P2P 네트워크 한계 및 해결책

 

 

해당 포스팅은 "블록체인의 P2P 네트워크의 한계 및 해결책"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 #

 

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1. P2P 네트워크의 한계

- 정보의 지연과 미 도달
- 이중 송신에 따른 처리 중복
- 잘못된 정보에 의한 오작동
- 정확한 정보 공유에 한계

 

1-1. 구조 & 통신상 보안 문제

• 안전성
  • 네트워크 끊김 현상
  • 노드 간 질의 내용 변조, 이클립스 공격 등(향후 따로 다룰 예정)
    
    
• 신뢰성(확실성)
  • 특정 노드가 들락날락 거린다면 의심할 필요가 있음(신뢰가 가는 사용자인가?)
  • 개방된 네트워크에서 악의적인 행위자는 자유롭게 네트워크에 들어와 소란을 일으킬 수 있음(잘못된 설계로 악의적인 사용자를 중재하려다 신뢰 가는 사용자를 차단할 수 있기에, 신중한 설계가 필요함)
    
    
• 기능성(성능)
  • P2P네트워크는 Sever & Client 네트워크처럼 실시간 처리가 되지 않고, 전체 노드가 네트워크 상 같은 정보를 공유하기 위해서는 시간 차가 있다. (같은 정보를 동시에 공유할 수 없다.)
  • 서버가 아닌 단일 노드에서 업데이트되어야 하기 때문에, 트랜잭션을 추가하려면 상당한 수준의 연산 능력이 필요하다. 때문에 효율성을 떨어뜨리며, 확장성과 광범위한 채택에 있어 주된 걸림돌이 된다.
    이에 암호 전문가 & 블록체인 개발자들은 확장성 해결책으로 사용될 수 있는 대안책을 연구하고 있다.(대표적인 예로 : 라이트닝 네트워크, 이더리움 플라스마, 밈블윔블 프로토콜 등이 있다.)

 

1-2. 비잔티움(비잔틴 장군) 문제

- 비잔티움 장군 문제를 해결하기 위한 알고리즘으로 합의 알고리즘(PoW, PoS, PoA 등..)이 고안됨

비잔티움 장군 문제, 혹은 비잔티움 에러는 한 체계 내에서 연결된 다양한 시스템 중 일부가 에러 코드, 혹은 잘못된 명령어 전달하는 상황에서 어떻게 시스템들의 기능을 정상으로 유지시키고, 체계를 정상 작동시킬 수 있는지 고민하는 일종의 사고 실험이다. 레슬리 램 포트와 쇼스탁, 피스가 공저한 1982년 논문에서 처음 언급됐다. 

 

중앙 집중형 시스템과 분산 시스템에 차이점

 

중앙 집중형 시스템은 정상적으로 운영이 될 경우, 한 번에 모든 하위 조직 및 인원에게 일정한 정보를 신속히 전달할 수 있어 빠른 속도로 운영된다는 장점이 있다. 하지만 악의적인 사용자들에 의해 해킹이 되거나 공격당하게 될 경우 전체 시스템이 마비가 될 수 있다.

 

이런 문제를 해결하기 위해 분산 시스템에 개념을 적용할 수 있는데, 분산화된 블록체인 시스템 역시 악의적인 해킹 공격이나 네트워크 공격에 노출될 가능성이 존재한다. 이중 비잔틴 장군 문제는 위 그림과 같은 이유 때문에 발생하게 된다.

 

분산화된 시스템에서는 각 장군(노드)이 동등한 권한과 역할을 가지기 때문에 배신자(해커)가 악의적으로 전령(데이터)에 내용을 변조
(해킹, 에러, 위조 등등)할 수 있기 때문이다. 이러한 문제를 해결하고자 고안된(몇 명의 장군이 있어야 안전할지)것이 합의 알고리즘이다.

 

- 비잔티움 장군 문제 해결방안

다수결을 통해 결과 도출 방식을 선택하게 된다면, 장군들은 철저히 다수결을 통해 과반 수 이상 되는 공격 시간(신뢰 가는 데이터)을 선택해 공격에 성공할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다. 이때 배반한 장군의 수가 전체 장군의 수에서 1/3이 넘지 않는다는 전제와, 이 외 2/3 장군의 메시지(전령) 역시 손실 없이 명확히 전달되어야 한다는 전제가 필수적이다.

1980년대에는 Draper's FTP, Honeywell's MMFCS. SRI's SIFT과 같은 다양한 시스템 구조가 디자인되며 해결방안으로 제시되었다. 최근에는 이러한 문제를 조금 더 빠르고 안전하게 해결하기 위해 다양한 방안들이 제시되었으며, 작업 증명(PoW, Proof of Work) 방식 또는 실용적 비잔틴 장애 허용(pBFT, practical Byzantine Fault Tolerance)등의 알고리즘이 실제 블록체인(ex : 가상화폐 등)에 적용되었다.

 

 

1-3. 이중 지불의 문제

이중 지불이란 말 그대로 하나의 지폐로 여러 번 결제하는 것을 의미한다.
예를 들어 현재 A의 계좌에는 1,000원이 있는데 A가 B와 C에게 각각 1,000원씩 이체하려고 한다면, 현실 세계에서 이런 일은 불가능 할 것이다. 왜냐하면 은행 시스템이 A의 계좌를 추적 및 관리하고 있기 때문에 바로 차단이 되기 때문이다. 하지만 온라인 네트워크 상에서 이중 지불은 어려운 일이 아니다.

동일한 기기 내에서는 불가능하지만 물리적으로 멀리 떨어진 두 개의 지점에서는 동시에 접속하여 보내는 일은 가능하다는 것이다. A의 지갑에 대해서 한국에서는 B에게 1,000원을 보내고 미국에서는 C에게 1,000원을 보낼 수 있다는 것이다. 이것이 가능한 이유는 네트워크 상 데이터가 합쳐지는데 까지는 시간이 걸리고, 실제로 다양한 지점에서 동시에 거래가(트랜잭션) 일어나서 블록이 생성될 수도 있기 때문이다. 그렇기에 블록체인 네트워크에서는 '합의 알고리즘'에 의하여 이중 지불을 방지하고자 한다.

이렇게 되면, 이중 지불이 되었다고 하더라도 모든 노드들이 동일한 내용의 분산 원장을 공유하고 있기 때문에 언젠가는 특정 시점에서 충돌이 발생하게 되고 결과적으로 두 거래 중 하나는 거부 되기 때문이다. 이러한 역할을 하는 것이 바로 합의 알고리즘이며 이는 포크 문제와 연결된다.

 

1-4.  포크(Fork)로 인한 문제

비트코인 및 이더리움과 같은 암호화폐는 블록체인이라는 분산형 오픈 소스 소프트웨어에 의해 구동된다.
이때 블록체인 프로토콜 혹은 기본 규칙이 변경되는 현상을 포크가 발생한다고 정의한다.

즉 변경이 발생하면, 체인이 분할되며 모든 역사를 원본과 공유하지만 새로운 방향으로 나아가는 두 번째 블록체인이 생성되는 것이다.
이때 블록체인이 분기되는 현상을 포크(Fork)라고 한다. (포크의 모양과 닮았다는 유래) 분기 시, 기존의 블록체인에 성향을 그대로 유지하는 방향이 있고, 아예 새로운 방향성을 가지고 새로운 코인과 생태계를 만들 수도 있는데, 이를 하드 포크, 소프트 포크로 나뉘어 정의한다.

 

 

하드 포크(Hard Fork)란?

하드포크 동작 개요

하드 포크는 위 그림과 같이 기존에 블록체인에서 변경된 동작(행위, 코드 등)이 너무 많아서 기존에 블록과 호환되지 않을 때 발생한다.
fork가 발생한 시점으로부터 기존의 블록과, 새로운 블록이 나뉘게 되며 새로운 버전은 완전히 새로운 암호 화폐를 생성한다.

예로 Bitcoin cash, Bitcoin Gold과 같은 암호 화폐가 있다.

 

기존의 Bitcoin블록에서 하드 포크가 발생하여 생성된 새로운 블록 버전의 암호 화폐인 것이다.

 

 

소프트 포크(Soft Fork)란?

소프트포크 동작 개요

소프트 포크는 기존 블록체인에 업그레이드 버전이라고 할 수 있다.

 

즉 이전에 블록과 새로 분기된 블록이 호환되어 결국 다시 하나의 블록으로 합쳐져 블록체인에 이어지는 것이다.

소프트 포크는 일반적으로 프로그래밍 수준에서 새로운 기능을 추가할 때 사용된다.

 

 

포크 발생 원인 및 문제점

모든 소프트웨어에 업그레이드가 필요한 것처럼 블록체인도 다양한 이유로 업데이트되는데, 업데이트 및 포크 발생 주원인은 다음과 같다.

• 기능을 추가하기 위함
• 보안 위험을 해결하기 위함
• 암호화폐의 방향에 대한 커뮤니티 내 의견 불일치를 해결하기 위함

 

이외에도 블록체인에 성질 때문에 분기가 일어나고 보안 취약점이 발생하기도 한다. 블록체인은 “더 긴 블록을 선호하는 정책”이 존재한다. 즉 분기가 일어날 시, 나뉜 두 블록 중 더 블록이 많은 쪽에 블록을 블록체인에 이어가는 성질이 있다.

 

때문에 51% 공격, 이중 지불 문제 등 다양한 보안 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하고자 비트코인의 경우 6 컨펌이라는 제한을 두고 거래 확정을 결정한다.

이외에도 하드 포크가 발생하는 시점에 발생할 수 있는 리플레이 공격이 존재한다. 이는 분기가 발생하는 시점에서 가치가 다른 코인이 포크로 인해 동시에 송금되는 현상인데, 거래 시 분기가 일어나서 발생하는 취약점이다.

 

이러한 공격에 대해서는 “블록체인 security issues에서 ” 에 자세히 다룰 예정이다

 

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2. 분산 시스템의 장애 모델

• P2P 네트워크에서는 발생 가능한 장애 모델로 다음과 같은 3가지가 존재한다.(크게 분류한 것뿐 다양함)

2-1. FAIL STOP Model

어떠한 오류로 인해 중지된 서버는 깨끗이 퇴출하도록 하는 장애 모델

2-2. FAIL RECOVER Model

한번 정지한 서버가 부활할 수 있도록 하는 모델(지연과 중단을 구별하지 않음)

2-3. BYZANTINE FAULT Model

임의 노드가 악의적으로 실수를 일으키는 모델, 각각의 장애 모델을 고려하여 다양한 합의 알고리즘이 제시되었는데, 아래 표를 보면 어떠한 장애 모델에 대응하고자 어떠한 알고리즘이 고안되었는지 확인할 수 있다.

 

	PoW	PoS	PBFT/Sieve	Paxos/Raft
결함 허용치	1대라도 남아있으면 문제 없음	1대라도 남아있으면 문제 없음	1/3 미만까지 보증(정확히 1/3인 경우 대응 불가)	1/2 미만은 문제 없음(정확히 1/2인 경우 대응 불가) PBFT보다 적은 대수로 가능
권한의 분산	전기세가 낮은 지역에 집중될 가능성이 있음(ex 중국)	일반적으로 화폐 보유는 집중될 가능성이 높음	참가 서버 모두가 평등	리더에게 강한 권한이 있으나, 교체할 수 있음
다수결 대용	CPU 계산량	보유한 자산 크기	다수결	다수결(투표 형식, 랜덤 등)
대응하는 장애 모델	Byzantine Fault	Byzantine Fault	Byzantine Fault	Fail-Stop Fail-Recover
비밀번호 인증	참가시 준비한 공개 암호화 키를 사용	참가시 준비한 공개 암호화 키를 사용	사전에 서로 신뢰한공개 암호화 키를 사용	특별히 없음
참가 서버의 조건	어떤 서버도 참가 가능	어떤 서버도 참가 가능	신뢰된 서버만 참가	신뢰된 서버만 참가
통신 비용	참가 서버 전체가 아닌, 로컬 통신만으로 문제가 없음. 로컬 통신은 비용이 낮음	참가 서버 전체가 아닌, 로컬 통신만으로 문제가 없음. 로컬 통신은 비용이 낮음	각 서버간 통신을 수행하기 때문에 비용은 높음	리더를 중심으로 통신하기 때문에 PBFT보다 통신 비용은 낮음. PoW, PoS와 비교하면 전체적으로 비용은 같지만 리더 1대의 통신 비용이 높아짐
CPU 연산 비용	높음	중간정도. PoW보다 낮지만 나름대로의 해시 계산을 수행	낮음	낮음

 

PoW, PoS, PBFT, Sieve 등의 알고리즘은 Byzantine fault 장애 모델에 대응하기 위해 고안된 알고리즘이며, Paxos, Raft 알고리즘은 Fail-Stop, Fail-Recover 등 장애 모델에 대응하기 위해 고안된 알고리즘이다.

다양한 종류의 알고리즘을 다음 글 합의 알고리즘 종류 및 구성에서 자세히 풀어보도록 하겠다.

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3. 참고 자료

비트코인 채굴이란 무엇인가?
노드의 종류와 특징 - 업비트 투자자보호센터
Protocol documentation - Bitcoin Wiki
What Is Mimblewimble? | Binance Academy
https://namu.wiki/w/비잔티움 장군 문제
Soft Fork vs Hard Fork: What Are the Differences?
What is a fork?

이중 지불(Double Spending), 컨펌(Confirm)
[케블리] #44. 합의 알고리즘 마스터하기 - 1편 (PoW, PoS) — Steemit