비트코인의 탄생 배경

기존의 인터넷에서 거래를 하기 위해 제 3의 신용 기관으로부터 원장을 검증하는 방식을 이용하였다. 이러한 방식은 중앙 서버를 통해 원장을 검증하는 방식으로 중앙 서버가 해킹되거나 조작이 될 경우, 이중 지불 문제가 발생할 수 있다.
이러한 이중 지불 문제를 막기 위하여 2009년 사토시 나카모토(Satoshi Nakamoto)의 가명의 프로그래머 또는 집단에 의해 비트코인이 도입되었다.

비트코인은 중앙 서버 네트워크 방식이 아닌 p2p(peer to peer : 개인 간) 네트워크 방식을 통해 이중 지불 문제를 해결하려고 한다. 이를 위해 모든 사람에게 공개된 원장(Public ledger)이 필요하고, 과반수 이상의 원장을 검증하는 노드(참여자)가 시간 순서에 따라 단일 거래 내역으로 수용하는 시스템(타임 스탬프 네트워크)이 필요하다.

 

Figure1. 중앙화 서버 네트워크 방식과 p2p 네트워크 방식

타임 스탬프 네트워크의 작업 증명 방법으로 블록 해시의 결과가 0비트가 되도록 하는 해시 값을 찾을 때까지 블록에 임시값(nonce)를 증가시키는 과정을 구현한다.

 

Figure2. 타임 스탬프

작업 증명에는 SHA-256과 같은 알고리즘으로 다수의 0비트로 시작하는 암호화 해시값을 찾는 과정이 포함된다. 이러한 작업에 필요한 시간은 0비트의 요구 개수에 따라 지수적으로 증가한다.
이러한 타임 스탬프를 통한 확인 메커니즘에 문제가 없어야 거래가 승인되기 때문에 이중 지불을 예방할 수 있다.

비트코인 블록체인 네트워크의 안정성

Figure3. 비트코인 블록체인 네트워크의 안정성

과거의 블록을 수정하기 위해 다수의 부정직한 노드는 해당 블록과 그 이후에 이어진 모든 블록에 대해 작업 증명 과정을 반복하고 나서, 다수의 정직한 노드가 만들 블록보다 더 빨리 만들어야 한다. (항상 가장 긴 체인이 옳은 것으로 간주한다.)

 

Figure4. 비트코인 블록체인에 대한 이중 지불 공격 성공 확률

(Pz는 공격자의 전체 네트워크 대비 연산 능력 비중이 q인 경우, z개의 블록이 추가로 생성된 시점에서 이중 지불에 성공할 확률)
만약 컴퓨팅 파워의 과반수가 다수의 부정직한 노드에 의해 제어된다면, 부정직한 블록이 더 빨리 생겨서 원장이 조작될 수 있다. 다수의 부정직한 노드가 n개의 블록을 따라 잡을 수 있는 확률은 블록 수(n)에 따라 지수적으로 감소하게 된다.

비트코인 전송 프로세스

Figure5. 비트코인 전송 프로세스

1). 새로운 거래 내역을 모든 노드에 알린다.
2). 각 노드는 새로운 거래 내역을 새로운 블록에 추가한다.
3). 해당 블록에 대해 작업 증명 과정을 수행한다.
4). 처음으로 작업 증명을 성공한 노드는 모든 노드에게 해당 블록을 전송한다.
5). 새로운 거래 내역이 이전에 쓰이지 않고 유효한 경우에만 승인한다.
6). 노드는 자신이 승인한 블록의 해시를 이전 해시로 사용하여 해당 블록이 승인되었다는 것을 나타낸다.

비트코인의 채굴

비트코인의 채굴이란 비트코인의 계좌 이체 거래 기록의 집합인 블록을 승인하는 작업이다. 채굴자는 직전 블록의 해시값, 미승인 거래 기록, 논스(nonce)라 불리는 임시값을 입력하여 새로운 블록의 해시값을 계산한다. 해시값이란 해시 함수를 이용해 임의의 데이터로부터 고정된 길이의 난수(전자 지문)를 만들어 내는 방법이다. 채굴자가 많을수록 난이도가 높게 조정된다.

Figure6. 비트코인 채굴 메커니즘

처음으로 작업 증명을 성공한 노드는 한 블록(평균 생성 시간 : 10분) 당 12.5 BTC+거래 수수료를 받을 수 있으며 지금까지 채굴된 비트코인의 양은 1,698만 BTC다. (2018년 4월 15일 기준, 4년 마다 반감기 적용, 금의 채굴량 감소에서 영감)

Figure7. 현재 채굴된 비트코인 양

채굴 보상 12.5 BTC 외에도 거래 수수료가 될 수 있으며, 2,100만 BTC이 채굴이 다 된 후에는 보상은 거래 수수료만으로 이루어진다.
이러한 채굴을 통해 비트코인 블록체인 네트워크의 안정성을 갖추게 한다.
비트코인은 이와 같이 비트코인을 발행하거나 관리하는 중앙 기관이 없고 컴퓨터 알고리즘에 따라서 발행되고 관리된다.

비트코인 블록체인의 저장 공간 재확보

지난 거래 내역이 충분히 많은 블록에 의해 묻히면, 저장 공간 확보를 위해 버려져도 된다. 이를 위해, 머클 트리(Merkle tree) 구조가 되어야 한다. 오래된 블록은 하위 해시를 저장하지 않아 저장 공간 확보를 할 수 있다.

Figure8. 머클 트리

비트코인의 장점

1). 비트코인의 익명성
비트코인 지갑을 통해 공개키(Public key)를 생성할 수 있다. 공개키는 주소라고 불리기도 한다. 쉽게 말하면 은행의 계좌 번호와 비슷한 것이다. 이러한 공개키를 획득하기 위해 어떠한 개인 정보도 요구하지 않는다. 따라서, 비트코인은 익명성을 가질 수 있다. 물론, 거래소를 통해 해당 공개키에 비트코인을 전송한다면 누구인지 파악이 가능하다.
2). 해외 송금 시 빠른 전송 속도와 낮은 수수료
해외 송금 시 기존의 중개 은행을 거치는 방식인 SWIFT망(국제 은행 간 통신 협회, 전 세계 약 200개 국가, 약 1만 1천개의 금융 기관이 매일 SWIFT망을 이용)의 경우, 2~3일 걸리던 송금 시간을 비트코인의 경우 빠르면 10분에서 거래량이 폭증하는 경우 수 시간 내로 단축이 가능하다. 또한, 기존의 경우보다 낮은 수수료로 송금이 가능하다.

비트코인의 한계

1). 높은 가격 변동성
2018년 4월 16일 현재까지 비트코인은 높은 가격 변동성으로 인해 통화로서 활용 가능성이 낮다.

2). 채굴량 감소
채굴량 감소로 인해 시중에 유통되는 비트코인 양이 감소하고 이는 비트코인의 가치를 상승시킬 요인이 된다. 따라서, 사람들은 비트코인 가치의 상승을 기대하고 비트코인을 사용하지 않아 디플레이션 및 금융 경색과 경기 불황이 일어나 실물 경제가 위축될 가능성이 있어 통화로서 활용 가능성이 낮다.
기존의 중앙 은행의 금융에 대한 통제 방식은 시중에 통화를 많이 유통시켜 약한 인플레이션을 유발하여 통화 가치를 떨어뜨린다. 그래서 사람들은 통화 가치 하락에 대한 대책으로 투자를 하게 되는데 이를 통해 시중에 통화가 유입되면서 통화가 순환이 되며 시장이 성장한다. 그래서 기존의 중앙 은행은 반대의 성향을 가진 비트코인을 부정적인 관점으로 보고 있다.

3). 거래소 및 개인 지갑 해킹 문제
비트코인 네트워크 자체는 해킹 가능성이 매우 낮지만, 거래소 및 개인 지갑에 대한 해킹 위험성이 높다.

4). 많은 에너지 자원의 소모
채굴 과정에서 연산을 위해 많은 양의 전기 에너지가 소모되고 있다.

5). 거래 취소가 불가능
이중 지불 방지를 목적으로 설계되었기 때문에 서명된 거래에 대해서 취소가 불가능하다.

6). 확장성 제약
초당 처리 가능한 거래 건 수가 7건이며, 과거의 모든 거래 내역을 포함하는 블록체인이므로 많은 저장 공간(수 십 GB)을 차지한다.

7). 자금 세탁이나 세금 회피 목적으로 악용
익명성이 장점이 될 수 있지만 기업이 자금 세탁이나 세금 회피 목적으로 악용 가능하다.

8). 이견 조정 지연
발행량 및 발행 규칙에 대한 알고리즘에 대한 변경은 참가자간 합의 시 변경이 가능하지만 이해 당사자의 이견을 조정하는 절차가 복잡하다.

9). 프라이빗키(Private key)를 잃어버리는 경우 소유에 대한 증명이 불가능
.프라이빗키를 잃어버리는 경우 비트코인 소유에 대해 영구히 증명이 불가능하다.

10). 노년층의 접근이 어려움
기술적 복잡성으로 인해 노년층의 접근이 어렵다.

비트코인의 거래
프라이빗키를 통해 거래에 전자 서명함으로써 다른 공개키로 이체가 가능하다.

비트코인의 단위
비트코인의 기본 단위로 사토시(satoshi)를 주로 사용하며 1 BTC을 1억분의 1로 한 값이다. 1사토시는 0.00000001 BTC로 나타낼 수 있다.

참고
최초의 블록을 제네시스(Genesis) 블록이라고 한다.

출처
참고 문헌
블록체인(Blockchain)의 현황과 전망, 한국전자정보통신산업진흥회, 2017년 7월
비트코인의 현황 및 시사점, 금융결제국 결제연구팀, 2013년 2월
가상화폐의 이용 현황과 시사점 : Bitcoin과 Linden Dollar 중심으로, 금융결제원 금융결제연구소 결제연구팀, 2013년 7월
블록체인 및 비트코인 보안 기술, 금융보안원 보안연구부 보안기술팀, 2015년 11월
분산원장 기술과 디지털 통화의 현황 및 시사점, 금융결제국 결제연구팀, 2016년 1월
블록체인의 개념과 활용 사례, 우리금융경영연구소 전략연구실, 2016년 5월
가상화폐와 블록체인 시스템의 유용성 제고 방안 연구, 고려대학교 정책대학원 경제정책학과 김정훈, 2016년 6월
블록체인(Blockchain) 기술 동향과 시사점, 과학기술정책연구원, 2017년 7월
Morgen E. Peck, The Future of the Web Looks a lot Bitcoin, IEEE SPECTRUM, 2015년 7월

웹사이트
https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
https://blockchain.info/ko/charts/total-bitcoins