IT & Security/Block Chain

블록체인 동작개요 & 블록체인 노드 종류 및 특징

해당 포스팅은 "블록체인의 동작 개요 및 노드 종류"에 대해 설명합니다.

* 오른쪽 목차를 통해 조금 더 가시적인 요약내용을 확인하실 수 있습니다.

* 내용에 대한 참고 자료 & 관련 자료는 맨 끝 하단에 첨부합니다. 같이 확인해보시고 좋은 내용을 공유하면 좋을 것 같아요 :)

# 첨부자료에 없는 그림 및 표의 경우 자체적으로 설명을 위해 제작한 것입니다 #

1. 블록체인 동작(개요)

Bit, Eth은 모든 노드가 같은 역할을 가지고 동등한 네트워크를 형성하기 때문에 Pure P2P로 분류 할 수 있다. 또한 네트워크 토폴로지에 제약도 없기 때문에 비 구조화 오버레이라고 할 수 있다.
다른 예로 Hyperledger Fabric(분산원장 플랫폼) 의 경우 노드에 따라 역할이 다르다는 점에서 슈퍼 노드의 개념을 도입한
비 구조화 오버레이라고 볼 수 있다. 또한 전용 멤버십 서버를 가지기 있다는 점에서 Hybrid P2P 라고도 할 수 있다.

1-1. 블록체인 네트워크 구조

이론적으로 블록체인에 기록되는 모든 데이터(원장: Ledger)는 블록체인 네트워크에 참여하는 각각의 노드들에 모두 저장되는 구조이다. 그러나 일반적인 참여자들의 모든 컴퓨터(노드)에 모든 데이터를 기록하는 것은 현실적으로 쉽지 않다. 때문에 노드도 각 특성에 맞게 기능을 보유하고 있다.

풀노드(full Node)와 라이트노드(light Node)를 시작으로 블록체인이 발전해가며 각 블록체인 시스템에 맞는 여러 가지 노드들도 생겨났다. 위 그림과 같이 간략히 노드의 종류들을 살펴보면 아래와 같다.

1-2. 블록체인 노드의 종류와 특징

풀노드(Frull node)

블록체인에서 이뤄진 모든 거래(원장) 정보를 보유한 노드를 의미하며, 블록체인 네트워크에서 최초로 생성되는 제네시스 블록(Genesis Block)부터 마지막 블록까지 모든 데이터를 보유하고 있다.
스스로 본인의 거래를 검증할 수 있다는 장점이 있지만, 모든 데이터를 보유하고 있다 보니 많은 저장 공간이 필요한 것이 단점이다.

라이트노드(light node)

블록체인의 데이터 일부(주로 블록헤더의 중요 데이터)만 가지고 있는 노드이다. 따라서 라이트노드는 거래는 가능하지만 스스로 검증하는 것은 불가능하다. 때문에 풀노드에 거래 데이터를 요청하여 개별 검증을 진행한다. 데이터를 일부만 보유하고 있어 저장 공간이 많이 필요하지 않다는 장점이 있지만, 데이터를 요청하고 확인하는데 시간이 필요하다는 단점이 있다.

채굴노드(mining node)

채굴 만을 위한 노드이다. 이 노드는 PoW 방식을 채택한 블록체인에서 사용되는데, 채굴이란 방식이 퍼즐을 푸는(Next Hash 값을 찾는 일) 작업증명(PoW : Proof of Work) 방식에서 사용되기 때문이다. 채굴노드는 컴퓨팅 파워 자원을 공유해 채굴에 참여하거나 스트라텀 프로토콜(Stratum Protocol) 및 경량지갑(light weight wallet)과 연결하여 참여할 수 있다.

슈퍼노드(super node)

위임지분증명(DPoS) 방식에서 주로 사용하고 있는 노드이다. 위임지분증명 방식에서는 디지털자산 보유량에 따라 투표권을 행사하고 주요 안건에 대해 의사결정을 대리할 수 있는 노드를 선출한다. 이렇게 선출된 노드는 여러 노드들로부터 권한을 위임 받아 블록 생성이나 거래 확정 등의 역할을 수행하는 등 네트워크 유지에 중요한 역할을 수행하게 되는데, 이와 같이 일반 노드들을 대리할 수 있도록 선출된 노드를 슈퍼노드라고 하며 대표노드라고 부르기도 한다.

마스터노드(master node)

풀노드를 보완하기 위해 고안된 노드이다. 풀노드는 전체 블록체인의 검증, 생성 확인 등의 임무를 수행하지만 이에 따른 비용이 상당하기 때문에 채굴이라는 적극적인 행위를 하지 않으면 노드의 유지 비용을 충당하기가 쉽지 않다. 마스터노드는 풀노드의 이러한 단점을 보완하기 위해 설계된 것으로, 별도의 채굴 행위를 하지 않더라도 임무를 수행할 경우 보상을 받을 수 있도록 고안된 노드이다.
대표적으로 대시코인, 해피코인 등의 프로젝트에서 사용되었다.

랜덤노드(random node)

이중위임지분증명(DDPoS) 방식에서 사용되며 전체 블록체인의 무결성을 유지하기 개발된 노드이다.
임의로 선택된 랜덤노드가 무작위 순서에 따라 블록을 생성하도록 설계되었다. 기존 위임지분방식에서 한 단계 검증 절차가 추가된 것이 이중위임지분증명(DDPoS) 방식이다.

디지털자산 보유량에 따라 투표권을 행사해 대표노드를 선정하고 이 대표노드들이 의사결정을 내리는 방식을 사용하면서 임의의 노드인 랜덤노드를 추가해 데이터 조작을 예방하는 시스템으로 구성된다.

1-3. P2P 네트워크에 따른 블록체인의 동작 개요

Bitcoin Core와 이더리움과 같은 합의 알고리즘에 Pow을 채택하고 있는 블록체인을 예시로 구성함.

채굴자(Miner)에 동작 개요

Peer_Y는 채굴 노드이다. 해당 노드는 메모리 풀(Pool)에 트랜잭션을 저장하고, 메모리 풀을 해시화한다.

즉 모든 사용자(Node)에 거래 블록 트랜잭션들을 모두 기록으로 남기고 모아서 이 블록에 복잡한 수학 공식을 적용한 후 해시로 값을 변경한다. 이 값이 기존에 다른 사람들이 가지고 있던 블록에 다음 해시 값과 일치할 때, 채굴(mining)을 성공했다고 표현한다.

결국 모든 거래를 확인하여, 이 거래 내역들이 정상적인 거래임을 증명하는 일(Work)을 한 것이므로, 공헌에 의미로 코인(보상)을 증여하는 것이다. 조건에 맞는(거래 내역을 증명하는)해시 값을 발견하였다면 Next 블록을 추가하고, 이후 P2P네트워크 환경에 그 기록을 Broad Cast한다. 이후 각각의 노드는 값에 대한 검증을 거쳐 문제가 없다면 블록을 업데이트 한다.

채굴(Mining) 이란?

마이닝(mining) : 암호화폐 유지를 위해 거래내역을 기록하는 장부 블록을 생성하는 사람에게 보상을 지급하는 원리

1-4. P2P 네트워크에서 다른 노드와 연계

알아두면 좋을 지식
처음 블록체인 네트워크에 참여하는 참여자(노드)는 기존에 정보나 블록이 생성되지 않았기 때문에 다른 노드(기존의 노드)와 연계하여 정보를 받아와야 한다.

네트워크 연계 과정

종류	방식
Hyperledger Fabric	기동 시 지정한 시작점이 되는 노드(CORE_PEER_DISCOVERY_ROOTNODE)에 대한 디스커버리 프로토콜을 발행해서 참가자 목록을 받아온다. 그 후의 동작은 해당 노드가 validating peer, non-validating peer 등 종류에 따라 달라진다. validating peer의 경우 정보를 전파하기 위해 자신을 제외한 모든 validating peer와 Mesh형태의 네트워크를 구축한다. 반면 non-validating peer는 연결이 허용된 가장 가까운 validating peer와 연결을 수행한다.
Bitcoin Core	1. DNS(예를 들어 bitseed.xf2.org)를 통해 검색 2. 클라이언트 소프트웨어에 사전에 하드코딩된 준 영구 노드 목록 참조 3. 명령줄에서 지정한 IP 주소 순서대로 네트워크의 노드 목록을 취득하려고 시도한다. * 2번째 이후부터는 네트워크에서 인식한 노드 목록을 각 클라이언트의 내부 DB에 보존하기 때문에 그 정보를 바탕으로 다른 노드와의 연계를 시도함.
Ethereum	시작점이 되는 노드에서 사전에 하드코딩된 부트스트랩 노드 목록을 참조해 연결을 시도한다. 부트스트랩(P2P 네트워크에서 노드가 초기 참가 시 설정 정보를 제공해주는 노드) 노드는 기동 시 명령줄에서 지정할 수 있다. 그 밖의 다른 노드는 디스커버리 프로토콜을 사용해 발견할 수 있다.

1-5. 데이터(Block) 송수신

종류	방식
Hyperledger Fabric	- 노드 간 통신에 gRPC를 이용하여 양방향 스트림 기반 메시징을 할 수 있다. - 직렬화 된 Protocol Buffers를 사용하고 있다. gRPC와 Protocol Buffers는 모두 구글에서 개발한 기술이다.
Bitcoin Core	- 정보 본체를 송 · 수신할 때 그 해시값을 inv 메시지로 상대방에게 보내준다. - 정보를 송 · 수신해야 할 때는 getdata 메시지를 보내 정보의 본체를 요구하는 특징을 가지고 있다. 이 방법으로 P2P 네트워크를 흐르는 데이터 양을 줄일 수 있다.
이더리움	- 블록체인의 데이터 자체가 아니라 그 해시를 모든 노드가 공유하는 공간에 체인으로 지정해 '워크 풀'로 이용한다. - 이를 통해 자기 노드에게 부족한 데이터를 찾고, 해시를 이용하여 블록을 요청하거나 획득한다.