블록체인 기술에 대해 이야기하면, 대부분의 사람들이 "채굴"이라는 개념을 떠올립니다. 현재 가장 일반적인 채굴 방법은 작업증명(PoW)와 지분증명(POS)입니다. 이번 글에서는 작업증명(PoW)에 대해 자세히 알아보겠습니다.
작업증명(POW)이란 무엇인가요?
작업증명(PoW, Proof of Work)은 특정 목푯값보다 작은 해시값을 찾는 과정을 끊임없이 반복함으로써, 해당 작업에 참여했음을 증명하는 합의 알고리즘입니다. 이 과정은 채굴(mining)이라고도 불립니다.
PoW는 비트코인의 기본 합의 모델로, 블록체인 네트워크에 대한 합의 알고리즘입니다. 비트코인은 PoW를 최초로 도입한 암호화폐입니다.
"작업증명"이라는 용어는 1999년에 처음 등장했습니다. 이 개념은 "확인자"가 지정된 시간 경과 후에 수행된 필수 컴퓨팅 작업의 증거를 "검증자"에게 제공해야 한다는 가정에 기반을 두고 있습니다.
PoW 방식에서 채굴자들은 채굴을 통해 작업증명을 하며, 네트워크에 자신의 컴퓨터의 연산력(해시파워)을 제공하여 블록을 검증하고 체인에 연결합니다. 연산력이 높다는 것은 주어진 시간 동안 더 많은 작업증명을 수행할 수 있다는 의미이며, 따라서 연산력이 높을수록 블록에 기록할 수 있는 권한이 더 많이 부여됩니다.
작업증명은 별도의 채굴기가 필요하며, 높은 연산력과 성능이 필요하기 때문에 대량의 전력이 소모됩니다. 또한, 작업증명은 시간이 지남에 따라 채굴의 난이도가 점차 높아지며, 디지털 자산은 어느 시점에서 한계치를 가지고 일정 수준으로 유지되기 때문에, 채굴 소요 시간이 점차 늘어나게 되어 일반 채굴자가 채굴에 참여하기 어려워집니다.
작업증명(POW) 참여자
작업증명(PoW)에는 두 가지 주요 참여자가 있습니다: 채굴자와 풀 노드 운영자입니다.
- 채굴자는 다음 블록을 생성(약 10분마다 생성됨)하고 이를 네트워크에 브로드캐스트 하기 위해 경쟁적으로 문제를 풀어내는 네트워크 참여자들입니다. 각 10분마다 한 라운드의 승리자가 되는 채굴자는 블록 보상(현재 6.25 BTC)과 블록의 트랜잭션 수수료를 모두 보상으로 받게 됩니다.
- 풀 노드 운영자 PoW의 두 번째 참여자는 풀 노드 운영자나 풀 노드를 실행하는 일반 사용자입니다. 풀 노드는 소프트웨어 클라이언트로, 비트코인 소프트웨어를 실행하여 네트워크에서 트랜잭션과 블록을 자동으로 검증하고 생성합니다.
암호학적 증명과 비트코인의 합의 규칙을 사용하는 풀 노드 운영자는 네트워크의 상태에 대한 최종 검증인이며, 네트워크의 역동성을 상징합니다. 풀 노드 클라이언트는 또한 마이닝 클라이언트가 될 수 있으며, 클라이언트는 네트워크상의 유효하지 않은 블록과 트랜잭션을 거부합니다.
작동원리
비트코인은 발생한 모든 비트코인 거래의 이력을 포함하는 공유 원장인 블록체인을 사용합니다. 블록체인은 이름에서 알 수 있듯이 블록으로 구성되어 있습니다. 각 블록은 최신 트랜잭션을 저장합니다.
작업증명은 비트코인 블록체인에 새 블록을 추가하는 데 필요한 부분입니다. 블록은 작업증명을 수행하는 생태계의 플레이어인 채굴자에 의해 활성화됩니다. 네트워크는 채굴자가 새로운 성공적인 작업증명을 제안할 때마다 새 블록을 수락하며, 이는 대략 10분마다 발생합니다.
마이닝(채굴)이란 임의의 nounce 값을 대입하여 블록해시(blockhash) 결과 값을 생성하고, 블록해시 결과 값이 제시된 Target보다 작은 블록해시값이 되도록 찾는 것입니다.
nounce 값을 0부터 1씩 증가시키면서 제시된 Target보다 작은 결괏값이 나올 때까지 무한 반복작업을 수행해야 하며, 이러한 문제를 풀이하는 과정을 1초 안에 몇 번이나 수행할 수 있는지를 해시파워라고 합니다.
해시파워가 높은 마이너(채굴자) 일 수록 더 많은 문제를 풀 수 있고, 더 많은 문제를 풀 수 있는 채굴자가 새로운 블록을 찾을 확률이 높습니다. 따라서 PoW를 정의할 때 많은 일을 한 채굴자에게 더 많은 보상이 주어지는 방식이라고 표현합니다.
채굴난이도는 지속적으로 높아지고 시간마다 채굴될 수 있는 블록이 한정되어 있기에 이제는 개인이 채굴을 하는 것이 거의 불가능합니다.
기업들은 더 많은 블록을 채굴하기 위해 해시파워를 유지해야 하고 이를 위해 고사양 장비가 필요하다 보니 과도한 전력소모가 발생하게 되었습니다.
비트코인으로 인한 환경문제가 제기되는 것도 이러한 채굴을 위한 전력 소모 때문입니다.
작업증명(POW)의 특징
작업증명 방식의 합의 알고리즘은 트랜잭션이 발생했을 경우 해당 트랜잭션이 유효한 트랜잭션인지에 대한 합의 방법 및 새로운 블록이 진짜인지, 가짜인지에 대한 검증을 수행합니다.
- 채굴 : 마이닝(Mining, 채굴)은 암호화폐의 거래내역을 기록한 블록을 생성하고 그 대가로 암호화폐를 얻는 행위를 말합니다. 채굴은 임의의 논스(Nonce) 값을 대입하여 얻은 결과 값이 제시된 타깃보다 작은 결과 값이 나올 때까지 무한 반복 작업이 실행됩니다. 이러한 수학 문제를 풀이하는 과정을 1초에 몇 번이나 수행할 수 있는지에 대한 수치 정보를 해시파워라고 표현합니다. 해시파워가 높다는 것은 주어진 시간당 더 많은 문제를 풀어낼 수 있다는 의미이며 이에 따라 새로운 블록을 찾을 확률이 더 높아집니다. 결국 높은 해시파워를 가진 채굴자는 확률적으로 더 많은 보상을 받게 됩니다.
- 작업 난이도 : 작업 난이도는 몬스값 계산의 어려운 정도를 나타냅니다. 작업 난이도는 블록 헤더 정보에서 bits라는 값으로 조절됩니다. 난도는 블록이 생성되는데 소요되는 시간이 평균 시간인 적게 걸리면 난이도가 올라가고, 오래 걸리면 낮아지는 방식입니다. 대략 20,160분 주기로 전체적으로 평균 10분이 소요되는 하나의 난이도가 전체에 적용됩니다.
- 보상은 새로 발행되는 비트코인과 해당 블록에 포함되는 거래의 거래 수수료의 합입니다. 비트코인의 새로운 발행은, 채굴자가 블록을 처음 구성할 때 채굴자의 지갑으로 일정량의 비트코인이 입금되는 거래를 그 블록의 첫 거래(generation transaction)로 추가하는 방식으로 이루어집니다. 새로 발행되는 비트코인의 시작은 50 BTC입니다.그 후 21만 개의 블록이 블록체인에 추가될 때마다 반감기를 겪게 됩니다. 거래 수수료는 각 거래 당사자끼리 자율적으로 정할 수 있습니다. 또한 거래 수수료는 거래가 블록에 추가되는 우선순위를 결정하는데 입력 값으로 작용하기도 합니다.
작업증명(PoW)은 블록체인 네트워크의 합의 알고리즘 중 하나로, 블록의 유효성을 검증하고 블록체인에 추가하는 과정에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 이 방식은 고사양의 장비와 많은 전력을 필요로 하며, 이로 인해 환경 문제가 제기되기도 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 대안적인 합의 알고리즘이 제안되고 있습니다. 이 중 하나가 바로 지분증명(POS)입니다. 다음 글에서는 지분증명(POS)에 대해 자세히 알아보겠습니다.
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