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22_Bitcoin_Block.md

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Bitcoin 블록구조

[TOC]

Overview

비트코인의 블록은 Header와 **Transaction(거래)**으로 구성되어 있다.

Header

실제 예시를 참고한다.

1. Version

비트코인의 어떤 버전을 쓰고 있는지를 표기한다. 이는 소프트웨어 프로토콜 업그레이드 추적을 위한 버전 번호이기도 하다.

2. Previous Block Header Hash

블록체인을 체인으로 만드는 중요한 개념으로, 해시는 실제로 블록 전체가 아닌, 헤더를 해시한다. 이전 블록(N-1번째 블록)에 대한 헤더 해시를 직접 계산(정확히는 2번 해시)하여 헤더에 넣는다.

3. Time Stamp

유닉스 타임(1970년 1월 1일) 기준으로 초 단위 해당 블록 채굴 시각을 기록하게 된다.

4. Merkle Tree

구성 방법

트랜잭션 수(Number of Transactions)만큼의 Tx들을 각각 해싱하여 2개씩 짝지어서 또 해싱하고, 이를 반복해 최종적으로 하나라 남을 때까지 해싱한 트리이다. 머크 트리를 구성하는 과정은 다음과 같다.

  1. 최초 데이터(트랜잭션)를 SHA256 형태의 해시값으로 변환한다.
  2. 가장 가까운 노드 2개를 한 쌍으로 묶어 합친 후 해시값으로 변환한다.
  3. 계속해서 해시값으로 변환하여 마지막 하나가 남을 때까지 이 과정을 반복한다.

이점

머클 루트는 모든 거래정보를 포함하나 항상 64자로 길이가 일정하기 때문에, 라이트 노드들이 최소한의 정보로 블록이나 거래 유효성을 검사할 수 있다. 하나의 트랜잭션이 변조되면 머클 루트까지 모든 값이 바뀌게 되는 **쇄도 효과(Avalanche Effect)**가 있기 때문이다.

한계 및 극복 방안

하지만, 머클 루트를 활용해 블록 자체의 유효성은 판단할 수 있지만, 포함되어 있는 개별 트랜잭션을 검증하기는 어렵다. 이 경우 **풀 노드(Full Node)**에게 머클 경로를 받음으로써 쉽게 검증을 할 수 있다. 머클 경로를 따라가다 보면 머클 루트와 결과값이 같은지 알 수 있으며, 다른 경우 잘못된 트랜잭션임을 알 수 있다.

중요성

머클트리가 다음과 같은 이유로 중요하게 여겨진다.

  1. 데이터 유효성 검증을 O(log_2 N)만에 할 수 있다.
  2. 모든 데이터를 가지고 있지 않아도 머클루트와 머클경로로 해결할 수 있기 때문에 용량 절감이 엄청나다.

5. Difficulty Bit

  • 난이도(Difficulty): 해당 블록을 채굴할 때의 난이도로, 숫자는 블록의 높이에 따라 자동 설정된다.
  • 목표값(Bit): 블록 생성 시 해당 난이도에 맞는 목표값으로, 이 수는 계수와 지수로 이루어져 있다.

$$ Difficulty = MaxTarget / CurrentTarget $$

  • Max Target: 첫 난이도로, 비트코인 블록체인이 처음 구동될 때 설정된 난이도 값 1을 의미하며, 4byte(1byte=8bit)로 1d00ffff라고 표기되었다.

  • Current Target: 목표값. $$ 목표값(target) = 계수*2^(8(지수-3)) $$ 예를 들어, bits = 386,632,843 = 0x170b8c8b일 때, 첫 1byte는 지수, 이후 3byte는 계수가 된다. 즉, 해당 bits의 지수는 0x17, 계수는 0x0b8c8b이며, 목표 값은 0x0b8b8c * 2 ^ (0x08(0x17 - 0x03)) = 756875 * 2 ^ (8 * (23-3)) = 1.106174051754828e.54이 된다. 이 10진수 값을 다시 16진법으로 변화하면 목표 해시값이 나오게 된다. (0x0000 0000 0000 0000 000b 8c8b 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000)

    그리고 블록 헤더 해시값은 이 목표값보다 작은 값을 찾아서 넣어주는데, 이 과정을 채굴이라고 한다. 목표값이 낮아지면 난이도가 높아졌음을 의미하는데, 특정 길이의 공간에서 **앞자리 0의 숫자(Leading Zeros)**가 길수록 난이도가 높다고 표현할 수 있다.

자동 난이도 조절

비트코인은 10분에 블록 1개가 생성될 수 있도록 난이도가 자동 조절된다. $$ Next Difficulty = Current Difficulty * 2 weeks / T (Time in which previous 2016 blocks found) $$

  1. Nonce

논스(Nonce)는 모든 랜덤한 과정에 있어서 유일하게 변하는 값(Number+Once)이다. 논스는 0부터 시작해서 무수히 큰 숫자까지 증가시키며 목표값보다 낮은 해시 결과값을 찾도록 쓰인다.

채굴 과정

모든 채굴 과정은 논스를 무작위 대입하여, 계산되는 블록 해시값이 특정 숫자(목표값)보다 작아지도록 하는 논스 값을 찾아내는 과정이다.즉, 블록 해시가 특정 숫자보다 낮게 나올 때의 논스값이 바로 작업 증명을 나타내는 논스값이다.

Transaction

UTXO_Transaction

하나의 트랜잭션은 위와 같은 모양이며, 다양한 데이터 구조들로 구성되어 있다.

1. Transaction Version

네트워크에서 트랜잭션의 유형을 지정하는 버전 번호이다. 트랜잭션은 버전 별로 구조와 규칙이 조금씩 다르다.

2. Lock Time

Lock Time(잠금 시간)은 트랜잭션을 블록체인에 바로 포함시킬 수 있는지, 아니면 지정된 시간이 지나면 포함시킬 수 있는지를 지정한다.

UTXO_IO

3. Inputs

**포인터(Pointer)**와 **해제키(Unlocking Key)**가 들어있다. 포인터(Pointer)는 이전 트랜잭션의 출력을 가리키며, 키(Key)는 포인터로 가리키고 있는 이전 출력을 해제하는 데 사용된다.

  • Prev. Tx ID, TxIndex: 해제하고자 하는 이전의 출력을 가리키는 포인터
  • ScriptSig: 이전의 출력을 해제하는 키

4. Outputs

**잠금(Lock)**과 **값(Value)**으로 구성되어 있다. 기본적으로 잠겨있으며, 값(Value)은 출력 내에 잠겨있는 사토시(비트코인의 단위)의 양을 의미한다.

  • ScriptPubkey: 잠금. ScriptPubkey의 소유자(해당 공개키의 소유자)만이 ScriptSig를 만들 수 있다.
  • Amount: 잠긴 비트코인의 양(단위: 사토시)
예시
트랜잭션 출력은 일종의 5만원 권, 트랜잭션 입력은 지불할 치킨 값 2만원과 비슷하다. 그리고 남은 3만 원은 돈을 지불한 사람에게 돌려주어야 하기 때문에, 새로운 출력을 만든다.

정리하자면, 출력에는 자산이 잠겨있고, 입력으로 출력을 해제하여 출력에 있는 값을 꺼내, 새로운 출력에 자산을 담는다. 따라서, 트랜잭션은 이전 출력을 해제하고, 새로운 출력을 만드는 추상적인 액션이라고 볼 수 있다. 그리고 입력에 의해 생성된 후, 다른 입력에 의해 해제되지 않은 트랜잭션 출력을 UTXO라고 한다.

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