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안녕하세요, 땡글 신입생 블랙리퍼입니다.

얼마 전 한 땡글 회원님의 게시글에 답변을 댓글로 달던 가운데, 암호화폐에 대한 토막상식 가운데 조금 덜 이야기되고 있는 부분에 대해서 짚고 넘어가다 보면 암호화폐에 대한 지식을 공유하고 이해를 함께 높여 가는 데에도 기여할 수 있지 않을까 싶어 이렇게 글을 쓰게 되었습니다.

이 글에서는, 비트코인을 비롯한 여러 암호화폐, 특히 작업증명(Proof-of-Work) 방식으로 최신 블록을 생성하는 구조인 암호화폐들에 대한 보안침해 공격인 '51% Attack'에 대해 간단히 알아보고, 또 최신 연구동향 한 토막을 소개해 보도록 하겠습니다.

 

 

1. 도입

'51% Attack'이라고 흔히 말하는 공격기법은, 정말로 정확히 51%의 블록체인 네트워크 내 해시 파워를 점유해야 하는 것은 아니고, 절반 이상의 해시 파워를 나타내는 숫자로서 상징적인 '51'을 이름으로 붙인 것뿐입니다. 51% Attack을 우려한다는 것은, 다시 말해, 특정 마이닝 풀 혹은 그룹에서, 암호화폐 네트워크 해시 파워의 총량의 절반을 초과하는 해시 파워를 가지게 되는 상황이 우려된다고 보시면 맞을 것 같습니다.

 

hash.png

 

 

위 그림을 참조해 주세요. 어떤 암호화폐의 블록체인 네트워크에 동원된 해시 파워의 배분이 (b)와 같은 상황이라면, 그 블록체인은 신뢰성을 상실했다고 볼 수 있다는 것입니다. 51% Attack을 한다는 것은, 즉 (b)와 같은 상황을 유도하여 공격자가 자신의 마이닝 풀이 그림의 (b) 상황의 GHash.io 풀과 같은 점유율을 가지게 만든다는 것이고요.

이 상황이 왜 문제가 되는가를 이해하기 위해서는 먼저 작업증명 방식의 개요를 이해하실 필요가 있습니다.

 

 

2. 배경

작업증명(POW)이라는 용어는 땡글을 비롯해 여러 커뮤니티에서 많이 회자되고는 하는 용어입니다. 그러나 조금 막연하게 이해되고 넘어가는 경우도 있는 것 같습니다. 물론 이 글에서도 수학적인 정리를 동원하지는 않습니다만, 적어도 너무 피상적인 개념에서는 벗어날 필요가 있지 않을까 합니다. 예를 들자면, 'POW는 채굴을 해서 코인을 만드는 규약이고 POS는 채굴을 안 하고 코인을 만드는 규약이다'라거나 'POW는 채굴기 가진 큰손이 짱 먹는 방식이고 POS는 코인 많이 사 둔 큰 손이 짱 먹는 방식이다'라거나……. 틀렸다는 말은 아닙니다만, 막연하게 이해를 한다면 나중에는 불필요한 언쟁을 하게 된다거나, 굳이 POW를 변호하며 다른 암호화폐 네트워크의 증명방식을 폄하한다거나, POW의 봄을 찬양한다거나(?!) 하는 사태도 벌어질 수 있을 것입니다.

 

blockcreating.png

위 그림을 참조해 주세요. 이 글에서 쓸 그림은 대부분 제가 PPT로 조악하게 그리고 또 웹 상의 이미지를 따다 조합해서 넣는 것이다 보니 그리 예쁘지는 않습니다만, 이해에는 조금 도움이 될 것이라고 생각합니다.

위 그림은 비트코인의 예로 보는, POW 기반 블록체인 네트워크에서 새 블록을 생성하는 과정입니다. 하나하나 이야기해 볼까요? 먼저, 블록체인 네트워크가 기존의 서버-클라이언트 관계와 같은 네트워크와는 다르며 무엇보다도 실시간 통신 네트워크는 아니라는 점을 이해해 주실 필요가 있습니다.

블록체인은 말 그대로 '블록(Block)'들이 연쇄적으로 엮여서 생성하는 '체인(chain)'입니다. 아시다시피 각각의 블록은 이 블록체인 네트워크 내에서 발생한 이벤트들을 기록한 장부이고요. 각 블록은 헤더와 바디로 이루어지는데, 위 그림의 파란 블록을 참조해 주시면 조금 이해가 쉬우실 것입니다. 블록의 '헤더(header)'란 그 블록체인 네트워크의 운용을 위해 블록들이 가져야 하는 메타 정보입니다. 한 블록의 헤더는, 현재 Bitcoin Core의 버전, 이전 블록 해싱의 해시 값, 현재 블록 내 거래내역의 모든 해싱 해시값, 현재 블록의 타임스탬프, 채굴난이도(해시목표값. 평균 10분으로 블록 생성 주기를 맞추기 위해 nonce 찾는 작업의 난이도를 변경시키도록 지정하는 값Difficulty) 등으로 구성되지요. '바디(Body)'란, 해당 블록 내에서 생긴 모든 이체내역(즉 Tx 메시지들)으로 구성됩니다. 즉 '장부'는 사실 각 블록의 '바디'들의 집합인 겁니다. 이러한 블록은, 비트코인 네트워크에서는 평균 10분당 1개씩 생성될 수 있도록 설계되어 있습니다.

코인을 채굴한다, 고 하는 것은 블록체인 네트워크의 개념에서는 다음과 같은 작업입니다. 즉, 위 그림의 989번 블록까지가 현재 공중(public)이 공유하고 있는 최신 블록체인입니다. Public한 Chain이라는 것은, 곧 가장 긴 체인이라는 것이기도 하죠. 그리고 990번 블록을 생성해야 합니다. 이 작업에 여러 마이닝 풀들이 뛰어들겠지요? 각각은 새로운 블록의 후보가 되는 다음 연결점, 즉 '노드(node)'를 생성합니다. 위 그림의 990-1, 990-2, …. 이 바로 그것들입니다. 이 후보 노드들 가운데, 실제 소유자 마이닝 풀이 문제의 nonce 값을 가장 먼저 찾아낸 노드가 990번 블록으로 확정되고, 나머지 노드들은 무효화됩니다.

왜 이렇게 노드들이 열심히 계산을 해서 마치 서바이벌전을 벌이듯 다음 블록을 만들어나가야 하는 것일까요? POW은 바로 이러한 막대한 계산작업을 통해 위변조를 방지하고자 기획된 것이라는 점을 여기서 생각해 주셔야 합니다.

위와 같은 방식으로 블록들이 지금까지 몇 개나 생성되었을까요? 이 글을 쓰기 전에 조회한 바에 따르면 현재까지 채굴된 비트코인 블록은 약 47만 개입니다. 다시 말해, Public Chain의 길이가 약 47만 블록에 달한다는 것입니다. 블록 하나는 평균 10분당 1개씩 새롭게 생성되도록 되어 있지요? 그러니 이 Public Chain을 만들기 위해서는 대략 470만 분의 해시 계산 작업이 필요했을 것입니다.

 

 

3. Selfish Mining Attack?

470만 분의 작업증명이 이루어진 Public Chain을, 그러면 어떻게 해커가 조작할 수 있을까요?

블록을 변조한다는 것은, 지금까지 쌓여온 장부, 즉 Public Chain의 일부 또는 전부를 갈아치워서 해커가 만든 블록이 최신의 블록이 되고, 그로부터 다시 Public Chain이 이어져 나갈 때 가능합니다.

 

selfish.png

 

 

위 그림을 참조해 주세요. 모의로 생성한 위 그림의 블록체인에서, 시작점부터 1, 2, 3번 블록까지의 Public Chain은 멀쩡하게 이어져 오고 있지요. 그러나 4번 블록이 되어야 하는 노드 단계에서 이제, 해커가 다른 노드들을 초월하여 4-2번 블록을 만들고 이것이 최신 블록이 되어 5번 블록으로 이어져가게 되었다고 해 봅시다. 정당하게 만들어진 4-1번 블록, 그리고 그로부터 이어져야 하는 깨끗한 5-deprecated, 6-deprecated, ..., 블록들은 모두 해커가 만들기 시작한 블록의 체인에 뒤처졌습니다. 즉, 아까 살펴본 '패배한 노드'와 같은 신세가 되어 버린 것입니다.

위와 같은 임의 블록 변조 및 체인 생성을 Selfish Mining Attack이라고 합니다. 이것이 가능하다면 당연히 문제가 되겠죠. 블록체인 네트워크에 대해 상식적으로 받아들여지고 있는, '블록체인 네트워크는 신뢰할 수 있는 것'이라는 믿음이 깨집니다. 위 그림의 4-1번 블록에서부터 이어지는, 패배한 Chain에서 일어났을 트랜잭션들(그리고 그곳에서 소모된 코인들)이 모조리 전체 블록체인에서 밀려나버리고 해커가 만들어 최신화한 체인을 다시 따라가야 하게 된다는 것은, 두 번씩 트랜잭션 수수료를 지불하게 만듭니다. 채굴자들은 채굴수익을 잃게 되겠고요.

 

 

4. POW가 무결한 이유

그런데 왜 앞에서 살펴 본 블록체인 변조가 일어나기 어려운 것일까요?

블록의 생성에 470만 분이 소요되었다는 사실을 다시 생각해 봅시다. 이 말은, 해커는 47만여 개의 지금까지 쌓여온 블록들보다 더 길게 연장되어 온 블록체인을, 적어도 47만여 개+1개의 블록을, 470만여 분보다 더 빠른 시간 내에 만들 수 있어야 한다는 뜻입니다. 그래야 최신의 노드들을 추월할 수 있겠지요. 그런데, 이것이 가능할까요?

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위 그림은 현존하는 슈퍼컴퓨터들 가운데 가장 강력한 연산능력을 갖춘 것으로 알려진, 중국의 슈퍼컴퓨터 티앤허-II입니다. 이것이 지닌 계산능력은 약 33.8페타플롭스입니다. 그러면 비트코인 네트워크에'만' 투입되어 있는 해시 파워, 즉 계산능력은 얼마일까요? 현재는 약 1960만 페타플롭스에 달하는군요. 즉 해커는 이 계산능력을 초월한 계산능력을 단독으로 갖추어야 합니다. 그럴 수 있을까요?글쎄, 범국가적인 힘이 동원된다면 가능할 수 있겠습니다만 그런 극단적인 경우를 제외한다면 아마도 어려울 것입니다. 이 때문에, 작업증명(POW)은 아직까지도 암호화폐 Public Chain의 무결성을 보장하기에 적합한 방식으로 받아들여지고 있습니다.

 

 

5. 51% Attack은 왜?

그렇다면 51% Attack이란 말은 왜 나온 것일까요?

위에서 설명한 POW의 강점을 깨뜨려버리는 조건이 있습니다. 생각해 볼까요?

우선 POW로 블록체인 네트워크의 무결성을 보장하고 있으며 여러 채굴자들이 뛰어들어 작업을 하고 있는 코인 'A'가 있다고 해 보겠습니다. 이 코인 'A'를 캐기 위해서 '갑'이라는 풀, '을'이라는 풀, '병'이라는 풀, 이하 정무기경신임계…식으로 뛰어든 여러 마이닝 풀들이 있습니다. 이 마이너들이 발휘하고 있는 해시파워의 총합이 곧 'A'의 블록체인 네트워크에 투입된 계산력의 총합이 되지요. 그런데 이 가운데 하나의 풀, 편의상 '갑'이, 전체 해시 파워의 절반 이상을 차지했다고 생각해 봅시다. 상징적인 의미에서 51%의 해시 파워를 '갑'이 가졌다는 것입니다.

이 경우, 을병정무기…가 모두 연합하여 갑에게 대들더라도 49%의 해시 파워를 가집니다. 즉, 갑의 해시 파워를 이길 수 없습니다. 이때 갑이 'A'의 블록체인 네트워크에 대한 공격자로 돌변한다고 해 보겠습니다. 이 경우, 갑은 (51%를 지녔느냐, 70%를 지녔느냐, 99%를 지녔느냐 등 세부적인 조건의 차이에 따라 조금씩 달라지기는 하겠습니다만) 자신을 제외한 나머지 풀들이 블록을 생성하는 계산력을 초월한 계산력을 가지고 있고, 따라서 늦든 빠르든 자신이 변조하여 만든 사설(Private) Chain이 그 전까지의 최신 블록과 다음 노드들을 추월해 버릴 때까지, 나머지 후보군 체인에 달라붙은 풀들보다 더 빠르게 채굴을 할 수 있습니다. 다시 말해, 갑은 사설 체인을 만들어서 그것을 Public Chain으로 등극시킬 힘이 있습니다. 1장의 그림 (b)에서 Ghash.io가 바로 갑의 힘을 지닌 것이죠. 이러한 '갑'의 발생은 전체 암호화폐 블록체인 네트워크의 신뢰성을 크게 저하시키며 궁극적으로는 해당 암호화폐의 입지를 무너뜨릴 것입니다. 따라서 갑의 등장은, 코인에 이권이 걸린 사람일수록 더 적극적으로 막아야 하는 사태입니다.

 

 

6. 실제로 일어나는가?

실제로 2014년에, Ghash.io라는 풀에서 약 12시간 가량 50%를 초과하는 해시파워를 가졌던 적이 있습니다. 그림 1의 (b)는 실제로 비트코인 네트워크에서 발생했던 상황이지요. 하지만 이 Ghash.io 풀은 스스로 풀 신규가입을 막아 버리는 등의 방법으로 해시파워를 쪼개 흩어버리며 비트코인 네트워크의 이권을 지켜냈습니다. 비트코인이 하나의 거래수단이 된 이상, Ghash.io로서는 그것이 무의미한 디지털 정보가 되지 않도록 지켜내는 것이 더 유리했으니까요.

 

 

7. 결언

지금까지 51% Attack에 대해 알아보았습니다. 조금 많이 간략화한 글이라, 51% Attack을 개념적으로 이해하시는 데 도움이 될 수 있다는 정도로 받아들여 주시는 게 좋을 것 같습니다.

다만, 꼭 51% Attack이 자정작용에 의해 방지되고 또 현실적으로도 일어나기는 어렵다, 고만 믿을 수는 없습니다. 올해 Security&Privacy 컨퍼런스에서 발표된 한 논문에 따르면, 비트코인을 비롯한 여러 암호화폐의 블록체인 네트워크에 공격을 가함으로써 51% Attack 및 Selfish mining이 더 높은 확률로 가능해지도록 하는 참신한(?) 공격기법이 제안되었기 때문입니다. 물론 엄밀히 말해 이것도 블록체인 자체의 약점이라기보다는 네트워크 통신 규약의 약점을 이용한 것이기는 합니다만, 여하간 약점은 약점이지요. 땡글인 여러분, 그리고 암호화폐를 접하시는 많은 분들이 블록체인에 관한 기술적 소양을 (교양 수준에서라도) 쌓으시면서 더 현명한 채굴, 더 현명한 투자를 위해 심사숙고해야 하는 시기라고 할 수 있겠습니다.

 

읽어주셔서 감사합니다.

 

 

73

블랙리퍼님의 서명

Wanderer, heading to the pole of the knowledge.

 

EtherWallet:

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댓글 23
  • ?
    좋은 글 감사합니다 . ^^
  • 덕분에 식견을 넓히고 갑니다.
    감사합니다.
  • ?
    ㅎㅎ 블럭체인이 뭔지 알게 되었습니다
  • ?
    "두 번씩 트랜잭션 수수료를 지불하게 만듭니다." 부분은 좀 이해가 가지 않습니다.

    자신의 기존 트랜잭션이 해커의 블록에서 빠졌다면 새롭게 보내면 되니까 수수료를 한 번 내면 되고

    자신의 트랜잭션이 해커의 블록에 들어갔다면 잘 들어갔으니까 수수료를 추가로 지불할 필요는 없어보입니다.

    제가 잘 이해했나 모르겠군요.

    제가 생각하는 해쉬파워 51%의 가장 큰 문제점은 기존에 전송이 갔던 트랜잭션을 다시 빼버린 블록을 만들어서 교란을 시켜버리는 것이어서

    굳이 모든 노드를 새로 만들지 않아도 최근 1시간치만 교란시켜도 비트코인 네트워크는 붕괴될 위험이 클겁니다. 한 건도 위험하기는 한데 6블록이면 이미 각 거래소들에서 들어온 코인들 팔아서 나간사람들 때문에 아주 큰 문제가 생기겠죠.

    그냥 개인적인 생각입니다. ^^
  • @제너크립토
    답변 늦어서 죄송합니다.

    1. 이중지불 문제
    본문 중 [그림 3]의 블록 #4-1 (그림에는 #3-1로 오기)부터 진행된, 기존에 정직한 블록의 체인이었던 블록에서도 트랜잭션이 발생하는 동안 그 트랜잭션 fee (e.g. 이더리움의 gas비)가 발생합니다. 그러나 이후 정직한 체인이 패퇴하였을 때, 블록 #3까지 Rollback한 후 해커의 체인 #4-2, #5-2, ...를 따라가는 과정에서 이 지불액이 환급되거나 자동으로 블록 내 내용들이 무효화되지 않습니다. 해커의 체인을 따라가면서, 기존 체인 소속 노드들끼리의 트랜잭션은 다시 한 번 이루어져야 합니다 (또는 포기해야겠죠). 그 과정에서, 패배한 체인에서 생긴 이벤트 'A'를 해커의 체인에서도 다시 한 번 발생시키기 위해, 트랜잭션 fee는 2회차로 지불되어야 하는 것입니다.

    2. 교란 문제
    말씀하신 트랜잭션 무효화를 포함하여 블록 상에서 일어날 수 있는 다양한 변조는 물론 비트코인 네트워크를 붕괴시킬 수 있습니다. 다만 개인적으로는, 비트코인 자체를 무너뜨리기에는 해커들의 돈 욕심이 너무 크므로...해시 파워를 장악했다는 사실을 남들이 눈치채지 못하도록 하면서 최적의 타이밍을 노려 파티셔닝 공격(partitioning attack)을 시도, 자신의 해시 파워가 51%를 초월한 것과 유사한 효과를 내도록 하며 해커 자신의 마이닝 풀이 다른 경쟁 마이닝 풀들을 모두 물리치도록 유도하는 시나리오에 한 표 주고 싶습니다. 이 경우 해커의 마이닝 풀은 압도적인 채굴 소득을 올리게 되겠지요.

    3. 보론
    교란 문제가 심각한 이유는 오늘날 비트코인 마이너들의 소재 때문입니다. 아시다시피 비트코인계를 주름잡고 있는 것은 중국인데, 비트코인 마이닝 풀의 전체 해시 파워 90% 가량이 단일 국가, 즉 중국에 집중되어 있습니다. 특정 해커, 특정 풀이 비트코인을 주름잡지는 못하더라도 특정 국가가 비트코인을 좌지우지할 수는 있는 여건이 만들어진 것이죠. 이 말은, 중국 내부에 있는 Autonomous System을 탈취한 해커가 비트코인을 갈취(hijack)하는 공격을 사용하기에 보다 좋은 여건이 조성되었다는 뜻입니다. 그리고 중국은 러시아와 더불어 세계에서 대표적인, 해커가 실제 사이버공격으로 검은 돈을 잘 벌고 있는 국가이죠.

    답변이 되었으면 좋겠습니다. 추후에는 비트코인을 갈취하는 새로운 공격 기법에 대한 간단한 세미나 형식의 지식 공유 글을 작성해 보려 합니다.

    채굴과 투자에 모두 성공하세요 :-)
  • ?
    좋은글 감사합니다
  • ?
    정보 감사합니다
    이런 기술적 맹점이 있을지는 상상도 못했네요
  • 조금씩 알아 가는 재미가 있네요... 블럭체인... 대단합니다..
  • ?
    51퍼센트가 넘어서 자신의 가치를 죽여버리는게 오히려 미래적 관점에서 손해가 되기 때문에 굳이 그것을 실행할 곳을 없을것이다라고 사토시가 말햇다던가요..
  • 정말 감사합니다. 막연하게 알고 있던 개념이 조금더 명료하게 정리된 느낌입니다.

    좋은글 감사합니다.
  • ?
    와 전문적인 글이네요 @.@
  • ?
    좋은 글 감사히 잘 봤습니다...
  • ?
    좋은글 감사합니다.
  • ?
    정말 좋은 글 감사합니다.
  • ?
    이렇게 보니 좀더 명확해지는 기분이 듭니다 ㅎㅎ
    좋은 글 감사합니다
  • ?
    명확한 정리 감사드립니다.
  • ?
    좋은글감사합니다
  • 강추!!!!
  • 40*3000 = 120,000KRW 입니다. ^^
  • ?
    좋은 글 감사합니다.
  • ?
    지금 당장 잘 이해는 안되지만 나중을 위해 읽었네요. 감사합니다^^
  • 3번의 그림은 잘못 된듯 하네요. block# 4-1이라고 적어야 할것 같은데...
  • ?
    좋은 내용 감사합니다.
    51 % 공격에 대해 궁금한 점이 있었는데, 전부 이해하진 못해도 많이 배우고 갑니다.
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채굴

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tuss
2017.12.31
75277 리눅스 [노하드 직접 만들어 보기 1 편]   노하드 직접 제작해서 채굴 컴에 활용해 보시라고 설치 방법 알려 드립니다..   노하드는 컴퓨터에 하드 없이 윈도우 사용하는것 입니다..   하드 디스크 또는 SSD 없이 윈도우 부팅해서 사용 가능합니다..   서버... 39 file 51 19258
Warp
2017.07.21
75276 채굴 만약 12월달이 된다면... 눈팅 회원입니다.    제가 채굴기 현재 한대 가지고 채굴하고 있습니다.   가정 한번 할까 합니다.   12월 한달동안 480 또는 580으로 6way 기준 180헤쉬가 나온다는 가정하에 몇개나 채굴가능할까? 생각해 봤었습니... 28 51 9699
콜라와사이다
2017.06.22
75275 채굴 클레이모어 로그 분석기 배포! 안녕하세요. 아웃사이다입니다.   어제 글을 남겼는데 여러분들께서 쪽지를 많이 주셔서 답변하느라 하루가 다 가버렸네요.   땡글을 자제해야 할까 봐요~ ^^*       다름이 아니고 오늘은 간단한 프로그램을 소개할... 46 file 51 11327
아웃사이다
2017.05.08
75274 채굴 초보도 따라하는 6800xt로 6way채굴하기!!!     안녕하세요~!!    이번에 RX 6800 XT로 채굴하려는데 정보가 너~~~무 없어서...    찾다 찾다 겨우 찾아서 해결했습니다.   확실히 엔당에 비해 너무 정보가 없네요..   저 처럼 해매실 분들을 위해 상세 설명 해... 49 file 50 14338
뭉뭉ㅋ
2021.08.03
75273 채굴 컨테이너에서 채굴에 관해 문의하신 분들께 드리는 말씀 안녕하세요.   제목이 좀 거창했다면 용서 바랍니다. 앞서 제가 컨테이너를 들여올때 올린 게시물을 보고 많은 분들이 문의 해주셨는데, 일일이 답변해드리지 못해서 조금이나마 궁금한점을 풀어드리고자 글을 올립니... 31 50 9023
Borams
2018.01.13
75272 채굴 채산성 자동 계산 앱이 개발 완료 되었습니다. 안녕하세요.    얼마전에 앱개발한다고 글을 올렸었는데요.   드디어 승인이 났습니다! ㅎㅎ   사실 ios는 2일만에 승인이 났는데 안드로이드가 심사가 4일이나 걸려서 이제서야 공개하네요 ㅎㅎ    앱이름은 GPU다모... 72 file 49 6589
지웅이
2022.08.27
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