비트코인과 이더리움 블록 비교
비트코인의 블록은 헤더와 바디로 나누어 볼 수 있습니다. 이더리움도 비트코인의 블록구조와 크게 다르진 않지만 블록의 헤더부분에 uncle_list 와 stack_trace 라는 값이 추가되어 있는 형태입니다.
- uncle list: 비트코인의 이전블록을 이더리움에서 parent 블록이라고 말하기 때문에 생긴 용어. stale 블록을 uncle 블록이라 칭함 (자세한 설명은 아래에서)
비트코인과 이더리움 블록헤더 비교
| 블록해시 | hash | state_root |
| 이전블록해시 | prev_block | parent_hash |
| 트랜잭션 루트해시 | mrkl_root | TRIEHASH(transaction_list), TRIEHASH(uncle_list), TRIEHASH(stack_trace) |
| 난이도 | bits | difficulty |
| 타임스탬프 | time | timestamp |
| 넌스 | nonce | nonce |
| 그외 데이터 | size, ver, n_tx | extra_data, (block) number, coinbase address (채굴주소), .... 등등 |
비트코인과 블록헤더의 구조는 거의 유사하나 블록해시를 구할 때, 몇 가지 항목이 더 추가됨
- uncle_list, stack_trace, extra_data 등등
이더리움 블록 구성
위에서 비트코인과 간략하게 비교했으니 이제 이더리움만 자세하게 파봅시다.
https://etherscan.io/block/5529581 해당 주소에서 이더리움의 블록정보를 확인한 정보입니다.
이더리움의 코드(GO)를 보면 아래와 같이 블록과 블록헤더가 struct로 선언되어 있습니다.
블록
// Block represents an entire block in the Ethereum blockchain.
type Block struct {
header *Header
uncles []*Header
transactions Transactions
// caches
hash atomic.Value
size atomic.Value
// Td is used by package core to store the total difficulty
// of the chain up to and including the block.
td *big.Int
// These fields are used by package eth to track
// inter-peer block relay.
ReceivedAt time.Time
ReceivedFrom interface{}
}
블록헤더
// Header represents a block header in the Ethereum blockchain.
type Header struct {
ParentHash common.Hash `json:"parentHash" gencodec:"required"`
UncleHash common.Hash `json:"sha3Uncles" gencodec:"required"`
Coinbase common.Address `json:"miner" gencodec:"required"`
Root common.Hash `json:"stateRoot" gencodec:"required"`
TxHash common.Hash `json:"transactionsRoot" gencodec:"required"`
ReceiptHash common.Hash `json:"receiptsRoot" gencodec:"required"`
Bloom Bloom `json:"logsBloom" gencodec:"required"`
Difficulty *big.Int `json:"difficulty" gencodec:"required"`
Number *big.Int `json:"number" gencodec:"required"`
GasLimit uint64 `json:"gasLimit" gencodec:"required"`
GasUsed uint64 `json:"gasUsed" gencodec:"required"`
Time *big.Int `json:"timestamp" gencodec:"required"`
Extra []byte `json:"extraData" gencodec:"required"`
MixDigest common.Hash `json:"mixHash" gencodec:"required"`
Nonce BlockNonce `json:"nonce" gencodec:"required"`
}
블록헤더 설명
- ParentHash : 부모 블록의 해시값
- UncleHash : 현재 블록의 엉클 블록들의 해시값
- Coinbase : 채굴 후 해당 트랜잭션의 수수료를 받을 계정 주소
- Root: 계정의 상태정보가 모여있는 머클 패트리시아 트리의 루트 노드 해시값
- TxHash: 블록의 모든 트랜잭션에 대한 머클트리의 루트노드 해시값
- ReceiptHash: 블록 내 모든 트랜잭션에 대한 receipt들의 머클트리의 루트노드 해시값
- Bloom: 로그 정보를 사용하는데 사용하는 32바이트 블룸필터
- Difficulty: 블록 난이도로 이전블록의 난이도와 타임스탬프로 계산
- Number : 현재 블록번호
- GasLimit: 블록당 지급가능한 최대 가스 총합
- GasUsed: 블록내 트랜잭션에 사용된 가스의 총합
- Time : 블록의 최초 생성시간
- Extra : 블록의 기타정보
- MixDigest, Nonce : 작업증명에서 해시값을 계산하는데 충분한 계산횟수를 보장하기 위해 사용하는 값
Root, TxHash, ReceiptHash는 머클트리의 각 노드를 해시한 최종 루트해시값에 해당하고 나머지 값들은 각각 하나의 상수로 볼수 있습니다.
제네시스 블록
제네시스 블록은 블록의 첫번째에 위치하는 최초 블록을 말하며 블록번호 0번에 해당되고 어떤 트랜잭션도 포함되지 않습니다.
// Genesis specifies the header fields, state of a genesis block. It also defines hard
// fork switch-over blocks through the chain configuration.
type Genesis struct {
Config *params.ChainConfig `json:"config"`
Nonce uint64 `json:"nonce"`
Timestamp uint64 `json:"timestamp"`
ExtraData []byte `json:"extraData"`
GasLimit uint64 `json:"gasLimit" gencodec:"required"`
Difficulty *big.Int `json:"difficulty" gencodec:"required"`
Mixhash common.Hash `json:"mixHash"`
Coinbase common.Address `json:"coinbase"`
Alloc GenesisAlloc `json:"alloc" gencodec:"required"`
// These fields are used for consensus tests. Please don't use them
// in actual genesis blocks.
Number uint64 `json:"number"`
GasUsed uint64 `json:"gasUsed"`
ParentHash common.Hash `json:"parentHash"`
}
제네시스 블록 설명
- Alloc : 일정량의 이더를 초기 계정에 할당할때 사용하는 값으로 채굴작업 없이 초기 일정량의 이더를 발생하여 ICO를 통해 판매하는데 사용할수 있음
- Coinbase : 채굴 후 보상코인을 수령할 주소인데 제네시스 블록에서는 채굴이 일어나지 않기에 어떠한 값을 할당해도 상관없음
- Nonce : mixhash와 함께 채굴 시에 사용되는 값, 8바이트
- Mixhash : Nonce와 함께 채굴 시에 사용되는 값, 32바이트
- Difficulty : 채굴시의 목표값
- ExtraData : 32바이트 옵션항목
- GasLimit : 블록의 최대 가스량
- ParentHash : 이전 부모블록의 해시값, 제네시스블록은 부모가 없기 때문에 0으로 할당
- TimeStamp : 블록의 생성시간
이더리움 블록체인과 채굴
비트코인: 거래(이체) 데이터 저장방식 (거래정보만 블록에 저장)
이더리움: 계정 데이터 저장방식 (모든 계정정보를 저장)
- 계정의 balance등의 정보를 직접변경
- patricia tree를 사용하여 저장 데이터의 용량을 줄임
위와 같이 이더리움 블록체인은 비트코인과 유사하나 다른점이 존재합니다. 비트코인과는 달리 이더리움 블록은 transaction list와 가장 최근의 상태(state) 복사본을 가지고 있다는 것입니다. 이외에도 블록의 넘버와 difficulty 또한 블록 내에 저장됩니다. 기본적인 이더리움 블록 검증 알고리즘은 아래와 같습니다.
- 참조하고 있는 이전 블록이 존재하는지와 유효한지 확인
- 현재 블록의 타임스탬프가 참조하고 있는 이전 블록의 타임스탬프보다 크고 현 시점을 기준으로 15분 후보다 작은 값인지 확인
- 블록 넘버, difficulty, 트랜잭션 루트, uncle 루트, gas limit등이 유효한지 확인
- 블록에 포함된 작업 증명이 유효한지 확인
- 위 그림의 S[0] 이 이전 블록의 마지막 상태(state)라고 가정
- TX를 현재 블록의 n개의 트랜잭션 리스트라고 가정하고 0 부터 n-1에 대해, S[i+1] = APPLY(S[i], TX[i]) 로 설정했을 때, 어플리케이션이 오류를 반환하거나, 이 시점까지 블록에서 소모된 총 gas가 GASLIMIT를 초과하면 오류를 반환
- 채굴자에게 지불된 보상 블록을 S[n] 덧붙인 후 이것을 S_FINAL 이라 가정
- 상태 S_FINAL의 머클 트리 루트가 블록 헤더가 가지고 있는 최종 상태 루트와 같은지를 검증. 이 값이 같으면 그 블록은 유효한 블록이고 다르면 유효하지 않은 것으로 판단
이러한 접근은 모든 상태를 각 블록에 저장할 필요성 때문에 매우 비효율적인 것처럼 보이지만, 실제로는 효율성의 측면에서는 비트코인과 비교할만 합니다. 그 이유는 상태가 트리 구조로 저장되고, 모든 블록 후에 단지 트리의 작은 부분만이 변경되기 때문입니다. 보통 인접한 두 개의 블록간에는 트리의 대부분의 내용이 같아서 한번 데이터가 저장되면 포인터(서브트리의 해쉬)를 사용하여 참조될 수 있기 때문입니다. 패트리시아 트리(Patricia tree)로 알려진 이러한 종류의 특별한 트리는 머클 트리 개념을 수정하여 노드를 수정할 뿐만 아니라, 효율적으로 삽입되거나 삭제하여 이러한 작업을 수행할 수 있도록 해줍니다. 또한, 모든 상태 정보가 마지막 블록에 포함되어 있기 때문에, 전체 블록체인 히스토리를 모두 저장할 필요가 없어지게 됩니다. 이러한 방법으로 비트코인에 적용된 기술과 비교하면 5~20배의 저장 공간 절약의 효과가 생깁니다.
물리적인 하드웨어 관점에서 볼 때, 컨트랙트 코드는 “어디에서" 실행되는가 하는 의문이 쉽게 들 수 있습니다. 컨트랙트 코드를 실행하는 프로세스는 상태 전환 함수 정의의 한 부분이고, 이것은 블록 검증 알고리즘의 부분이므로, 트랜잭션이 블록 B에 포함되면 그 트랜잭션에 의해 발생할 코드의 실행은 블록 B를 다운로드 하고 검증하는 모든 노드들에 의해 실행됩니다.
엉클블록
동시에 블록이 생성되어 전파되는경우 블록의 유효성 검증은 통과되었지만, 블록의 난이도가 상대적으로 낮아 블록으로 채택되지못한 블록을 엉클블록이라고 합니다. 엉클블록이 많아지만 다음과 같은 문제가 발생합니다.
- 엉클블록에 포함된 트랜잭션은 처리가 되지않기 때문에 트랜잭션처리의 지연문제가 발생
- 엉클블록은 체인에 연결되지않기 때문에 엉클블록을 발견하는데 사용된 컴퓨팅파워가 낭비되는 문제가 발생
- 엉클블록이 생성된 후 다음 블록이 생성되면 평균 블록 생성시간이 늘어나 블록생성 난이도가 낮아지기 때문에 네트워크 보안수준을 떨어뜨리게 됨
이더리움은 이러한 문제를 고스트 알고리즘을 사용하여 해결하였습니다. 고스트 알고리즘은 다음 번에 설명하겠습니다.