[Blockchain] js로 이해하는 블록체인의 작업 증명 (POW; Proof Of Work)

이전 포스트에서 계속되는 내용이다.

https://satisfactoryplace.tistory.com/285

[Blockchain] js로 이해하는 블록체인의 기본 구조

 

또한 이 포스트는 아래 영상을 참고하여 만들어졌다.

https://www.youtube.com/watch?v=HneatE69814&ab_channel=SimplyExplained 

 

POW (Proof of Work)

POW는 비트코인에서 블록의 생성 속도를 제어하기 위해 만들어졌다.

 

블록의 생성 속도가 빠르다면, 공격자가 블록을 무더기로 생성하여 

실제 블록체인에 가짜 블록이 입력될 수 있기 때문에 

새로운 블록을 만들기 위해 걸리는 시간을 고의적으로 늘리는 방법을 사용한다.

 

시간이 오래 걸린다는 뜻은 많은 연산을 요구하여 많은 컴퓨팅 자원을 요구한다는 의미이다.

 

POW: Nonce

const SHA256 = require("crypto-js/sha256");

//Block
const Block = function (index, timestamp, data, prevHash = "") {
  this.index = index;
  this.timestamp = timestamp;
  this.data = data;
  this.prevHash = prevHash;
  this.hash = "";
};
Block.prototype.calcHash = function () {
  //index, prevHash, timestamp, data를 입력으로 해시값을 계산한다
  return SHA256(
    this.index + this.prevHash + this.timestamp + JSON.stringify(this.data)
  ).toString();
};

위 코드는 이전 포스트에서 작성한 코드이다.

 

여기에서 새로운 블록을 만드는 속도를 늦추려면 어떻게 해야 할까?

 

비트코인에서는 해시할 때 Nonce라는 정수값을 추가하여 해시하게 하고,

해시값의 시작이 Difiiculty(난이도)개의 0으로 시작하는 해시값을 구해야 한다.

 

이것을 채굴(Mining)이라고 부르며, 구현은 다음과 같다.

const SHA256 = require("crypto-js/sha256");

//Block
const Block = function (index, timestamp, data, prevHash = "") {
  this.index = index;
  this.timestamp = timestamp;
  this.data = data;
  this.prevHash = prevHash;
  this.hash = this.calcHash();
  this.nonce = 0;
};

//이제 해시값을 계산할 때 nonce도 추가로 포함한다
Block.prototype.calcHash = function () {
  //index, prevHash, timestamp, data, nonce를 입력으로 해시값을 계산한다
  return SHA256(
    this.index +
      this.prevHash +
      this.timestamp +
      JSON.stringify(this.data) +
      this.nonce
  ).toString();
};

//블록 생성 (채굴)
Block.prototype.mining = function (difficulty) {
  const start = new Date();
  //difficulty개의 0으로 시작하는 hash가 발생될 때 까지 해시를 반복한다
  while (
    this.hash.substring(0, difficulty) !== Array(difficulty).fill("0").join("")
  ) {
    this.nonce++;
    this.hash = this.calcHash();
  }
  const end = new Date();

  //조건을 만족했을 때 nonce 값 출력
  //이 때 nonce는 해시를 한 횟수와 동일하다
  console.log("block is mined", this.nonce);
  //걸린 시간 출력
  console.log("ellipsed time is ", end.getTime() - start.getTime(), "ms");
};

이전까지는 블록의 hash를 계산할 때 "이전 블록의 해시+ 현재 블록의 내용"에 대해 한 번만 해시하면 됐지만,

이제는 추가로 nonce값을 포함해 해싱하며, difficulty개의 0으로 시작하는 해시값이 나올 때 까지 nonce를 증가시키며 반복한다.

 

이제 블록체인에 블록을 추가할 때, 이 mining과정을 거치도록 변경해 보자.

 

//Blockchain
const Blockchain = function () {
  this.chain = [this.createGenesisBlock()];
  this.difficulty = 2;
};

//...

Blockchain.prototype.addBlock = function (newBlock) {
  //새로운 블록이 생성되면 가장 최근 블록의 해시값을 새로운 블록의 prevHash에 복사한다
  newBlock.prevHash = this.getLatestBlock().hash;
  newBlock.mining(this.difficulty);

  //해시 계산이 완료되면 블록체인에 연결시킨다
  this.chain.push(newBlock);
};

 

자, 이제 POW가 적용된 블록체인을 한 번 테스트 해 보자.

 

테스트

const SHA256 = require("crypto-js/sha256");

//Block
const Block = function (index, timestamp, data, prevHash = "") {
  this.index = index;
  this.timestamp = timestamp;
  this.data = data;
  this.prevHash = prevHash;
  this.hash = this.calcHash();
  this.nonce = 0;
};
Block.prototype.calcHash = function () {
  //index, prevHash, timestamp, data를 입력으로 해시값을 계산한다
  return SHA256(
    this.index +
      this.prevHash +
      this.timestamp +
      JSON.stringify(this.data) +
      this.nonce
  ).toString();
};
//블록 생성
Block.prototype.mining = function (difficulty) {
  const start = new Date();
  //difficulty개의 0으로 시작하는 hash가 발생될 때 까지 해시를 반복한다
  while (
    this.hash.substring(0, difficulty) !== Array(difficulty).fill("0").join("")
  ) {
    this.nonce++;
    this.hash = this.calcHash();
  }
  const end = new Date();

  //조건을 만족했을 때 nonce 값 출력
  //이 때 nonce는 해시를 한 횟수와 동일하다
  console.log("block is mined", this.nonce);
  //걸린 시간 출력
  console.log("ellipsed time is ", end.getTime() - start.getTime(), "ms");
};

//Blockchain
const Blockchain = function () {
  this.chain = [this.createGenesisBlock()];
  this.difficulty = 5;
};

Blockchain.prototype.addBlock = function (newBlock) {
  //새로운 블록이 생성되면 가장 최근 블록의 해시값을 새로운 블록의 prevHash에 복사한다
  newBlock.prevHash = this.getLatestBlock().hash;
  newBlock.mining(this.difficulty);

  //해시 계산이 완료되면 블록체인에 연결시킨다
  this.chain.push(newBlock);
};
Blockchain.prototype.createGenesisBlock = function () {
  //번호 0번, 이전 해시 "0", data를 "GenesisBlock"으로 임의로 지정
  return new Block(0, "2021/09/13", "GenesisBlock", "0");
};
Blockchain.prototype.getLatestBlock = function () {
  return this.chain[this.chain.length - 1];
};
Blockchain.prototype.isValid = function () {
  //제네시스 블록은 이전 블록이 없어 검사를 건너뛰기 위해 1부터 시작한다.
  for (let i = 1; i < this.chain.length; i++) {
    const currentBlock = this.chain[i];
    const prevHash = this.chain[i - 1].hash;

    if (currentBlock.prevHash !== prevHash) {
      //현재 블록의 이전 해시값이 일치하지 않음
      return false;
    } else if (currentBlock.calcHash() !== currentBlock.hash) {
      //현재 블록에 저장된 해시값과 다시 계산한 해시값이 일치하지 않음
      return false;
    }
  }
  return true;
};

//test
const testCoin = new Blockchain();
testCoin.addBlock(new Block(1, "2020/09/14", { foo: "bar" }));
testCoin.addBlock(new Block(2, "2020/09/15", { foo2: "bar2" }));

console.log(testCoin.chain);

난이도를 2로, 즉 해시값이 두개의 0으로 시작하는 값이 나올 때 까지 해싱을 반복한다.

 

이 경우 첫 번째 채굴에서는 757회의 해시가 발생했고, 41ms가 걸렸다.

 

엥? 겨우 이정도로 작업 속도를 조절할 수 있다고?

라고 생각할 수 있지만, difficulty를 증가시킬수록 작업 속도는 기하급수적으로 늘어난다.

 

이번엔 difficulty를 5로 올려보겠다.

 

난이도가 3 증가했을 뿐인데, 걸리는 시간은 300배가량 증가했다.

 

이 원리를 이용해 난이도를 적절히 증가시키면 하나의 새로운 블록을 만드는 데 엄청난 시간이 소요되게 할 수 있으며,

따라서 공격자가 네트워크에 허위 블록을 여러 개 제출하는 행위를 막을 수 있다.

 

또한 n번째 블록을 변경시키려면, n번째 블록부터 마지막 블록까지의 해시를 전부 계산해야 하므로

불가능할 정도의 엄청난 시간과 비용이 들게 된다.

 

https://www.coindeskkorea.com/news/articleView.html?idxno=74719 

비트코인 채굴 난이도 6% 증가... 5월 이후 처음 올라 - 코인데스크 코리아

https://btc.com/stats/diff

 

비트코인에서는 이 난이도 값이 14조 가량이 되었다고 한다.

 

즉, 하나의 블록을 생성하는 데 매우 많은 시간과 컴퓨팅 파워가 요구된다는 것을 알 수 있다.

 

이 난이도 값은 채굴자가 많은 경우,

다시 말해 새로운 블록을 만들어내는 사람이 많은 경우 증가하여 가짜 블록이 선택되는 일을 방지한다.

 

다음 포스트에서는 채굴 보상과, 트랜잭션(거래)에 대해 알아볼 것이다.