블록체인 채굴이란

채굴(마이닝)

• 채굴 : 새로운 블록을 생성하기위한 행위
• 채굴시스템을 도입한 이유 - 비트 코인 마이닝의 예 (POW (Proof of Work) 방식)

- A 와 B 가 거래를했습니다.

그 거래를 제3자가 인증하고서야 비로서 거래가 인증됩니다.

하지만 그 인증을 위해, 많은 시간이 소비된다면 아무도 하고 싶어하지 않겠죠?

그래서 그 인증을 해 준 사람에게 비트 코인으로 보수가 지급되는 방식을 도입했습니다.

보수가 생기자 모두가 그 인증 작업을 하고 싶어합니다.

그래서 인증 작업에 입후보 한 사람은 수학의 난제가 주어지게되어 

그것을 가장 먼저 푼 사람이 인증 작업을 할 수 있는 권리를 얻게 됩니다

이 인증 작업을 행하는 것을 마이닝 (채굴)이라고합니다.

• 블록 : 거래 내역들을 하나로 묶어 채굴이라는 작업을 통해 데이터로 저장하는 보관함 
• 블록의 구성 요소 : ※ https://www.blockchain.com/ko/search

① 현재 블록의 해시(Hash) : 채굴 시 맞춘 정답의 값 (유니크한 값)

② 블록 해더

- 버전 (Version) : 소프트웨어/프로토콜 버전

- 이전 블록의 해시 (Previous Block) : 블록 체인에서 바로 앞에 위치하는 블록의 블록 해쉬

- 머클 루트 (Merkle Root) : 모아놓은 거래내역들을 2개씩 sha256을 통해 코드 값들을 만든후 만들어진 코드 값을 다시 2개씩 sha256으로 코드 값을 만들고 계속 반복하여 하나의 코드가 나올때까지 만든 최종값 

- 시각 (time) : 블록이 생성된 시간

- 비트 (Bits) : 난이도 조절용 수치

- 해시 난수 (Nonce) : 최초 0에서 시작하여 조건을 만족하는 해쉬값을 찾아낼때까지의 1씩 증가하는 계산 회수

③ 거래정보

④ 기타정보

- 다음 블록의 해시 (Next Blocks) : 블록 체인에서 바로 뒤에 위치하는 블록의 블록 해쉬

- 난이도 (Difficulty) : 채굴의 난이도  ※https://www.blockchain.com/charts/difficulty?timespan=all

- 거래 수 (Number Of Transactions) : 블록에 포함된 거래내역의 수

- 출력 합계 (Output Total) : 블록에 포함된 거래내역의 금액 합계

- 예상된 거래량 (Estimated Transaction Volum) :

- 크기 (Size) : 데이터의 사이즈

- 블록 보상 (Block Reward) : 채굴 보상

- 거래 수수료 (Transaction Fees)

• 채굴 방법 

- 버전 + 이전 블록해시 + 머클루트 + 시각 + 비트 + 해시 난수를 sha256을 통해 해시 값을 찾음

- 여기서 시각과 해시난수(nonce)값을 지속적으로 변경해가며 해시 값 앞의 0이 n개 이상이면 (즉 일정한 수치 이하의 값이면) 채굴에 성공하게됨

- extranonce : 논스의 범위인 0~40억을 다 소진하게 되면 mempool에서 트랜잭션 조정이 이뤄지고, extranonce를 증가시킴.

- extranonce를 바꾸면 머클루트가 바뀜

- 블록을 만드는 시작시점은 전세계 노드들중 가장빨리 블록을 생성한 노드가있다면 해당내용을 모든 노드들에게 전파를 함

이때 현재 블록을 누군가 완료했다는 전파사실을 알게되면 하던일을 멈추고 그 다음블록을 마이닝함

• 코인 베이스 : 채굴후 보상받은 코인 (첫 트랜잭션)
• 트랜잭션 : 거래 내역
• MEMPOOL :

- 트랜잭션을 발생시키는 순간 해당 노드에서 Pending Transaction을  Mempool에 가지고 있음

- 인접한 노드에게 Broadcast로 발생된 트랜잭션을 전파한다. 전달받은 노드도 인접한 노드들에게 Broadcast 함

- Mempool에 담긴 트랜잭션은 Tx Fee 가 높은 우선 순위에 따라 Miner가 블록을 만들 때 먼저 들어가게 됨

• 마이닝 시뮬레이터 실습 사이트 : http://yogh.io/#mine:last
• 브로드캐스트 (broadcast) : P2P 네트워크로 전달된 트랜잭션은 네트워크에 참가하는 모든 노드로 전파하는 것

      ※ 채굴 방법의 다른 설명들

① 아직 어떤 블록에도 들어 있지 않은 트랜잭션을 모으고,

거기에 자신의 보수인 트랜잭션 (코인베이스)을 더한 임의의 숫자 (넌스 Number used once)를 첨가하여 해시를 계산.

그 해시 값 앞의 0이 n개 이상이면 (즉 일정한 수치 이하의 값이면) 채굴에 성공해, 새로운 블록으로 배포.

채굴이라는 행위는 넌스를 점점 변화시켜 해시 값이 수치 이하가 될 때까지 반복하는 것.

② 마이닝은 블록체인(Blockchain) 상에 새로운 거래를 포함한 블록을 추가하는 과정.

네트워크 상에서 한 노드가 새로운 거래가 발생하였기 때문에 블록체인, 즉 분산장부(Distributed Ledger)상의 변경을 제안했다고 가정해보면

노드들 중 이러한 거래들을 모아서 하나의 블록으로 만드는 역할을 하는 특수한 노드들을 '마이너(Miner)'라고 함.

즉 채굴을 하는 사람들이라는 뜻.

이러한 과정을 채굴이라고 부르는 이유는 그 결과로 비트코인(bitcoin)이 주어지기 때문.

새로운 블록을 생성하여 그 보상으로 비트코인을 지급받는 행위를 은유적으로 '채굴'이라 부르는 것.

다만 마이닝은 블록을 만들어 내는 것이고 블록 생성의 대가로 비트코인을 받는 것이지 블록 그 자체는 비트코인이 아님.

③ 마이닝 알고리즘

마이너들은 네트워크 상의 신규 거래들을 모아서 한 개의 블록으로 만들고 블록체인의 말단에 추가하는 역할을 함.

이는 구체적으로 다음과 같은 순서로 진행:

1. 마이닝 노드에서 네트워크 상의 제안된 거래들을 수집(머클루트 생성)

2. 일정 수의 거래가 모이면 하나의 블록을 생성

3. 블록을 무작위 숫자(nonce)를 변경해 가며 암호화하여 SHA256 방식으로 암호화하여 해쉬 코드(hash code) 생성

4. 생성된 해쉬 코드를 정해진 난이도(difficulty level)와 비교

5. 난이도보다 작은 경우 3단계 반복

6. 난이도보다 큰 경우 성공이므로 이를 다른 노드로 브로드캐스트하여 검증

7. 검증이 완료되면 블록체인에 해당 블록이 성공적으로 추가됨(추가되며 검증이 함께 이루어지는 과정)

이 과정이 쉽지 않은 이유는 우선 3번 단계에서 수없이 같은 연산을 프로세서가 반복해야 하기 때문.

이 연산 능력, 즉 Computing power 를 통해 컴퓨터 자원을 소모함으로써 거래를 증명하는 이 방식을 Proof of Work (PoW) 방식이라 함.

이 반복 연산은 무작위 수를 대입하는 방법이므로

1) 더 강력한 연산 능력을 가진 하드웨어로

2) 운이 좋을 때에

성공적으로 블록을 생성할 수 있음.

다른 사람이 먼저 동일한 블록을 생성한다면 그때까지의 연산은 무효가 되어 버리기 때문.

더불어 난이도는 비트코인 네트워크 전체에 속한 컴퓨팅 파워에 비례하여 커지기 때문에 난이도가 커질수록 블록 생성을 통한 채굴은 어려워짐.

• sha256 해시 : 어떠한 입력값을 넣으면 암호화 하여 256비트로 구성되어 64자리 문자열을 반환하는 함수(단방향 암호 알고리즘)

※ https://anders.com/blockchain/hash.html

• sha256 해시의 특징:

- 결정론(Determinism) : 동일한 입력 메세지는 항상 같은 해시 출력을 만듬.

- 검증성(Verifiability) : 메세지의 해시 계산이 효율적. (선형 복잡도)

- 무관계(Uncorrelated) : 원본 메세지와 출력 해시를 연관 지을 수 없도록 입력 메세지의 매우 작은 부분이 변경되어도 해시 출력의 많은 부분이 변경되어야함.

- 비가역성(Irreversibility) : 해시 출력을 통해서 입력 메세지를 계산하는 것은 불가능. brute-force로 가능한 모든 메세지를 찾는 것과 같음.

- 충돌 방지(Collision Protection) : 두 개의 다른 입력 메세지가 동일한 해시 출력을 만들 수 없어야 함. 해시 충돌에 대한 저항은 이더리움에서 디지털 서명 위조를 피하기 위해 중요함.