4차 산업혁명시대 블록체인기술 제대로 따라배우기

4차 산업혁명시대 블록체인기술 제대로 따라 배우기

▣ 블록체인 3.0 시대 핵심기술 및 주요 동향

◈ 블록체인 기술 개요

블록체인 기술은 탈중앙화된 데이터 처리 기술입니다. 기존 데이터베이스와는 달리 중앙권력이 없으며, 데이터는 전체 네트워크에 걸쳐 분산되어 저장됩니다. 이러한 분산 데이터베이스는 보안성이 높아 유출이 어렵다는 장점이 있습니다.

블록체인에서는 모든 거래가 블록(block)에 기록됩니다. 블록에는 해당 거래에 대한 정보(금액 등)와 타임스탬프가 포함됩니다. 각 블록은 이전 블록의 해시값(고유 식별 번호)을 가지고 있어 순서를 유지하며 체인(chain)을 이루게 됩니다. 이렇게 체인에 연결된 블록들은 수정이 어렵기 때문에 블록체인은 위변조성이 낮습니다.

또한, 블록체인에서는 스마트 계약(Smart Contract)이라는 기술도 사용됩니다. 스마트 계약은 조건에 따라 자동으로 실행되는 계약으로 블록체인에서 이루어지는 모든 거래의 기본이 됩니다. 스마트 계약은 프로그램 코드로 작성되며, 블록체인에서는 누구나 이를 검증하고 실행할 수 있습니다.

이러한 블록체인의 탈중앙화와 위변조성, 스마트 계약 등의 기능은 금융 분야를 비롯하여 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 블록체인은 송금, 거래, 인증 등에 사용되며, 금융 기업에서의 거래 과정에서 중간자를 배제하는 데 큰 역할을 합니다. 또한, 전자 투표나 물류 관리 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

 

◈ 블록체인의 개념과 의의

블록체인은 탈중앙화된 분산 원장 기술로, 다양한 기록, 인증, 거래 정보를 분산 저장하기 때문에 중앙 집중화된 장소에서 발생할 수 있는 여러 가지 문제를 방지할 수 있습니다. 블록체인 기술에는 여러 노드가 데이터를 검증하고 분산 저장하며, 일련의 과정을 거친 뒤 안전하게 블록이 추가됩니다. 이러한 블록들은 연결되며 체인 형태의 구조를 이룹니다.

블록체인의 의의는 블록체인이 탈중앙화된 시스템을 구성하고, 블록이 일단 추가된 이후에는 데이터가 변경되지 않기 때문에 매우 안전하며, 복제된 블록의 정보를 조작하지 못하도록 보안성 높은 기술입니다. 이러한 블록체인 기술을 통해 전통적인 중간자 기관이 없어짐으로써, 불필요한 중간 과정을 제거하고 거래내역을 보다 투명하게 관리할 수 있습니다. 또한, 블록체인 기술은 분산 위조 방지, 익명성 확보, 보증금 없는 투표 등의 다양한 분야에서 적용될 수 있습니다.

블록체인 기술의 의의는 블록체인 기술이 기존의 중간자 기관을 대체하거나 완전히 없앨 수 있어, 이를 통해 비용을 절감하고 투명한 거래 환경, 보다 높은 안전성 및 보안성을 보장할 수 있다는 것입니다. 블록체인을 통해 다양한 분야에서 혁신적인 일이 이루어질 것으로 예상되며, 이를 위해 점점 더 많은 기업들이 블록체인 기술을 도입하고 있습니다.

 

◈ 블록체인 등장과 산업적 가치

블록체인은 2008년 '비트코인'을 시작으로 등장하게 되었습니다. 초기에는 암호화폐 거래에 활용되며, 이후에는 다양한 분야에서 활용되기 시작했습니다. 이는 블록체인 특징 중 하나인 탈중앙화 분산원장 기술의 장점 때문입니다. 탈중앙화는 중앙관리자 없이 네트워크 참여자 전체가 거래 내역 등을 기록하고 관리한다는 것을 의미합니다. 이를 통해 비용을 절감하고 거래 내역을 보다 투명하게 관리할 수 있습니다.

기존 중앙 집중식 시스템은 보안과 신뢰성 문제를 안고 있었습니다. 하지만 블록체인은 이러한 문제를 해결할 수 있기 때문에 비즈니스분야를 중심으로 많은 기업에서 에너지, 금융, 판매, 보험, 의료 등 다양한 분야에서 적용되어 가고 있습니다. 또한 블록체인은 스마트 컨트랙트 기능을 통해 자동으로 거래와 실행이 이루어지기 때문에 거래 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 블록체인은 산업에 큰 가치와 혁신을 제공할 것으로 예상됩니다.

또한 블록체인은 분산화가 가능하다는 특징이 있어 전 세계적인 기회를 가지고 있습니다. 분산원장 기술을 접목한 프로젝트들은 다수가 오픈소스로 개발됨으로써 전 세계의 누구나 기여할 수 있습니다. 이는 혁신적인 아이디어와 개발력이 있는 개인과 기업에게 경쟁력 있는 기술을 개발하고 활용할 수 있는 기회를 제공합니다. 따라서 블록체인은 미래 산업혁명을 이끌어갈 기술 중 하나로 선정되어 있습니다.

 

◈ 블록체인의 기반기술

 블록체인의 기반기술로는 디지털 암호화 기술, 분산 컴퓨팅 기술, 합의 알고리즘, 스마트 컨트랙트, 해시 함수, 공개키 암호화, 새로운 블록 생성 및 연결 기술, 채굴 알고리즘, 멀티 시그니처, 샤딩(Sharding) 기술 등이 있습니다.

◆ 디지털 암호화 기술

블록체인에서는 중요한 정보를 비밀로 유지하기 위해 디지털 암호화 기술을 활용합니다. 대표적인 예로는 공개키 암호화 방식이 있습니다. 블록체인에서 디지털 암호화 기술은 중요한 정보를 보호하고 안전한 거래를 보장하는데 핵심적인 역할을 합니다. 이는 공개키 암호화 방식을 사용합니다.

공개키 암호화 방식은 공개키와 개인키 두 개의 키를 사용하여 메시지를 암호화하고 복호화하는 방식입니다. 개인키는 사용자 본인만 가지고 있는 키이며, 공개키는 누구나 알 수 있는 공개용 키입니다.

일반적으로 블록체인에서는 사용자가 생성한 트랜잭션 정보를 개인키로 암호화한 후, 공개키로 검증하여 블록체인에 등록합니다. 이를 통해 트랜잭션 정보가 위조나 변경됨을 막을 수 있습니다.

또한, 블록체인에서는 암호화 기술을 사용하여 사용자의 개인 정보와 거래 내역을 안전하게 보호합니다. 블록체인에 저장된 모든 정보는 해시값으로 처리되며, 해시값은 불가역성을 가지기 때문에 데이터가 변조되었는지 여부를 확인할 수 있습니다.

블록체인이 사용하는 암호화 기술은 안정성과 신뢰성이 매우 높으며, 데이터의 안정성과 보안을 위해 블록체인 기술을 이용하는 기업들도 많습니다.

◆ 분산 컴퓨팅 기술

블록체인은 중앙 집중형 시스템과는 달리 분산 컴퓨팅 기술을 기반으로 동작합니다. 이는 여러 대의 컴퓨터에 데이터를 저장하고, 연결된 모든 노드들이 서로 정보를 주고받으면서 독립적으로 검증 및 처리를 수행하도록 합니다. 블록체인 분산 컴퓨팅 기술은 블록체인에서 데이터를 분산하여 저장하고 처리하는 기술을 의미합니다. 이를 통해 블록체인은 중앙 서버가 없는 분산 시스템으로 동작하며, 데이터의 안정성과 보안성이 보장됩니다. 블록체인에서 사용하는 분산 컴퓨팅 기술의 핵심은 네트워크 상의 여러 개의 노드가 동시에 트랜잭션 정보를 검증하고 승인하는 것입니다.

즉, 트랜잭션 정보를 검증한 노드는 해당 정보를 블록에 추가할 수 있으며, 모든 노드가 블록체인 상의 동일한 데이터를 복제합니다. 이를 통해 블록체인은 영구적이고 불변적인 데이터를 안정적으로 관리할 수 있습니다. 또한, 분산 컴퓨팅 기술은 블록체인에서 생성되는 지능형 계약과 같은 다양한 응용 프로그램을 구축하는 데 이용됩니다. 블록체인 분산 컴퓨팅 기술은 데이터의 안정성과 보안성을 보장하는 동시에 중앙 서버가 없는 분산 시스템으로 동작하기 때문에 서버 다운 등의 문제가 발생하더라도 시스템이 계속 동작할 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 이 기술은 빠른 거래 처리와 신뢰성 있는 데이터 유지를 가능하게 하며, 다양한 산업 분야에서의 응용 가능성이 큽니다.

◆ 합의 알고리즘 

블록체인에서는 여러 컴퓨터들이 노드로 연결되어 있으므로, 어떤 정보가 진짜일지를 판단하기 위해 노드들 사이에 합의 알고리즘이 필요합니다. 대표적인 예로는 PoW(Proof of Work)와 PoS(Proof of Stake)가 있습니다. 블록체인에서는 합의 알고리즘이 중요한 역할을 합니다. 합의 알고리즘은 분산 시스템에서 여러 대의 컴퓨터가 서로 상호작용하여 한 가지 결정을 내리기 위한 방법입니다. 블록체인에서는 합의 알고리즘을 통해 블록을 생성하고 인증함으로써 중앙화된 서버가 없는 분산 시스템에서 안정적인 작동을 보장합니다.

1. Proof of Work (POW) POW는 비트코인에서 사용되는 합의 알고리즘으로, 어려운 작업을 수행하는 것으로 노드들이 합의를 이루는 방식입니다. 노드들은 수학적인 문제를 풀어나가며, 문제를 해결한 노드는 블록체인을 생성할 권한을 얻습니다. 블록체인에서는 가장 오래된 체인이 가장 신뢰성이 높다는 규칙이 있어 이 알고리즘을 사용합니다.

2. Proof of Stake (POS) POS는 블록체인에서 더 나은 가상화폐 채굴 알고리즘으로 알려져 있습니다. 이 알고리즘에서는 채굴의 효율성과 저비용성을 개선하기 위해 사용자들이 투자한 가상화폐의 양에 비례하도록 채굴 권한을 부여합니다. 이 방식은 POW에 비해 전기료와 하드웨어 비용을 낮추어 더욱 친환경적이며, 보다 안정적인 작동을 보장합니다.

3. Delegated Proof of Stake (DPOS) DPOS는 일정한 수의 대리인 노드들을 선출하여 이들 노드들이 직접 블록 생성과 검증을 수행하도록 하는 방식입니다. 이 방식은 POS의 기능을 발전시킨 것으로 매우 빠른 트랜잭션 처리와 낮은 에너지 소비를 거듭 강조합니다.

4. Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) PBFT는 분산 시스템에서 참여자 노드들이 공동으로 합의를 이루기 위해 사용되는 알고리즘입니다. 이 방식에서는 노드들이 합의를 이루기 위한 3가지 단계를 거치며, 합의에 참여하지 않는 노드들의 영향을 제거하여 합의와 안정성을 보장합니다. 이러한 합의 알고리즘 중에서도 POW, POS, DPOS가 가장 많이 사용되고 있으며, 다양한 블록체인 프로토콜들이 각기 다른 방식의 합의 알고리즘을 사용합니다.

 

◆ 스마트 컨트랙트

스마트 컨트랙트는 자동화된 계약으로서, 소프트웨어 코드로 작성된 계약을 블록체인 네트워크 상에서 실행할 수 있게 하는 기술입니다. 스마트 컨트랙트는 프로그래밍 언어로 작성된 코드이며, 체인에 저장된 데이터를 읽고 쓰는 것이 가능합니다. 블록체인 스마트 컨트랙트는 소프트웨어 코드로 작성된 자동화된 계약으로, 블록체인에서 실행됩니다. 스마트 컨트랙트는 완전히 탈중앙화된 분산 시스템에서 실행되며, 코드를 실행하는 노드들은 블록체인 네트워크의 다양한 참여자들입니다. 스마트 컨트랙트는 전통적인 계약보다 빠르고 안전합니다. 왜냐하면 블록체인의 분산 시스템에서 작동하기 때문에, 어떠한 거래도 중앙 기관의 개입이 없이 수행됩니다. 이를 통해 법적 분쟁발생을 합의 단계에서 사전에 예방할 수 있는 효과가 있습니다.

또한, 블록체인 스마트 컨트랙트는 예측 가능성이 높습니다. 컨트랙트를 구성하는 코드는 분명하게 명시됩니다. 만약 조건에 따라 실행이 불가능하다면, 코드는 실행되지 않으므로 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 스마트 컨트랙트가 가장 많이 사용되는 분야는 디지털 자산, 블록체인 게임, 은행 등과 같은 금융 분야입니다. 또한, IoT와 관련된 블록체인 프로젝트에서도 스마트 컨트랙트가 자주 사용됩니다. 스마트 컨트랙트는 미래의 디지털 시대를 위한 혁신적인 기술로 자리 잡아가고 있습니다. 블록체인 생태계에 적용되는 다양한 프로젝트와 애플리케이션에서 주목받는 중요한 역할을 한다고 할 수 있습니다.

◆ 해시 함수

해시 함수는 메시지나 데이터를 고정된 길이의 값으로 매핑하는 알고리즘입니다. 블록체인에서는 해시 함수를 이용하여 이전 블록의 해시 값과 현재 블록 데이터를 합쳐 다음 블록의 해시 값으로 사용합니다. 블록체인에서 사용되는 해시 함수는 블록체인의 보안과 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 해시 함수는 임의의 길이의 데이터 블록을 입력으로 받아 고정된 길이의 해시 값을 출력하는 함수입니다. 블록체인에서는 SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256)과 같은 암호학적으로 안전한 해시 함수가 가장 널리 사용됩니다. SHA-256은 256비트(32바이트) 해시 값을 생성하며, 이 값은 블록의 고유한 식별자로 사용됩니다. SHA-256은 단방향 함수로, 입력값으로 해시 값을 생성하는 것은 가능하지만, 해시 값으로부터 원래 입력값을 복구하는 것은 불가능합니다. 이를 통해 블록의 무결성을 유지하고 블록체인에 향후 변경이나 수정이 불가능하도록 보장됩니다. 또한, 블록체인의 해시 함수는 이중 해시(dual-hash)와 같은 알고리즘을 사용하여 블록의 무결성을 유지합니다. 이중 해시는 블록 헤더와 같은 긴 문자열을 두 번의 연속된 해싱을 통해 고정 길이의 해시로 변환하는 기술입니다. 이를 통해 블록의 안전성을 더욱 강화할 수 있습니다. 따라서 블록체인에서 사용되는 안전한 해시 함수는 블록체인의 안전성과 무결성을 보장하는데 매우 중요한 역할을 합니다.

 

◆ 공개키 암호화

공개키 암호화는 개인키와 공개키를 이용하여 정보를 암호화하고, 복호화하는 방식으로 중요한 데이터나 메시지를 안전하게 전달하는 기술입니다. 블록체인에서는 공개키 암호화 방식을 사용하여 블록체인에 쓰인 트랜잭션을 검증합니다. 블록체인에서 사용되는 공개키 암호화는 블록체인의 보안과 안정성을 확보하는데 중요한 역할을 합니다.

공개키 암호화는 대표적으로 RSA 알고리즘이 사용됩니다. RSA 알고리즘은 공개키와 개인키를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화하는 알고리즘입니다. 공개키는 모든 사용자가 알고 있는 공개 정보이며, 개인키는 해당 사용자만이 알고 있는 비밀 정보입니다.  블록체인에서 공개키 암호화는 다음과 같이 사용됩니다.

1. 개인키 생성: 각 사용자는 공개키와 대응하는 개인키를 생성합니다.

2. 암호화: 데이터를 보내고자 하는 사용자는 상대방의 공개키를 사용하여 데이터를 암호화합니다.

3. 복호화: 데이터를 수신한 상대방은 자신의 개인키를 사용하여 데이터를 복호화합니다.

4. 디지털 서명: 데이터의 무결성을 보장하기 위해 발송자는 자신의 개인키를 사용하여 디지털 서명을 생성합니다. 수신자는 발송자의 공개키를 사용하여 디지털 서명의 유효성을 검증할 수 있습니다.

블록체인에서는 이러한 공개키 암호화를 사용하여 사용자의 개인정보와 거래 내역 등을 안전하게 보호하고, 블록체인의 무결성과 안정성을 확보합니다.

◆ 새로운 블록 생성 및 연결 기술

블록체인은 새로운 블록을 기존 블록과 연결하여 체인으로 연결하는 방식으로 데이터를 저장합니다. 이때 새로운 블록을 생성할 때는 이전 블록의 해시 값과 현재 블록 데이터를 합쳐 다음 블록의 해시 값으로 사용합니다.  블록체인에서 새로운 블록 생성 및 연결 기술은 다음과 같습니다.

1. 작업 증명(Proof of Work, PoW): 블록체인에서 가장 많이 사용되는 블록 생성 및 연결 기술 중 하나입니다. 증명 작업 과정에서 높은 해시 값을 계산하는 채굴자가 블록을 생성하고 연결합니다.

2. 지분 증명(Proof of Stake, PoS): 채굴자가 아닌 지분을 가지고 있는 사용자가 블록 생성 및 연결에 참여하는 기술입니다. 지분보유자는 블록 생성자가 되어 블록체인을 확장하고 변경을 방지합니다.

3. 위임 증명(Delegated Proof of Stake, DPoS): 지분 증명 기술과 유사하지만, 대표자를 선출하여 대표자가 블록 생성을 담당하는 기술입니다. 대표자의 역할은 블록 생성 및 유효성 검사입니다.

4. 블록체인 상태 머신(Genesis State Machine): 블록체인의 첫 번째 블록(Genesis Block)을 생성하는 프로토콜입니다. 이를 통해 블록체인이 시작됩니다.

5. 라운드 로빈 증명(Round Robin Proof, RRP): DPoS와 유사하지만, 대표자의 회전 순서를 랜덤 한 순서가 아닌 라운드 로빈 순서를 따르는 기술입니다.

이러한 블록 생성 및 연결 기술은 블록체인의 안정성, 신뢰성 및 확장성을 향상하며, 다양한 분야에서 응용됩니다.

◆ 채굴 알고리즘

블록체인에서는 채굴이라는 작업을 통해 새로운 블록을 만들고 체인에 연결합니다. 이때 채굴 알고리즘이 사용됩니다. 대표적인 예로는 PoW(Proof of Work)와 PoS(Proof of Stake)가 있습니다. 블록체인에서 사용되는 채굴 알고리즘은 다양하지만, 가장 대표적인 것은 작업 증명(Proof of Work, PoW)입니다. 작업 증명은 수학 문제를 푸는 과정에서 새로운 블록을 생성하고 연결하는 기술입니다. 이 알고리즘은 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

1. 노드(Node)가 트랜잭션(Transaction) 정보를 수집하고 블록(Block)을 생성합니다.

2. 블록을 생성하는 노드는 블록 헤더(Header) 내용을 포함하여 SHA-256 암호화 알고리즘을 이용해 해시를 생성합니다.

3. 생성된 해시 값이 정해진 난이도(Difficulty) 이하일 때까지 블록 헤더 내용을 변경하여 해시 생성을 반복합니다.

4. 난이도 이하의 해시 값이 생성되면 블록이 완성됩니다.

5. 완성된 블록은 다른 노드들에게 확인을 요청하고, 검증된 후에 블록체인에 추가됩니다.

또한, 다른 채굴 알고리즘으로는 지분 증명(Proof of Stake, PoS), 위임 증명(Delegated Proof of Stake, DPoS), 라운드 로빈 증명(Round Robin Proof, RRP) 등이 있습니다. 이들 알고리즘은 각각의 특징과 용도가 있으며, 블록체인의 다양한 분야에서 적용됩니다.

◆ 멀티 시그니처

멀티 시그니처는 여러 개의 서명이 필요한 시스템으로, 블록체인에서는 이를 활용하여 보안 강화나 트랜잭션 검증 등에 사용합니다. 블록체인 멀티 시그니처(Multi-Signature)는 둘 이상의 개인이 서명해야 하는 거래를 의미합니다. 단일 서명에서는 한 사람만 서명하여 거래가 진행되지만, 멀티 시그니처에서는 여러 개인이 모두 서명해야 거래가 이루어집니다.

이러한 기술은 블록체인에서의 거래 보안을 높이고, 위험 요소를 줄이기 위해 사용됩니다. 보통 금융 거래나 중요한 정보를 처리해야 하는 경우, 멀티 시그니처 기능을 사용하여 보안성을 더욱 강화하여 거래를 진행합니다. 예를 들어, 2-of-3 멀티 시그니처를 적용할 경우, 3명 중 2명이 서명하면 거래가 처리됩니다. 이를 통해 한 명의 개인이 독자적으로 거래를 완료할 경우 발생할 수 있는 위험 요소를 줄일 수 있습니다.

◆ 샤딩(Sharding) 기술

샤딩은 블록체인에서의 분산 처리를 위한 기술입니다. 대규모 트랜잭션 처리를 가능하게 하고 네트워크의 확장성을 높일 수 있습니다. 블록체인 샤딩(Sharding) 기술은 블록체인의 성능과 확장성을 향상하는 기술입니다. 샤딩은 블록체인을 작은 조각들, 즉 샤드(Shard)로 나누어 여러 대의 컴퓨터에 분산 저장하도록 하는 기술입니다.

많은 블록체인에서는 모든 노드가 모든 트랜잭션을 처리하는 방식을 사용합니다. 이것은 블록체인이 커질수록 성능 문제와 확장성 문제가 발생할 수 있습니다. 샤딩으로 이 문제를 해결할 수 있습니다.

샤드는 블록체인을 분할할 단위이며, 각각의 샤드는 개별적인 거래를 처리합니다. 이러한 구조는 네트워크 내에서 샤드 간에 데이터를 분리시키고, 거래를 분산처리해 성능과 처리 속도를 향상합니다.

또한, 샤딩을 통해 블록체인의 상호운영성(interoperability)도 향상할 수 있습니다. 이는 블록체인의 분리와 개별적으로 운영 가능성을 보장하면서도 서로 다른 블록체인에서 데이터를 공유 및 교환할 수 있는 능력을 가진 기술입니다.

이러한 방식으로, 샤딩이 블록체인의 성능, 확장성, 상호운영성을 개선하면서, 거래 과정의 신뢰성과 안정성을 유지할 수 있는 기술로 주목받고 있습니다.