KR102231257B1 - 채굴 장치, 및 채굴 장치 동작 방법 - Google Patents

채굴 장치, 및 채굴 장치 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치는 개선된 작업 증명 알고리즘에 따라 작업 증명을 수행하여 블록을 생성한다. 구체적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치는 채굴하고자 하는 현재 블록 헤더로부터 작업 증명을 위한 데이터 값을 획득하고, 획득한 값에 기초하여 제 1 입력 값 및 제 2 입력 값을 획득하고, 제 2 입력 값 및 제 3 입력 값에 기초하여 특정 넌스(nonce)값 에 대한 해쉬 함수 값을 획득하고, 해쉬 함수 값 및 제 1 입력 값에 기초하여 매핑된 코드워드 값을 획득하고, 코드워드 값이 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단하여 만족하는 경우 블록을 생성하여 작업 증명을 완료하는 제어부 및 상기 생성된 블록을 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅하는 네트워크부를 포함한다.

Description

채굴 장치, 및 채굴 장치 동작 방법{mining apparatus and operation methof of the same}
본 발명은 암호 화폐 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 개선된 작업 증명 알고리즘을 통해 블록을 생성하고, 이를 검증하는 채굴 장치를 포함하는 암호 화폐 시스템에 관한 것이다.
2009년 사토시 나카모토가 개발한 비트코인[1]으로부터 블록 체인 기반의 암호화폐가 등장했다. 블록 체인은 공공 분산 원장을 위한 분산 데이터 처리 기술이다. Peer-to-Peer(P2P) 트랜잭션 데이터는 블록으로 기록되며, 이들 블록은 블록의 링크드 리스트(다시 말해서, 체인)를 형성한다. 네트워크의 각 사용자는 중앙 권한 없이 분산된 방식으로 전체 데이터를 저장한다. 블록 체인의 각 블록이 이전 블록의 해쉬 값을 포함하는 블록 체인을 구성하기 때문에, 블록 체인 기반 암호 화폐에서 트랜잭션을 조작하는 것을 매우 어렵게 만든다.
대규모 P2P 네트워크에서 단일 블록 체인을 유지하려면 피어 노드 간에 결과를 상호 검증하여 시스템 무결성을 보장하는 분산 합의 메커니즘이 필요하다. 이 합의 메커니즘은 새로운 블록을 누가 만들었는지, 그리고 체인은 유효한지를 판단하는 것이 가능해야 한다.
비트코인은 작업 증명(Proof-of-work, PoW)[2] 알고리즘을 사용하는 대표적인 암호화폐이다. 작업증명은 블록 체인 기반 암호화폐에서 가장 일반적으로 사용되는 합의 알고리즘이다. 요컨대, 특정 요구 사항을 충족하는 해쉬 값을 찾아서 확인하여 합의를 도출하는데 컴퓨팅 능력이 사용된다. 작업 증명은 블록 해쉬 값을 목표 값보다 작게 만드는 넌스(nonce) 값을 찾는 프로세스이다. 넌스는 블록 헤더에 지정된 정보 중 하나이다. 넌스 값의 집합인 넌스 셋이 정의되고, 넌스 셋에서 넌스 값을 하나씩 선택하면서 해쉬 함수에 대입한다. 이때, 한번 사용된 넌스 값은 넌스 셋에서 제외되어 다시 사용되지 않는다. 특정의 넌스 값에서 상기의 요구사항을 만족하는 해쉬 값이 발견되는 경우 해당 넌스 값을 기록하고, 블록 헤더에 삽입하여 블록을 생성한다. 이러한 일련의 과정이 작업 증명이라고 지칭된다. 작업증명 과정에서 목표 값은 넌스 값 계산의 어려움을 나타내며, 평균 10분마다 단일 블록을 생성하도록 조절된다.
[1] Satoshi Nakamoto. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. Consulted, 1:2012, 2008. [2] Dwork, Cynthia; Naor, Moni (1993). "Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology". CRYPTO'92: Lecture Notes in Computer Science No. 740. Springer: 139 - 147. [3] Harald Vranken, in Current Opinion in Environmental Sustainability, 2017, 28: 1 - 9 [4] https://www.asicminervalue.com/miners/ebang/ebit-e10 [5] Henri Gilbert, Helena Handschuh: Security Analysis of SHA-256 and Sisters. en:Selected Areas in Cryptography 2003: pp175-193
본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은, 기존의 작업 증명 기반의 암호화폐에서 발생하고 있는 재-중앙화(re-centralization)를 해결하고자 한다.
더하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은 ASIC의 출현으로 소수의 채굴 업자가 해쉬파워를 독점하여 발생할 수 있는 문제를 해결하고자 한다.
더하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은, 채굴 난이도 조절이 가능하고, 매 블록마다 입력 값이 달라지는 채굴 장치의 동작 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은, 현재 블록 헤더로부터 작업 증명을 위한 데이터 값을 획득하는 단계. 득한 데이터 값에 포함된 제 1 값에 기초하여 체크 매트릭스를 생성하는 단계, 득한 데이터 값에 포함된 제 2 값에 기초하여 해쉬 트리를 생성하는 단계, 득한 데이터 값에 포함된 제 3 값 및 해쉬 트리에 기초하여 입력 셋을 생성하는 단계, 입력 셋과 넌스 값을 해쉬 함수에 적용하여 결과 벡터를 획득하는 단계, 상기 결과 벡터 및 상기 체크 매트릭스에 기초하여 출력워드를 획득하는 단계, 상기 출력워드가 기 설정된 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 및 판단 결과에 기초하여 새로운 블록을 생성하거나 다른 넌스 값을 사용하여 다시 출력워드를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은 ASIC 칩으로 구현이 거의 불가능한 알고리즘으로서 작업 증명 기반의 암호화폐 시스템에서 발생하고 있는 재-중앙화(re-centralization)를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은, 재중앙화 해결을 통해 블록 체인 기반의 암호 화폐의 본질을 회복하여 거래 신용 및 화폐 신용을 회복할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 동작 방법은 작업 증명의 난이도를 필요에 따라 조정할 수 있다.
도 1은 일반적인 블록 및 블록들이 연결된 블록 체인을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 작업 증명 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 앞서 설명한 코드워드와 조건 셋을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 검증 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 작업 증명 알고리즘에 있어서 채굴 난이도를 조절하는 방법을 8 바이 16 체크 매트릭스를 통해 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치를 나타내는 블록도이다.
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.
본 발명을 설명하기에 앞서, 블록체인 기반의 암호화폐에서 수행되는 작업 증명을 간단히 설명하고, 관련 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 해쉬 값을 가지고 있다.
블록 해쉬(4)는 블록 헤더를 해쉬 함수로 계산한 값이다. 여기에서 해쉬 함수는 임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 매핑하는 함수이다.
작업 증명 알고리즘에서는 앞서 설명한 바와 같이 블록 해쉬와 목표 값을 비교하여 작업 증명 성공 여부를 판단한다. 구체적으로 작업 증명은 소위 피어 노드에서 수행되는데, 각각의 피어 노드는 헤더 정보 중 넌스 값을 바꿔가면서 해쉬 계산을 하여 목표 값 보다 작은 값이 나오는지 여부를 판단한다.
여기에서 피어 노드는 채굴 업자 또는 채굴 장치라고도 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 해쉬가 목표 값 보다 작을 때까지 넌스를 바꾸며, 블록 해쉬가 목표 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 정해진 합의 알고리즘을 사용하여 합의에 이르고, 합의된 체인을 확장시켜나간다. 가령, 비트코인 합의메커니즘은 가장 긴 체인만을 옳은 체인으로 간주한다.
상술한 작업 증명 기반 암호화폐인 비트코인은 몇 가지 문제가 있다.
먼저, 작업 증명을 위해 너무 많은 전력을 소비한다는 것이 있다[3]. 소위 채굴 난이도라고 불리는 암호 퍼즐 난이도가 점차 증가하고 있는데 이는 비트코인 채굴에 참여하는 업자의 수가 늘어나고, 채굴네트워크 전체의 해쉬파워가 증가하기 때문이다. 해쉬파워가 클수록 작업 증명의 속도가 빠르며 결과적으로 블록을 생성하는 속도가 빨라진다. 비트코인 프로토콜은 블록 생성 시간을 평균적으로 10분마다 한 블록씩 채우는 것을 목표로 한다. 이를 위해 비트 코인 프로토콜은 2016 블록마다 해쉬 난이도를 재구성한다[1]. 따라서, 해쉬파워가 커지면 난이도는 증가하게 된다. 이로 인하여, 채굴을 위해 더 많은 전력이 소비가 되는 것이다.
암호 화폐에 대한 채굴업자의 수가 많을수록 가능한 공격에 대한 보호 기능이 향상되므로 블록 체인 불변성 및 암호 화폐의 신뢰성 유지에 도움이 된다. 비트 코인 네트워크의 초기 단계(2010 ~ 2013년)에서는 가정용 컴퓨터를 사용하는 일반 사람들도 비트코인의 작업증명을 수행할 수 있었다.
그러나, 시간이 갈수록 가정용 컴퓨터의 컴퓨팅 파워만으로는 작업 증명을 빠르게 수행할 수 없었으며, 비트코인 채굴을 위한 컴퓨팅 플랫폼이 GPU, FPGA에서 최근에 ASIC에 이르면서 소수의 채굴업자들이 컴퓨팅 파워를 독점하는 현상이 나타나고 있다. 이를 통해 비트코인 네트워크가 중앙 집중화되어 비트코인 블록체인의 정체성인 탈-중앙화(decentralization)와 멀어지고 있다. 따라서, 압도적인 컴퓨팅 파워를 갖는 소수의 채굴업자에 의해 블록체인이 변조될 가능성이 대두되면서 블록체인에 대한 대중의 신뢰가 붕괴되고 있는 시점이다.
이러한 비트코인을 포함한 모든 작업증명(Proof-of-Work) 기반 블록체인 네트워크의 재-중앙화(recentralization) 문제가 유발되는 원인으로, 암호 퍼즐의 제한된 가용성(limited availability)이 있다. 비트코인 합의메커니즘에서의 작업 증명 방식은 고정된 해쉬함수 (e.g. SHA-256) 알고리즘에 따라 이루어져, 결과적으로 비트코인 작업 증명 알고리즘에 최적화된 ASIC 칩을 탄생시켰다[4]. ASIC 칩은 상대적으로 고가이나, 비트코인 작업 증명에 최적화되어 ASIC 칩을 통해 채굴을 수행하는 소수의 채굴업자들이 가진 해쉬파워가, 전체네트워크의 해쉬파워에 큰 부분을 차지하여, 압도적인 채굴 영향력을 갖게 되었다.
따라서 이러한 블록체인 네트워크의 재-중앙화를 해소하기 위해서 새로운 작업 증명 알고리즘이 요구되고 있다. 새로운 작업 증명 알고리즘은 아래와 같은 요건을 만족할 것이 요구된다.
1) 퍼즐은 풀기 어려워야 하나, 반대로 체크는 쉬워야 한다.
2) 퍼즐은 외부 공격으로부터 견고한 저항성을 가져야 한다.
3) 풀린 퍼즐의 넌스 값은 재 사용되지 않는다.
4) 퍼즐의 난이도는 조절 가능하여야 한다.
5) CPU를 갖고 있는 정도라면 누구든지 작업 증명에 참여할 수 있어야 한다.
이하에서는 상술한 요구 조건을 만족하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 PoW기반 블록체인 네트워크에서의 작업 증명 알고리즘을 설명한다. 개선된 요구 조건 중 하나는
6) 작업증명에 쓰이는 함수가 매 블록마다 변화하여 바뀔 수 있어야 한다.
이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 조건을 만족하는 작업 증명 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 2에서 설명하는 작업 증명 알고리즘은 상술한 채굴 장치를 통해 수행될 수 있으며, 구체적으로 채굴 장치에 마련된 CPU와 같은 프로세서에서 수행될 수 있다.
채굴 장치는 현재 블록 헤더로부터 작업 증명을 위한 데이터 값을 획득한다(S1001). 여기에서 현재 블록이란, 채굴자가 현재 만들고자 하는 블록으로, 아직 작업증명이 완료되지 않아 체인에 연결되지 않은 블록을 말한다. 블록 체인에 포함된 블록 헤더에는 블록에 관한 하나 이상의 정보를 포함할 수 있다. 블록 헤더가 포함하는 정보는 버전 정보, 난이도 정보, 타임스탬프 정보, 넌스 정보, 이전 블록의 해쉬 값 정보 또는 트랜잭션 셋 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
채굴 장치는 획득한 데이터 값에 포함된 제 1 값에 기초하여 체크 매트릭스를 생성한다(S1003). 여기에서 체크 매트릭스를 생성하는데 사용되는 제 1 값은 이전 블록의 해쉬 값일 수 있다. 체크 매트릭스는 Galois Field GF(q) 의 엘레멘트 (q = 2 인 경우는 0 또는 1 바이너리 엘레멘트)로 구성되는 Nc - Nm 바이 Nc 매트릭스일 수 있다. 가령
Figure 112018082927865-pat00001
이고
Figure 112018082927865-pat00002
이 될 수 있다. 채굴 장치는 현재 블록 인덱스 t (양의정수) 에서 이전 블록의 해쉬 값(ht-1)을 이용하여 체크 매트릭스(Ft)를 생성할 수 있다. 여기에서 체크 매트릭스의 생성은 부호이론 분야에서 일반적으로 알려진 것을 사용할 수 있다.
채굴 장치는 획득한 데이터 값에 포함된 제 2 값에 기초하여 해쉬 트리를 생성한다(S1005). 여기에서 해쉬 트리를 생성하는데 사용되는 제 2 값은 트랜잭션 셋 정보일 수 있다. 일 실시 예에서, 채굴 장치는 제 2 값에 기초하여 해쉬 트리 값을 생성할 수 있다.
채굴 장치는 획득한 데이터 값에 포함된 제 3 값 및 생성된 해쉬 트리에 기초하여 입력 셋(S)을 생성한다(S1007). 여기에서 사용되는 제 3 값은 이전 블록의 버전 정보, 난이도 정보 또는 타임스탬프 정보 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 블록 헤더에 포함된 다른 정보가 추가적으로 제 3 값으로 사용될 수도 있다.
채굴 장치는 입력 셋을 해쉬 함수에 적용하여 결과 벡터(r)를 획득한다(S1009). 여기에서 사용되는 해쉬 함수는 SHA 256 [5] 함수일 수 있으며, 그 밖에 보안성이 검증된 다른 함수를 사용할 수도 있다. 이 때 채굴 장치는 특정의 넌스 값에 대한 해쉬 함수 출력인 결과 벡터를 생성한다.
채굴 장치는 해쉬 함수의 출력인 결과 벡터(r)와 단계 S1003에서 생성한 체크 매트릭스를 입력 값으로 하여 디코딩 함수에 적용한다(S1011). 채굴 장치는 디코딩 함수의 출력 값으로 출력워드(c^)를 획득할 수 있다.
여기에서 디코딩 함수는 Error-Correction Code의 디코더, 통신이론의 Sphere-Decoding 신호수신기, 압축센싱의 Sparse 신호복원 알고리즘 또는 수학의 Inverse 문제의 해를 구하는 알고리즘 등 하나의 입력 값에 대한 유일한 출력값을 만드는 함수가 사용될 수 있다.
바람직한 일 실시 예로서, Error correction coding에 관한 디코딩 함수가 사용되는 경우, Error-Correction Code는 Noisy 채널을 사이로 송신기와 수신기가 통신할 때 사용한다. Noisy채널을 통해 수신한 워드는 채널이 발생시키는 에러 때문에 송신한 워드와 다르게 된다. 이 에러를 잡아내고 정정하기 위해 오류정정부호가 사용된다. 송신기는 메시지 벡터를 1-대-1 매핑하여, 즉 인코딩 (Encoding) 하여 코드워드를 생성하고, 메시지 벡터 대신에 생성된 코드워드를 수신기로 전송한다. 수신기는 수신한 에러를 포함한 수신워드를 Decoding 하여 채널에서 발생한 오류를 제거할 수 있다. 수신워드를 입력해주면 Encoding 하는 함수의 역 문제를 풀어 송신된 코드워드를 복원하는 복원함수를 Decoder 또는 디코딩 함수라고 부른다.
에러를 스스로 제거 할 수 있은 여유를 만들어 내기 위해서, 코드워드 벡터의 크기 Nc 를 메시지 벡터의 크기 Nm 보다 길게 만든다. 그리고, R = Nm/Nc 을 코드 Rate이라고 칭한다. 코드 Rate이 작으면, 채널 에러에 더욱 강인 해 진다; 그러나 Decoding하기위해 보다 많은 컴퓨팅을 필요로 한다.
본 발명은 Error-Correction Code에서 쓰는 Decoder를 작업증명에 적용하는 것을 발명의 한 실시 예로 보여준다. Decoder 함수를 SHA-256과 같은 암호함수와 묶어 합성함수를 만드는 것이다. 즉, 암호함수의 출력 값을 디코딩 함수의 입력 값의 하나로 넣는 것이다.
작업 증명에서는 합성된 함수의 출력워드가 주어진 조건을 만족하는 합성함수의 입력값, 즉 넌스 값을 찾는 것은 매우 어렵지만, 일단 찾은 코드워드 값이 조건에 적합한지 여부를 검증하는 것은 쉬운 경우를 말한다. 그러므로 이렇게 만들어낸 합성함수는 작업 증명 알고리즘의 요건 중 1)을 만족시킨다. 바람직한 실시 예에서, 디코딩 함수로서 graph-decoder 가 사용될 수 있다. 또한, 추가적으로 디코딩 함수는 리니어 graph-decoder 분야에서 가장 빠른 코드워드 매핑이 가능한 알고리즘이 사용될 수 있다.
채굴 장치는 획득한 Decoder의 출력워드가 기 설정된 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(S1013). 채굴 장치는 매핑된 출력워드에 관한 조건 셋을 미리 가지고 있으며, 단계 S1011에서 획득한 출력워드 값이 코드워드인지 여부와 코드워드인 경우 기 설정된 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단한다.
도 3은 앞서 설명한 코드워드와 조건 셋을 나타낸다.
도 3에서 예를 든 바와 같이, 2256개의 벡터(예를 들어 SHA 함수의 출력)가 있으며, 그 중 1/4 코드 레이트로 264개 정도의 코드워드가 존재한다. 디코딩 함수(Dec())에 벡터를 입력하는 경우에 하나의 출력워드로 매핑이 되는데, 여기에서 매핑된 출력워드가 조건 셋에 포함되는 코드워드인지 여부를 채굴 장치가 판단한다.
다시 도 2로 돌아온다.
앞서 설명한 바와 같이, 매핑된 출력워드가 조건 셋을 만족하는 경우, 채굴 장치는 작업 증명이 완료되었다고 판단하여 현재의 넌스 값을 기록하면서 새로운 블록을 생성하고 이를 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅한다(S1017). 따라서, 기존 비트코인 작업 증명에서 해쉬 함수 출력 값만으로 작업 증명 완료 여부를 판단하는 것과 달리 디코딩 함수를 이용하여 출력워드 값을 검증하는 과정이 추가되는바 정형화된 알고리즘에서 발생할 수 있는 문제(ASIC을 이용한 재중앙화)를 해결할 수 있다.
다시 말해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 합성함수에 의한 작업 증명 알고리즘에서는 Decoder부분의 입력 중 하나인 체크 매트릭스를 매 블록마다 변경할 수 있기 때문에, 매 블록마다 다른 Decoder 퍼즐을 작업 증명으로 수행해야 한다. 이전 블록 해쉬 값에 체크 매트릭스가 의존하는 바 역시 매 블록마다 다른 입력 값이 사용되어 결과적으로 ASIC 칩의 출현을 억제할 수 있다. 즉, ASIC 칩을 사용한 채굴을 힘들게 함으로써, 상대적으로 해쉬파워가 떨어지는 CPU 로도 누구나 작업증명에 참여할 수 있으므로 새로운 작업 증명 알고리즘의 요건 5) 를 만족한다. 또한, 디코딩에 사용되는 함수 또한 원웨이 특성을 갖는 또 다른 종류의 함수로 변경 가능한 것으로 이 역시 고정화된 알고리즘으로 인한 ASIC 칩의 출현을 억제하는 요소가 된다. 또한 특정 퍼즐문제에 대한 넌스 값을 찾았더라도 매 블록마다 다른 입력 값이 퍼즐을 만드는데 사용되므로, 기존의 넌스 값을 새로운 블록의 넌스 값으로 재사용 할 수 없다. 즉, 새로운 작업 알고리즘의 요건 3)을 만족한다.
만약, 매핑된 출력워드가 조건 셋을 만족하지 못하는 경우, 채굴 장치는 기 사용한 넌스 값을 넌스 셋에서 제외하고, 넌스 셋에서 사용되지 않은 새로운 넌스 값을 선택하여 다시 단계 S1009로 돌아간다(S1015). 채굴 장치는 매핑된 출력워드가 조건을 만족할 때까지 새로운 넌스 값을 선택하면서 각 단계를 반복한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치의 검증 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
앞서 도 2 내지 3에서 설명한 단계는 채굴 장치의 채굴 프로세스이며, 채굴 장치는 작업 증명이 완료되면 새롭게 생성된 블록을 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅한다. 그리고 브로드캐스팅된 블록을 다른 채굴 장치들이 검증하여 정당한 블록임이 인정된다면 채굴 장치들은 해당 블록을 기존의 블록 체인에 더하여 블록 체인 원장을 업데이트 한다.
채굴 장치는 블록을 생성한 다른 채굴 장치로부터 브로드캐스팅 된 블록의 블록 헤더 데이터를 획득한다(S2001). 여기에서 채굴 장치가 획득하는 블록 헤더 데이터는 앞서 설명한 것과 동일하다.
채굴 장치는 블록 헤더 데이터에 포함된 해쉬 값에 기초하여 체크 매트릭스를 생성한다(S2003). 여기에서 체크 매트릭스를 생성하는 방법은 앞서 설명한 것과 동일하다.
채굴 장치는 블록 헤더 데이터에 기초하여 해쉬 함수의 출력 값을 획득한다(S2005). 여기에서 해쉬 함수의 출력 값을 획득하는 단계는 앞서 설명한 것과 동일하다.
채굴 장치는 해쉬 함수의 출력 값과 체크 매트릭스를 입력 값으로 하는 디코딩 함수 출력 값으로 출력워드를 획득한다(S2007). 여기에서 사용하는 디코딩 함수는 앞서 설명한 것과 동일하다.
채굴 장치는 출력워드가 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(S2009). 여기에서 조건은 앞서 채굴 프로세스에서의 조건과 동일한 조건으로 설정되는 것이다. 검증을 위한 조건 셋은 전체 채굴 장치에 대하여 일괄적으로 설정된 것일 수 있으며, 블록이 브로드캐스팅될 때 함께 전달될 수도 있다.
채굴 장치는 판단 결과 출력워드가 조건 셋을 만족하는 경우 브로드캐스팅된 블록을 승인하고 이를 기존의 블록 체인에 연장하여 원장을 업데이트한다(S2011).
반면에, 채굴 장치는 판단 결과 출력워드가 조건 셋을 만족하지 못하는 경우 브로드캐스팅된 블록이 정당한 블록이 아니라고 판단하여 브로드캐스팅된 블록 승인을 거절한다(S2013).
결과적으로 상술한 검증 방법은 이미 알고 있는(또는 기 설정되어 있는) 디코딩 함수에 전달 받은 값을 넣어 조건 셋에 부합하는지 여부만 검증하면 되는 것으로, 넌스 값을 변경하면서 조건에 맞는 코드워드를 찾아 작업증명을 완료하는 과정에 비해, 상대적으로 매우 간단하여 블록 체인에 적합한 검증 방법이다. 따라서, 외부의 공격자가 블록의 내용을 조작하더라도 검증자가 조작여부를 쉽게 알 수 있으므로 새로운 작업 증명 알고리즘의 요건 2)를 만족한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 작업 증명 알고리즘에 있어서 채굴 난이도를 조절하는 방법을 8 바이 16 체크 매트릭스를 통해 설명하는 도면이다.
도 5(a)는 8 바이 16 체크 매트릭스의 예이다. 실제로는 이것보다 훨씬 큰 크기의 체크 매트릭스를 사용하나 설명의 용이성을 위해 8 바이 16 체크 매트릭스를 예시로 설명한다.
도 5(b)는 (a)에서의 체크 매트릭스에 기초하여 코드워드 값을 정리한 표이다. n은 코드워드의 해밍 가중치(Hamming weight)를 나타내는데, 다시 말해서 코드워드에 포함된 0이 아닌 수의 개수를 지칭한다. Vn은 1을 해밍 가중치에서 인디케이팅 하는 수만큼 가지고 있는 조건 셋을 나타낸다. p는 전체 코드워드의 개수 중 Vn 조건셋에 포함되는 코드워드 개수의 비율을 나타낸다.
도 5(b)의 표에서 나타내는 바와 같이 n 개의 1을 포함하는 조건 셋의 크기가 다름을 알 수 있으며, 그에 대한 각각의 점유율을 알 수 있다. 따라서, 조절하고자 하는 암호 퍼즐의 난이도에 따라 해밍 가중치를 결정할 수 있다. 예를 들어 난이도를 낮게 하는 경우에 해밍 가중치를 7 내지 10으로 설정할 수 있다. 반대로 난이도를 높이고자 하는 경우 해밍 가중치를 3으로 설정할 수 있다. 각각의 경우 조건 셋을 만족하는 코드워드가 선택될 확률이 각각 약55%와 2.5%로 차이가 나는바, 후자의 경우 더 많은 연산을 수행하여야 조건 셋을 만족하는 코드워드 값을 획득할 수 있어 결과적으로 작업 증명의 난이도가 상승하게 된다. 즉, 상기한 코드 Rate을 바꾸고, 메이트릭스의 크기를 조절하여 Decoder 퍼즐을 푸는데 필요한 컴퓨팅량을 조절하여 퍼즐의 난이도를 유연하게 조절할 수 있으므로 새로운 작업 증명 알고리즘의 요건 4) 를 만족한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 채굴 장치는 제어부(110), 네트워크부(120) 및 저장부(130)을 포함한다.
제어부(110)는 프로세서를 지칭할 수 있으며, 마이크로 프로세서 또는 제어기를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(110)는 현재 블록 헤더 데이터 획득부(111), 입력 값 생성부(112), 해쉬 함수 적용부(113), 코드워드 획득부(114) 및 블록생성부(115)를 포함할 수 있다.
현재 블록 헤더 데이터 획득부(111)는 채굴하고자 하는 현재 블록의 헤더를 추출하여 헤더에 포함된 데이터를 획득한다. 여기에서 현재 블록 헤더 데이터 획득부(111)가 획득하는 데이터는 버전 정보, 난이도 정보, 타임스탬프 정보, 넌스 정보, 이전 블록의 해쉬 값 정보 또는 트랜잭션 셋 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
입력 값 생성부(112)는 현재 블록 헤더 데이터에 기초하여 복수의 입력 값을 생성한다. 일 실시 예에서 입력 값 생성부(112)는 이전 블록 해쉬 값에 기초하여 체크 매트릭스를 생성할 수 있다. 또 다른 실시 예에서 입력 값 생성부(112)는 트랜잭션 셋에 기초하여 해쉬 트리 값을 생성할 수 있다. 또 다른 실시 예에서 입력 값 생성부(112)는 해쉬 트리 값 및 다른 헤더 데이터에 기초하여 해쉬 함수 입력 셋을 생성할 수 있다. 여기에서 다른 헤더 데이터 값이란 예를 들어 버전 정보, 난이도 정보 또는 타임스탬프 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
해쉬 함수 적용부(113)는, 입력 값 생성부(112)에서 생성된 입력 셋을 입력 값으로 하여 해쉬 함수 출력을 획득한다. 여기에서 해쉬 함수는 SHA 함수일 수 있으며, 다른 보안성이 확보된 함수도 적용 가능하다.
출력워드 획득부(114)는 체크 매트릭스와 해쉬 함수 출력 값에 기초하여 출력워드를 획득한다. 일 실시 예에서 출력워드 매핑 알고리즘은 출력워드는 입력 값에서 가까운 하나의 코드워드를 찾는 방법으로 획득될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 출력워드 매핑 알고리즘은 graph codeword mapping이 사용될 수 있다.
블록생성부(115)는 획득한 출력워드를 검증하여 검증 결과에 따라 블록을 생성한다. 블록생성부(115)는 넌스 값을 발생시키고, 해당 넌스값에 대응하는 출력워드가 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단한다. 블록생성부(115)는 획득한 출력워드가 조건 셋을 만족하는 경우 해당 넌스값을 저장하고 블록을 생성한다. 반면에 블록생성부(115)는 출력워드가 조건 셋을 만족하지 못하는 경우 넌스 값을 바꾸고 다시 출력워드 획득부로부터 새로운 출력워드값을 받아 검증 작업을 수행한다.
네트워크부(120)는 유무선 통신 장치이다. 네트워크부(120)는 다른 채굴 장치와 연결을 수행하고, 생성된 블록을 브로드캐스팅한다. 또한 네트워크부(120)는 다른 채굴장치가 생성한 블록을 수신하여 이를 현재 블록 헤더 데이터 획득부(111)에 전달할 수도 있다.
저장부(130)는 제어부(110)에서 사용되는 각종 인스트럭션을 저장한다. 또한 저장부(130)는 제어부(110)에서 생성된 블록이 연결된 블록 체인 원장을 저장한다. 저장부(130)는 메모리 장치일 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 (11)

  1. 거래가 발생하면 블록을 생성하고, 작업 증명 합의 메커니즘을 통해 작업 증명을 수행하여 블록 체인을 형성하는 채굴 장치에 있어서,
    채굴하고자 하는 현재 블록의 헤더로부터 작업 증명을 위한 데이터 값을 획득하고, 획득한 값에 기초하여 제 1 입력 값 및 제 2 입력 값을 획득하고, 제 1 입력 값에 기초하여 체크 매트릭스를 생성하고, 제 2 입력 값 및 제 3 입력 값에 기초하여 특정 넌스(nonce)값 에 대한 해쉬 함수 값을 획득하고, 해쉬 함수 값 및 제 1 입력 값에 기초하여 매핑된 출력워드 값을 획득하고, 출력워드 값이 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단하여 만족하는 경우 블록을 생성하여 작업 증명을 완료하는 제어부; 및
    상기 생성된 블록을 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅하는 네트워크부를 포함하는
    채굴장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 현재 블록 헤더 데이터 중 제 2 입력 값에 기초하여 해쉬 트리를 생성하고, 생성한 해쉬 트리와 제 3 입력 값에 기초하여 입력 셋을 생성하는
    채굴 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 입력 값 생성에 사용되는 블록 헤더 데이터 값은 현재 블록의 버전 정보, 타임스탬프 정보 또는 난이도 정보 중 적어도 어느 하나인
    채굴 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 이전 블록 해쉬 값에 기초하여 제 1 입력 값을 생성하는
    채굴 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 코드워드 값이 조건 셋을 만족하지 않는 경우, 넌스 값을 바꾸어 다시 코드워드 값을 획득하는
    채굴 장치.
  6. 제어부, 네트워크부, 저장부를 포함하는 채굴 장치의 동작방법이고,
    현재 블록 헤더 데이터 획득부가, 현재 블록 헤더로부터 작업 증명을 위한 데이터 값을 획득하는 단계;
    상기 획득한 데이터 값에 포함된 제 1 값에 기초하여, 입력값 생성부가 체크 매트릭스를 생성하는 단계;
    상기 입력값 생성부가, 상기 획득한 데이터 값에 포함된 제 2 값에 기초하여 해쉬 트리를 생성하는 단계;
    상기 입력값 생성부가, 상기 획득한 데이터 값에 포함된 제 3 값 및 해쉬 트리에 기초하여 입력 셋을 생성하는 단계;
    해쉬 함수 적용부가, 상기 입력 셋을 해쉬 함수에 적용하여 결과 벡터를 획득하는 단계;
    출력워드 획득부가, 상기 결과 벡터 및 상기 체크 매트릭스에 기초하여 코드워드를 획득하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 코드워드가 기 설정된 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단하여, 블록생성부가 새로운 블록을 생성하거나, 상기 출력워드 획득부가 다른 넌스 값을 사용하여 다시 코드워드를 획득하는 단계를 포함하는
    채굴 장치 동작 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 블록생성부에 의해서 새로운 블록이 생성된 경우에, 상기 네트워크부가, 상기 블록을 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅하는 단계를 더 포함하는
    채굴 장치 동작 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 코드워드가 기 설정된 조건 셋을 만족하는지 여부를 판단하는 것은,
    작업 증명 과정의 난이도 조정을 위해 상기 기 설정된 조건 셋을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 네트워크부가 상기 블록을 다른 채굴 장치로 브로드캐스팅하는 단계는,
    상기 조정된 조건 셋 정보를 상기 블록과 함께 브로드캐스팅하는 단계를 포함하는
    채굴 장치 동작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 조건 셋을 조정하는 단계는,
    상기 코드워드에 포함된 1의 개수를 지칭하는 해밍 가중치를 조정하는 단계를 포함하는
    채굴 장치 동작 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 출력워드 획득부가, 상기 결과 벡터 및 상기 체크 매트릭스에 기초하여 출력워드를 획득하는 단계는,
    상기 결과 벡터에 대응하는 출력워드 하나를 찾아 매핑하는 단계를 포함하는
    채굴 장치 동작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 매핑된 출력워드를 찾는 알고리즘은 graph codeword mapping인
    채굴 장치 동작 방법.
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