은 블록 체인 기반 암호 화폐에서 가장 일반적으로 사용되는 합의 알고리즘이다. 요컨대, 특정 요구 사항을 충족하는 해시 값을 찾고, 이를 증명하는 합의 도출 과정에서 컴퓨팅 파워가 사용된다. 작업 증명은 블록 해시 값을 목표 값보다 작게 만드는 넌스(nonce) 값을 찾는 프로세스이다. 넌스는 블록 헤더에 명시되는 정보 중 하나이며 유일하게 바꿀 수 있는 값이다. 무차별 대입을 통해 요구 사항을 만족하는 넌스 값이 발견되면 블록이 생성된다. 목표 값은 넌스 값 계산의 난이도를 나타내며, 비트코인에서 난이도는 평균 10분마다 하나의 블록을 생성하도록 조정된다.

피어 노드는 항상 가장 긴 체인을 올바른 체인으로 받아들이고, 위 절차를 반복하여 블록 체인이 계속 확장되도록 한다. 더 큰 해시 파워를 갖는 피어 노드는 해시 파워가 적은 피어 노드보다 빠르게 넌스 값을 찾을 수 있기 때문에 새로운 블록을 생성할 확률이 높다. 이러한 점에서 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에 치명적인 문제가 발생할 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 개선된 암호 화폐 시스템을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 암호 화폐 시스템은 기존의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 51% 공격을 제한하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 암호 화폐 시스템은 기존의 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 컴퓨팅 파워 낭비의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호 화폐 시스템은, 발생한 거래 내용을 포함하는 제1 블록의 이전 블록인 제2 블록의 해시 값을 해시 함수에 넣어 제1 값을 획득하고, 자신 고유의 지갑 주소를 동일한 해시 함수에 넣은 제2 값을 획득하고, 상기 제1 값 및 제2 값을 비교하여 두 값이 동일한 경우에 상기 제1 블록에 대하여 작업 증명을 수행하고, 수행 결과 상기 제1 블록에 포함된 모든 거래가 유효한 거래로 확정되는 경우 상기 제1 블록을 암호 화폐 시스템을 구성하는 전체 네트워크로 브로드캐스팅하는 제1 피어노드 및 상기 제1 피어노드로부터 브로드캐스팅된 상기 제1 블록을 승인하고 블록 체인에 추가하는 복수의 피어 노드를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 암호 화폐 시스템은 기존의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 51% 공격을 제한하여 전체 시스템의 안정성을 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 암호 화폐 시스템은 기존의 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 컴퓨팅 파워 낭비를 줄일 수 있다.

도 1은 일반적인 블록 및 블록들이 연결된 블록 체인을 나타낸다.
도 2 및 도 3은 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 51% 어택을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호화폐 시스템에서 블록 체인 형성과정을 나타내는 블록도이다.
도 5는 이중 지불 공격의 성공 확률을 나타낸다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 사상은 이하의 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

첨부 도면은 발명의 사상을 이해하기 쉽게 표현하기 위하여 전체적인 구조를 설명함에 있어서는 미소한 부분은 구체적으로 표현하지 않을 수도 있고, 미소한 부분을 설명함에 있어서는 전체적인 구조는 구체적으로 반영되지 않을 수도 있다. 또한, 설치 위치 등 구체적인 부분이 다르더라도 그 작용이 동일한 경우에는 동일한 명칭을 부여함으로써, 이해의 편의를 높일 수 있도록 한다. 또한, 동일한 구성이 복수 개가 있을 때에는 어느 하나의 구성에 대해서만 설명하고 다른 구성에 대해서는 동일한 설명이 적용되는 것으로 하고 그 설명을 생략한다.

상술한 바와 같이, 작업 증명 방식에서는 몇가지 중요한 문제가 있다.

첫번째로 작업 증명 방식은 엄청난 양의 컴퓨팅 파워를 필요로 한다. 두번째로, 전체 P2P 네트워크에서 전체 컴퓨팅 파워의 절반 이상을 차지하는 공격자는 트랜잭션을 악의적으로 조작할 수 있다.

여기에서 두번째 문제를 소위 51% 공격이라고 하는데, 이러한 공격은 이중 지불 문제 또는 이기적인 채굴을 야기하여 전체 암호 화폐 시스템을 파괴할 수 있다. 51% 공격에 대하여 이하 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저 용어를 간단히 정의한다.

도 1은 일반적인 블록 및 블록들이 연결된 블록 체인을 나타낸다.

블록 체인(2)은 다수의 블록(1)이 연결된 형태이다.

블록(1)이란 다수의 유효한 거래 정보의 묶음이다.

블록 헤더(3)는 블록의 정보를 표시한다. 블록 헤더는 이전 블록의 해시 값을 가지고 있다.

블록 해시(4)는 블록 헤더를 해시 함수로 계산한 값이다. 여기에서 해시 함수는 임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 매핑하는 함수이다.

작업 증명 합의 알고리즘에서는 앞서 설명한 바와 같이 블록 해시와 타겟 값을 비교하여 작업 증명 성공 여부를 판단한다. 구체적으로 작업 증명은 소위 피어 노드에서 수행되는데, 각각의 피어 노드는 헤더 정보 중 넌스 값을 1씩 바꿔가면서 해시 계산을 하여 타겟 값 보다 작은 값이 나오는지 여부를 판단한다.

여기에서 피어 노드는 채굴 업자라고도 지칭되며, 작업 증명을 수행하는 연산 장치 또는 연산 장치의 집합을 의미한다. 예를 들어 연산 장치는 고성능의 그래픽 카드 및 프로세서를 갖춘 컴퓨터가 될 수 있다.

피어 노드는 블록 해시가 타겟 값 보다 작을 때까지 넌스를 1씩 바꾸며, 블록 해시가 타겟 값 보다 작으면 작업 증명 성공으로 판단하고 블록에 포함된 모든 거래를 유효한 거래로 확정한다. 그리고 유효한 블록이 생성되면, 피어 노드는 생성된 블록을 전체 네트워크로 브로드캐스팅하고, 이를 다른 피어 노드들이 승인하고 블록 체인에 추가하면 거래가 완료된다.

여기에서, 블록이 여러 피어 노드에서 동시에 생성되어 체인이 분기될 수 있는데, 이 때, 피어 노드들은 가장 긴 체인만을 옳은 체인으로 간주하여 체인을 확장시켜나간다.

도 2 및 도 3은 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에서 발생할 수 있는 51% 어택을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 일반적인 블록 체인 형성 과정을 나타낸다.

도 2는 임의의 피어 노드가 다른 피어 노드에 비해 압도적인 컴퓨팅 파워를 가지고 있지 않은 일반적인 상황에서의 블록 체인 형성 과정이다.

정상 거래 블록(10)을 포함하는 제1 블록 체인(A)이 있으며, 블락 #3423에서 분기하여 조작된 거래 블록(11)을 포함하는 제2 블록 체인(B)가 있음을 가정한다. 일반적으로 각 피어 노드간의 컴퓨팅 파워 차이가 크기 않은 경우, 정상 거래 블록(10)을 포함하는 제1 블록 체인(A)이 먼저 생성될 것이며, 따라서, 가장 긴 체인을 정상 체인으로 판단하는 작업 증명의 합의 알고리즘에 따라 제1 블록 체인(A)만을 정당한 블록 체인으로 피어 노드가 판단하여 이후 블록 체인을 형성할 수 있다.

반면에 도 3은 임의의 피어 노드가 다른 피어 노드에 비해 압도적인 컴퓨팅 파워를 가지고 있는 상황이다.

도 2와 마찬가지로, 정상 거래 블록(10)을 포함하는 제1 블록 체인(A)과 조작 거래 블록(11)을 포함하는 제2 블록 체인(B)이 있음을 가정한다. 그러나, 도 2와 달리 도 3에서는 조작 거래 블록(11)을 포함하는 제2 블록 체인(B)을 형성하는 피어 노드가 다른 피어 노드들에 비해 압도적인 컴퓨팅 파워를 가지고 있으며, 따라서, 제2 블록 체인(B)이 제1 블록 체인(A)에 비해 먼저 생성되어 블록 #3423으로부터 분기된 체인 중 가장 긴 체인이 될 수 있다. 다시 말해서 제2 블록 체인이 조작된 거래 블록(11)을 포함하나 정당한 블록 체인으로 네트워크에서 인정받는 문제가 발생한다.

이하에서는 상술한 51% 공격과 함께, 작업 증명 합의 메커니즘의 또 다른 문제인 컴퓨팅 자원의 낭비를 해결할 수 있는 개선된 작업 증명 합의 메커니즘 기반의 암호 화폐 시스템을 제안한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호화폐 시스템에서 블록 체인 형성과정을 나타내는 블록도이다.

작업 증명 합의 메커니즘 기반의 대표적인 암호 화폐인 비트코인 네트워크의 각 피어 노드에는 퍼블릭-프라이빗 키 쌍이 있다. 지갑 주소라고도 지칭되는 퍼블릭 키는 모든 피어 노드에 고유하다. 트랜잭션이 요청되면, P2P 네트워크의 모든 피어 노드로 트랜잭션이 전달된다. 그런 다음 피어 노드는 각 트랜잭션의 유효성을 검사하고 확인된 트랜잭션을 블록으로 결합한다. 피어 노드가 작업 증명을 통해 새 블록을 성공적으로 생성하면 블록을 전체 네트워크에 전파한다. 그런 다음 다른 피어 노드가 블록을 승인하고 이를 블록 체인에 추가하면 트랜잭션이 완료된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호 화폐 시스템은 기존의 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에서 문제가 되는 컴퓨팅 파워 이슈 및 51% 공격 이슈를 해결하기 위해 채굴업자(다시 말해서, 작업 증명을 수행하여 보상으로 코인을 획득하는 피어 노드)들을 둘 이상의 그룹으로 나누어 채굴을 수행하도록 한다. 다시 말해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 암호 화폐 시스템에서는 모든 채굴업자가 항상 채굴 프로세스에 참여하는 것은 아니며 특정 그룹에 속한 채굴업자들에게만 다음 블록을 채굴하는 권한을 부여한다.

도 4를 참고하여 권한을 부여하는 알고리즘을 설명하면, 각 채굴업자(20)는 해시 함수(H_g()) 및 지갑 주소를 이용하여 채굴 그룹을 결정한다. 그리고 블록이 생성되면, 이전 블록(block 1)의 해시 값과 채굴업자(20)의 지갑 주소를 해시 함수에 넣은 값을 비교하여 다음 블록 채굴을 수행할 채굴업자가 결정된다. 다시 말해서, 채굴에 참여하고자 하는 채굴업자는 자신의 지갑 주소를 해시 함수에 넣은 값을 이전 블록의 해시 값을 해시함수에 넣은 값과 비교하여 같은 경우에 블록 채굴에 참여할 수 있으나, 다른 경우 블록 채굴에 참여할 수 없다.

만약, 블록 채굴에 참여하지 못하는 경우, 채굴업자는 자신의 컴퓨팅 파워를 제한하여 불필요한 컴퓨팅 파워의 소모를 줄일 수 있으며, 이는 결과적으로 전체 시스템의 컴퓨팅 파워 소모를 줄이는 것으로 이어진다.

결과적으로 이전 블록의 해시 값의 해시 함수 결과 값과 채굴업자의 지갑 주소의 해시 함수 결과 값의 비교 결과에 따라 선택된 그룹의 채굴업자들만이 다음 블록을 채굴하고 서로 경쟁할 권한을 갖는다. 또한, 블록이 P2P 네트워크를 통해 전파되면 다른 채굴업자는 블록 헤더의 이전 블록의 해시 값을 블록 작성자 지갑 주소와 비교하여 적절한 채굴 그룹에 의해 블록이 생성되었는지 여부를 검사할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서 제안하는 알고리즘에 따르면 전체 해시 파워의 절반 이상을 점유하는 공격자가 있을 수 있으나, 채굴 그룹이 무작위로 선택되기 때문에 채굴 그룹 수를 늘리면 이중 지불 공격의 성공 가능성이 크게 감소한다. 이로 인해 51% 공격자가 조작된 블록 체인을 확장하기 어려워진다. 또한, 1) 그룹에 속하지 않은 채굴업자가 작업 증명에 참여하지 않고, 2) 채굴 난이도가 낮아질 수 있기 때문에 블록 채굴에 필요한 컴퓨팅 파워가 1 / (그룹 수) 만큼 감소하는 효과가 있다.

수학식 1은 공격자가 정상 체인을 z 블록 뒤에서 따라잡을 확률(Q_z)를 나타낸다.

여기에서, p는 정상 노드가 다음 블록을 찾을 확률이며, q는 공격자가 다음 블록을 찾을 확률이다. 수학식 1이 나타내듯이, 공격자의 해시 파워가 정상 채굴업자의 해시 파워 보다 낮은 경우 z가 증가함에 따라 Q_z이 지수적으로 감소한다. 반면에, 공격자의 해시 파워가 정상 채굴업자의 해시 파워 보다 높은 경우 100의 확률로 어택이 성공한다.

수학식 1에서 q는 네트워크 내의 모든 N개의 피어의 총 해시 파워(H)에 대한 공격자의 해시 파워(h)의 비율(q=h/H)이다. 모든 그룹이 동일한 평균 사용자 수와 동일한 평균 해시 파워를 갖는다고 가정했을 때, m개의 그룹이 존재한다면, 본 발명의 일 실시 예에서 제안하는 알고리즘에서의 q(

)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

그리고, N,

는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

수학식 3이 나타내는 바와 같이, 적어도 두 개의 그룹만 있어도,

가 50%를 넘지 못함을 확인할 수 있다.

도 5는 이중 지불 공격의 성공 확률을 나타낸다. m = 1인 경우의 커브가 오리지날 비트코인의 케이스이다. 오리지날 케이스와 달리, q가 0.5보다 커지더라도, m이 증가할수록 Qz가 감소함을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 거래가 발생하면 블록을 생성하고, 작업 증명 합의 메커니즘을 통해 작업 증명을 수행하여 블록 체인을 형성하는 피어 노드들이 네트워크를 형성하는 작업 증명 기반의 암호 화폐 시스템에 있어서, 발생한 거래 내용을 포함하는 제1 블록의 이전 블록인 제2 블록의 해시 값을 해시 함수에 넣은 제1 값을 획득하고, 자신 고유의 지갑 주소를 상기 해시 함수에 넣은 제2 값을 획득하고, 상기 제1 값 및 제2 값을 비교하여 두 값이 동일한 경우에 상기 제1 블록에 대하여 작업 증명을 수행할 수 있는 권한을 가진 그룹에 소속되어 있음을 판단하고, 상기 제1 블록에 대하여 작업 증명을 수행할 수 있는 권한을 가진 그룹에 소속되어, 상기 제1 블록에 포함된 모든 거래가 유효한 거래로 확정되는 경우 상기 제1 블록을 암호 화폐 시스템을 구성하는 전체 네트워크로 브로드캐스팅하는 제1 피어노드; 및
   상기 제2 블록의 해시 값을 상기 제1 피어노드의 지갑 주소와 비교하여 생성된 블록이 적절한 마이닝 그룹에 의해 생성된 것인지를 판단하여 상기 제1 피어노드로부터 브로드캐스팅 된 상기 제1 블록을 승인하고 블록 체인에 추가하는 복수의 피어 노드를 포함하고,
   상기 복수의 피어 노드는 상기 블록 체인을 형성하는 피어 노드들 중 상기 제1값 및 제2값의 비교를 통해 작업 증명에 참여할 수 있는 그룹에 속하지 않은 피어 노드들이고,
   상기 작업 증명을 수행할 수 있는 권한을 가진 그룹은,
   상기 해시 함수의 결과값을 조정하여 그룹의 수가 조절되고,
   상기 암호 화폐 시스템은,
   상기 그룹의 수에 기초하여 작업 증명을 수행할 수 있는 컴퓨팅 파워가 상기 그룹의 수에 반비례 하여 감소함에 따라 채굴 난이도를 조정하는,
   암호 화폐 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 피어노드는 상기 제1 값 및 상기 제2 값을 비교하여 두 값이 다른 경우 자신이 상기 제1 블록에 대한 작업 증명을 수행할 수 없는 그룹에 소속되어 있음을 판단하고, 작업 증명에 필요한 컴퓨팅 파워를 제한하는
   암호 화폐 시스템.
   
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4. 삭제

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