블록체인이란 무엇인가 — 아무도 관리하지 않는 장부가 성립하는 이유

어제 적은 줄을 오늘 고치면

남의 컴퓨터에 몰래 들어온 사람에게는 들어온 다음에 할 일이 하나 더 있습니다. 자기가 들어왔다는 흔적을 지우는 일입니다. 공격자들은 침입한 뒤에 으레 시스템이 남긴 기록에서 자기 발자국을 덮습니다. 사건을 조사하는 사람의 일을 어렵게 만들려는 것입니다 (DOI: 10.14722/ndss.2020.24065).

그 기록은 침입당한 바로 그 기계 안에 있습니다. 기계 안까지 들어온 사람은 기록에도 손을 댈 수 있습니다. 무슨 일이 있었는지 알려 줄 물건이, 그 일을 숨기고 싶은 사람의 손이 닿는 곳에 놓여 있습니다.

컴퓨터 밖에서도 모양은 같습니다. 창고의 재고 공책을 창고지기 혼자 쓰고 혼자 보관한다고 해 보겠습니다. 물건이 하나 비어도, 창고지기가 어제 적은 줄을 오늘 고쳐 놓으면 공책은 아무 일도 없었던 것처럼 보입니다. 우리 눈앞에 오는 것은 오늘의 공책뿐이고, 어제의 공책이 어땠는지는 창고지기만 압니다.

은행 잔고도 등기부도 성적표도 이렇게 기록을 맡아 두는 곳이 있어서 굴러갑니다. 맡은 곳이 정직한 동안에는 이 방식으로 충분합니다. 어려움은 그 정직이 어긋난 순간을 바깥에서 알아챌 길이 없다는 데 있습니다.

여기서 물음이 하나 나옵니다. 맡아 두는 곳이 아예 없는데도, 누구도 몰래 고치거나 지울 수 없는 기록을 만들 수 있는가. 이 물음에 나와 있는 답 하나가 이 글의 제목인 블록체인입니다. 그 답은 세 조각으로 되어 있습니다. 고치면 표가 나게 하는 봉인, 누가 적었는지 밝히는 열쇠, 무엇이 진짜 기록인지 여럿이 정하는 증인입니다. 세 조각 모두 공책 한 권 위에서 설명합니다.

고치면 티가 나는 공책

흔적 지우기를 막는 대신 드러나게 만드는 기록 장치가 있습니다. 이 장치 앞에서 침입자는 둘 중 하나를 골라야 합니다. 기록을 건드리지 않고 조용히 있으면 그 기록이 수사에 쓰입니다. 기록을 지우면 지웠다는 사실이 탐지됩니다 (실제 공격 시나리오 하나에 놓고 확인한 사례 연구, DOI: 10.14722/ndss.2020.24065).

이 장치가 가진 성질에는 이름이 있습니다. 변조 탐지(tamper-evidence)는 고치는 것을 막지는 못하지만 고친 사실이 드러나게 하는 성질입니다. 공책에서는 봉인이 이 일을 맡습니다. 봉인은 뜯는 손을 막지 못하고, 뜯긴 흔적을 남깁니다.

이 글이 다루는 공책에도 이름이 있습니다. 장부(ledger)는 누가 무엇을 언제 했는지를 일어난 순서대로 적어 둔 기록입니다. 통장의 거래 내역이 장부이고, 창고의 재고 공책도 장부입니다.

봉인은 해시로 만듭니다. 해시는 아무리 긴 글이든 정해진 길이의 짧은 값 하나로 줄여 놓은 것입니다. 같은 글을 넣으면 늘 같은 값이 나오고, 글자 하나만 바뀌어도 다른 값이 나옵니다. 해시는 암호학에서 가장 중요한 도구의 하나로 꼽힙니다. 글이 진본인지 확인하는 일, 디지털 서명(digital signature), 그리고 어떤 글이 어느 시각에 이미 있었음을 증명하는 전자 시각 증명에 쓰입니다 (DOI: 10.26483/ijarcs.v11i2.6508). 이 글에서는 해시로 찍은 값을 봉인값이라고 부릅니다.

봉인이 되려면 하나가 더 필요합니다. 글을 고쳐 놓고도 같은 봉인값이 나오게 만드는 일이 터무니없이 어려워야 합니다. 그래야 값이 그대로라는 사실이 글도 그대로라는 뜻이 됩니다. 이 어려움은 계속 시험받습니다. 2020년의 한 정리는 해시를 겨눈 새 공격이 거의 매일 나와서 해시의 안전이 중요한 주제가 됐다고 적고, 특정 해시들을 겨눈 공격을 분석합니다 (DOI: 10.26483/ijarcs.v11i2.6508). 해시가 봉인 노릇을 하는 것은 그 어려움을 아직 아무도 넘지 못한 동안입니다.

줄마다 봉인을 하나씩 붙이는 것으로는 모자랍니다. 줄 하나를 통째로 들어내면서 그 줄의 봉인도 같이 들어내면 흔적이 남지 않습니다. 그래서 봉인을 앞뒤로 잇습니다.

블록은 한 묶음의 기록을 그 앞 묶음의 봉인값과 함께 담아 둔 한 칸입니다. 공책으로 치면 한 쪽이고, 그 쪽 맨 위에 앞 쪽 전체의 봉인값이 적혀 있습니다. 사슬(chain)은 칸마다 앞 칸의 봉인값을 품고 있어서 맨 처음까지 되짚어 갈 수 있게 이어진 줄입니다.

가운데 한 쪽의 글자 하나를 고치면 그 쪽의 봉인값이 달라집니다. 그러면 그 값을 맨 위에 적어 둔 다음 쪽과 맞지 않게 됩니다. 다음 쪽 맨 위의 값을 새 값으로 고쳐 적으면, 이번에는 다음 쪽의 봉인값이 달라집니다. 봉인값은 맨 위에 적힌 앞 쪽의 봉인값까지 포함해 쪽 전체로 찍기 때문입니다. 이렇게 어긋남이 끝 쪽까지 차례로 번집니다. 한 줄을 티 나지 않게 고치려면 그 뒤에 붙은 쪽을 전부 다시 봉인해야 합니다.

이렇게 이어 붙이면 순서도 남습니다. 어느 쪽이든 앞 쪽의 봉인값을 품고 있으니, 앞 쪽이 다 쓰인 뒤에야 만들어질 수 있습니다. 전자 시각 증명도 잘 알려진 방식들은 같은 원리 위에 서 있습니다. 시각을 찍어 달라는 요청들을 서로 이어 붙여서, 무엇이 먼저였는지라는 상대적인 순서를 남깁니다 (DOI: 10.1109/icc.2006.255122). 다만 사슬이 남기는 것은 이미 들어간 줄들의 앞뒤입니다. 서로 엇갈리는 두 줄이 들어오려 할 때 어느 쪽을 넣을지는 사슬이 정하지 않습니다.

블록을 사슬로 엮은 장부가 블록체인의 뼈대입니다. 2017년의 한 서베이는 블록체인을 여러 곳에 나뉘어 있고, 누구나 들여다볼 수 있고, 고칠 수 없는 장부로 정의합니다. 그리고 여럿이 한 답을 정하는 규칙을 그 핵심에 둡니다 (DOI: 10.1109/icaccs.2017.8014672). 서베이의 낱말은 「고칠 수 없다」이지만, 이 글은 그것을 「몰래는 고칠 수 없다」로 읽습니다. 봉인만으로 이 공책이 보장하는 것은, 뒤늦게 고치면 표가 난다는 데까지입니다. 여러 곳이 나눠 드는 일과 한 답을 정하는 규칙은 셋째 조각인 증인이 맡습니다.

누가 적었는지와 무엇이 먼저인지

공책에 이런 줄이 들어옵니다. 「내 몫 10을 가에게 넘긴다.」 봉인은 이 줄이 나중에 바뀌지 않았다는 것까지 말해 줍니다. 이 줄을 누가 적었는지는 봉인이 말하지 않습니다.

그 자리는 앞 편 「열쇠와 자물쇠」에서 다룬 디지털 서명이 맡습니다. 디지털 서명은 개인키(private key)를 쥔 사람만 만들 수 있고, 짝이 되는 공개키(public key)만 있으면 누구나 확인할 수 있는 표식입니다. 개인키는 주인만 아는 비밀 열쇠이고, 공개키는 그 짝으로 모두에게 내놓는 열쇠입니다. 줄마다 이 서명을 붙이면, 누가 그 줄을 적었는지는 공책을 든 사람 누구나 확인할 수 있습니다.

서명으로 풀리지 않는 일이 하나 남습니다. 같은 사람이 공책에 둘째 줄을 보냅니다. 「같은 10을 나 자신에게 넘긴다.」 두 줄 모두 내 개인키로 서명했으니 두 서명은 모두 진짜이고, 확인하는 쪽에서는 둘 다 통과합니다.

이중지불(double-spending)은 같은 것을 두 번 쓰는 일입니다. 지폐는 건네는 순간 내 손을 떠나지만, 디지털 돈은 글자로 된 기록이라 같은 줄을 다른 상대에게도 얼마든지 보낼 수 있습니다. 여럿이 함께 돌리는 체계에서는 서로 다른 상대에게 서로 엇갈리는 말을 하는 일이 생기고, 비트코인의 이중지불은 그 특수한 경우입니다. 엇갈리는 말을 한 쪽이 돈을 잃게 만드는 계약으로, 이중지불한 쪽에게 나중에 벌칙을 물리는 결제 방식도 제안돼 있습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813686).

남는 물음은 순서입니다. 먼저 적힌 줄만 인정하고 뒤에 온 엇갈리는 줄을 거절하면, 같은 몫은 한 번만 쓰입니다. 그러려면 공책을 든 모두가 두 줄 가운데 어느 것이 먼저였는지에 같은 답을 들고 있어야 합니다. 비트코인의 공개 장부인 블록체인이 모든 거래를 빠짐없이 담는 것도 이중지불을 막고 기록의 온전함을 지키기 위해서입니다 (DOI: 10.1109/comst.2018.2818623).

서명은 누가 적었는지에 답하고, 무엇이 먼저였는지는 세 번째 조각에 넘깁니다.

여럿이 같은 공책을 들고

맡는 한 곳을 없애면 공책은 여러 곳에 있어야 합니다. 한 곳이 불타도 나머지가 들고 있고, 한 곳이 어제 쪽을 고쳐도 나머지 사본과 대 보면 드러납니다.

노드는 그 장부의 사본 하나를 통째로 들고서 다른 참여자와 주고받는 컴퓨터 한 대입니다. 이 글에서 증인이라고 부르는 것이 노드입니다.

사본이 여럿이면 사본끼리 어긋날 수 있고, 누가 옳은지 판정할 심판은 없습니다. 합의(consensus)는 서로를 특별히 믿지 않는 여럿이 지금 장부에 무엇이 적혀 있는가에 하나의 답을 정하는 일입니다. 블록체인은 서로를 완전히 믿지 않는 이들이 한 장부를 함께 유지하게 하는 장치입니다. 그들은 장부에 무엇이 있는지, 그 값이 얼마인지, 그 값이 어떤 이력을 거쳐 왔는지에 동의합니다 (DOI: 10.1109/tkde.2017.2781227). 공책으로 말하면 누가 지금 얼마를 가졌고, 그 몫이 어떤 줄들을 거쳐 왔는지에 모두가 같은 답을 듭니다. 판정은 심판 대신 모두가 따르는 규칙이 합니다.

증인의 머릿수로 다수결을 하면 틈이 생깁니다. 컴퓨터 한 대가 이름을 얼마든지 새로 만들 수 있기 때문입니다. 시빌 공격(Sybil attack)은 가짜 신원을 대량으로 만들어 머릿수를 부풀리는 공격입니다. 2021년의 한 위험 분석은 시빌 공격과 이중지불을 블록체인에서 가장 우려되는 두 보안 위험으로 꼽습니다 (DOI: 10.1109/access.2021.3081998).

작업증명(proof of work, PoW)은 다음 칸을 사슬에 붙이려면 많은 계산을 먼저 치르게 하는 방식입니다. 치르는 계산은 봉인을 맞히는 계산입니다. 다음 쪽의 봉인값이 미리 정해 둔 조건에 맞을 때까지, 쪽의 내용을 조금씩 바꿔 가며 봉인을 되풀이해 찍습니다. 어떤 내용이 맞는 값을 낼지는 미리 알 수 없어서, 맞을 때까지 찍어 보는 수밖에 없습니다.

그래서 증인의 무게를 머릿수 대신 치른 계산의 양으로 셉니다. 신원은 공짜로 늘릴 수 있어도 계산은 공짜로 늘릴 수 없습니다. 비트코인의 핵심 기술도 블록체인과, 해시에 기반한 작업증명으로 거래 기록을 서로 맞추고 이중지불을 막는 데 있습니다 (DOI: 10.48550/arxiv.1402.2009, 프리프린트).

그렇다고 가짜 신원이 쓸모없어지지는 않습니다. 증인들은 다음 쪽을 누가 먼저 봉인하느냐를 두고 겨룹니다. 2019년의 한 공격 모형 분석은 이 겨룸에서 틈을 찾습니다. 이중지불은 막대한 계산력 없이는 성공시키기 어렵습니다. 그런데 가짜 신원을 대량으로 세워 새 칸이 퍼지는 것을 늦추면, 공격자가 다음 칸을 붙이는 경쟁에서 이길 확률이 올라가 이중지불에 성공할 수 있습니다. 분석은 그 성공 확률과, 공격이 수지가 맞기 시작하는 지점도 따집니다 (DOI: 10.1109/tii.2019.2921566).

계산을 치르는 쪽은 보상을 받고, 그 보상의 대가로 장부를 정직하게 유지하리라 기대됩니다. 비트코인의 안전은 이렇게 보상이 정직과 같은 쪽을 보도록 맞춰진, 작업증명에 기반한 합의 규약에 크게 기대고 있습니다 (DOI: 10.1109/comst.2018.2842460).

그 보상이 무엇인지, 계산을 치르는 쪽이 왜 그 값을 치르는지, 그 값이 얼마인지는 다음 편 「장부에 한 줄 적을 권리」가 다룹니다. 이 공책에서 증인의 무게는 치른 계산의 양으로 잽니다.

되돌려지지 않는다는 말은 확률입니다

공책 한 권이 어느 쪽 뒤에서 두 권으로 갈라질 수 있습니다. 포크는 사슬이 어느 칸 뒤에서 두 갈래로 갈라지는 것입니다. 두 증인이 거의 같은 때에 다음 쪽을 봉인하면 공격이 없어도 생기고, 누군가 일부러 만들 수도 있습니다. 갈라진 자리까지는 두 갈래가 똑같고, 그 뒤로 서로 다른 쪽이 붙습니다. 작업증명을 쓰는 공책에서 증인들은 갈래가 둘로 나뉘면 치른 계산이 더 많이 쌓인 갈래를 따릅니다. 두 갈래 가운데 하나가 버려지면, 버려진 쪽에 적혀 있던 줄도 없던 일이 됩니다.

이 갈라짐을 노리는 공격이 있습니다. 공격자의 갈래가 이기려면, 정직한 증인 모두가 원래 갈래에 쪽을 붙이는 것보다 빨리 자기 갈래에 쪽을 붙여야 합니다. 그래서 망 전체 계산력의 절반을 넘게 쥔 쪽은 사슬을 갈라 이중지불을 할 수 있습니다. 같은 몫을 두 번 쓰고, 거래를 막고, 이미 붙은 칸을 취소할 수 있습니다 (DOI: 10.3390/app9091788). 계산력이 절반 넘게 한 손에 모이면, 그 한 손은 증인들이 지켜 온 쪽을 다시 쓸 수 있습니다.

2019년의 한 분석은 이 공격의 두 얼굴을 함께 적습니다. 드는 비용이 막대해서 오랫동안 매우 일어나기 어려운 일로 여겨졌습니다. 그러나 그 분석이 나올 무렵에는 잦은 빈도로 실제로 벌어져 여러 암호화폐에 수백만 달러의 손실을 입혔습니다. 계산력이 낮은 암호화폐는 그 계산력을 쉽게 구할 수 있어 늘 이 공격에 위태롭습니다 (DOI: 10.3390/app9091788).

막는 쪽의 사정도 같은 분석에 있습니다. 저자들은 가장 앞선 보호 기법 다섯 가지를 검토하고, 대부분의 경우 이 기법들이 실질적인 보호를 주지 못한다고 결론짓습니다. 약점이 합의 규약 자체에서 물려받은 것이기 때문입니다 (DOI: 10.3390/app9091788).

확정성(finality)은 한 번 적힌 기록이 이제는 되돌려지지 않는다고 볼 수 있는 상태입니다. 받는 쪽에게는 물건을 언제 건네도 되느냐는 물음이 곧 이 물음입니다.

그 답은 확률로 나옵니다. 내 줄이 담긴 쪽 뒤로 쪽이 더 붙을수록, 그 줄을 지우려는 갈래가 따라잡아야 할 쪽도 늘어납니다. 그래서 오래 기다릴수록 되돌려질 확률은 줄지만, 완전히 없어지지는 않습니다. 이 확률을 두고 2014년의 한 프리프린트는, 이 체계가 질적으로는 잘 이해돼 있지만 양적인 면에는 널리 퍼진 혼동이 있다고 보고 전형적인 공격의 성공 확률을 따집니다 (DOI: 10.48550/arxiv.1402.2009, 프리프린트). 이중지불 공격이 성공할 확률은 계산할 수 있습니다. 그 결과는 이중지불 시도의 위험과 거래를 받아들이기 전의 대기 시간 사이에서 무엇을 맞바꿀지 정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 같은 계산은 계산을 치르는 쪽이 제 몫을 늘릴 전략을 세우는 데에도 쓰일 수 있습니다 (DOI: 10.1109/jiot.2020.3004273).

기다리는 시간은 짧지 않았습니다. 2012년의 한 분석에서 비트코인의 결제 검증 방식은 이중지불을 막도록 설계됐지만, 거래 하나를 검증하는 데 수십 분이 걸렸습니다. 물건과 돈이 몇 초 만에 오가는 빠른 결제에는 맞지 않았다는 뜻입니다. 당시 구현에는 이중지불을 잡아낼 적절한 탐지 기법이 들어가 있지 않았고, 그대로라면 빠른 결제에서 이중지불 공격은 압도적인 확률로 성공했고 비용도 낮았습니다 (DOI: 10.1145/2382196.2382292).

같은 분석의 뒷부분도 있습니다. 저자들은 당시 개발자들이 권고한 대책이 이중지불을 늘 잡아내지는 못한다는 것을 보였고, 그 권고가 앞으로 구현에 들어가더라도 공격이 여전히 가능하다고 적었습니다. 그리고 빠른 결제에서 이중지불의 탐지를 보장하는 수정안을 직접 제안하고 구현했습니다 (DOI: 10.1145/2382196.2382292).

되돌려지지 않는다는 성질은 기다리는 시간과 맞바꾸는 확률이고, 그 확률은 계산력이 절반 넘게 한 손에 모이지 않았다는 조건 위에 서 있습니다.

봉인이 보증하지 않는 것과 치르는 값

비트코인은 처리량이 낮고 거래 지연이 길다는 성능 문제에 부딪혔습니다. 정해진 시간에 처리하는 거래가 적고, 거래를 보낸 뒤 장부에 들어가기까지 오래 걸린다는 뜻입니다. 작업증명에 기반한 다른 암호화폐들도 같은 결함을 물려받았습니다. 쓰는 사람이 늘어도 이 성능을 지킬 수 있느냐가 확장성 문제이고, 이를 풀려는 해법도 여럿 나와 한 서베이가 장치의 어느 층을 고치느냐에 따라 나눠 정리합니다 (DOI: 10.1109/access.2020.2967218).

참여자를 미리 확인된 사람들로 제한한 블록체인도 산업 현장에 나타나고 있습니다. 2021년의 그 위험 분석은 이런 체계가 블록체인의 수용을 가로막는 보안·구현 과제들을 어떻게 다루는지 논의합니다 (DOI: 10.1109/access.2021.3081998). 참여자를 확인하는 일은 누군가 맡아야 하니, 그만큼 맡아 두는 곳이 다시 생깁니다.

성능에서도 값이 큽니다. 데이터베이스는 한 곳이 맡아 관리하는 보통의 전산 기록 시스템입니다. 참여자를 확인해 둔 블록체인 세 가지를 데이터 처리 부하로 견준 결과, 블록체인과 데이터베이스 사이에는 큰 성능 격차가 있었습니다. 설계를 어떻게 하느냐에 따라 얻는 것과 잃는 것도 엇갈렸고, 데이터베이스의 설계 원칙을 빌려 그 격차를 좁히려는 연구 방향도 논의되고 있습니다 (DOI: 10.1109/tkde.2017.2781227).

잇는 방식 자체에도 값이 붙습니다. 시각 증명 쪽에서는 요청을 이어 붙이는 방식에 결점이 셋 있습니다. 요청이 많아지면 잘 확장되지 않고, 시각을 굵은 눈금으로만 매기며, 지연이 큽니다. 그래서 그 결점을 넘는 다른 방식이 제안되기도 했습니다 (DOI: 10.1109/icc.2006.255122). 작업증명이 치르는 계산이 얼마만큼의 값인지는 다음 편의 몫입니다.

값과 별개로, 이 장치가 처음부터 보증하지 않는 것이 있습니다. 운영관리 쪽의 2019년 정리는 강점 다섯과 그에 대응하는 약점 다섯을 나란히 놓습니다. 강점은 가시성, 집계, 검증, 자동화, 복원력입니다. 약점은 사생활 부재, 표준 부재, 쓰레기를 넣으면 쓰레기가 나오는 것, 블랙박스 효과, 비효율입니다 (DOI: 10.1287/msom.2018.0752).

세 번째 약점이 봉인의 한계를 말합니다. 처음에 틀린 것을 넣으면 틀린 것이 그대로 나옵니다. 봉인은 적힌 내용이 사실인지를 보증하지 않습니다. 거짓을 적어 봉인하면, 고치는 값이 똑같이 비싼 거짓이 됩니다.

이 한계는 회계에서 뚜렷하게 드러납니다. 블록체인 위의 디지털 화폐는 그 장부 안에만 존재합니다. 반면 회계가 다루는 경제적 거래는 회계 기록 바깥에서 일어납니다. 2017년의 한 회계 분석은 이 차이 때문에 받아들일 만한 수준의 거래 검증이 되지 않는다고 봅니다. 그래서 블록체인이 중앙 없는 디지털 화폐 망은 성공적으로 만들어 냈어도, 지금의 회계 장부보다 안전한 대안이 되는 것은 실현 가능하지 않다고 답합니다. 저자들은 블록체인을 겉보기에 고칠 수 없게 만들어 주는 이점들도 회계 환경에서는 온전히 쓸 수 없거나 믿을 수 없다고 적습니다 (DOI: 10.2308/jeta-51910).

모든 줄이 모든 증인에게 보인다는 것도 값입니다. 비트코인은 실명 대신 가명을 써서 익명을 준다고 여겨지지만, 모든 거래가 공개되는 가장 투명한 결제망 가운데 하나입니다. 장부의 데이터로 돈의 흐름을 관찰하고 사용자의 활동을 좇을 수 있고, 바깥 데이터와 합치면 신원이 드러날 수 있습니다. 익명성과 사생활을 높이려는 확장과 대안도 여럿 제안돼 있습니다 (DOI: 10.1109/comst.2018.2818623).

2017년에 정부 업무에 이 기술을 쓰는 문제를 검토한 연구진은 문헌이 내세우는 이득이 과장돼 있다고 보고 비판적으로 평가합니다. 이들은 기술을 먼저 들이고 쓸 데를 찾는 방식에서, 업무에 필요한 것에 맞춰 기술을 고르는 방식으로 옮겨 갈 것을 호소합니다. 그리고 이 장치를 누가 어떤 규칙으로 운영하고 책임지는지, 곧 건전한 거버넌스 모형을 갖추는 것이 이득을 실현하는 조건이었다고 적습니다 (DOI: 10.1016/j.giq.2017.09.007).

믿을 만한 곳이 이미 기록을 맡고 있고 그 믿음을 확인할 길도 있다면, 데이터베이스보다 느린 이 장치를 따로 들일 까닭은 약합니다. 이 장치를 대 볼 만한 자리가 있다면 믿을 곳이 아예 없거나, 믿을 곳이 있어도 그 믿음을 확인할 길이 없는 자리입니다. 그런 자리에서도 2017년의 그 정부 검토는 필요에 맞춘 설계와 건전한 거버넌스를 이득의 조건으로 적습니다 (DOI: 10.1016/j.giq.2017.09.007).

「열쇠와 자물쇠」가 남긴 물음이 하나 있습니다. 웹사이트가 진짜임을 보증하는 이름표인 인증서(certificate)를 발급한 곳, 곧 인증기관(certificate authority, CA)은 누가 지키는가입니다. 이 물음도 이 장치를 대 본 자리의 하나입니다. 2020년의 한 제안 논문은 최근의 보안 사고들이 인증기관이 공격당해서든 스스로든 부정한 인증서에 서명할 수 있음을 보여 준다고 적습니다. 그래서 인증서와 그 폐기(revocation) 상태를 공개된 블록체인에 올려 인증기관의 절대적인 권한을 견제하자고 합니다 (DOI: 10.1109/tdsc.2020.2983022).

이 제안에서 그 장부는 인증기관의 서명과 폐기를 감시하는, 덧붙이기만 되는 공개 기록 노릇을 합니다. 브라우저는 받은 인증서가 그 장부에 올라 있고 폐기되지 않았을 때만 받아들이게 됩니다. 저자들은 이 방식이 인증서의 보안 보장을 크게 강화한다고 주장하고, 시제품의 추가 부담은 감당할 만한 수준이었다고 보고합니다 (DOI: 10.1109/tdsc.2020.2983022). 「열쇠와 자물쇠」가 적었듯 이 물음에는 한 가지 답만 있지 않고, 이 제안은 그 답들 가운데 하나입니다. 블록체인 없이 모든 발급을 누구나 볼 수 있는 기록에 적게 한 다른 길은 「주소창의 자물쇠는 무엇을 보증하나」가 다룹니다.

공책에 한 줄이 들어가 굳기까지

이제 공책에 한 줄을 적어 보겠습니다.

「내 몫 10을 가에게 넘긴다.」 나는 이 줄에 내 개인키로 서명해 증인들에게 보냅니다. 증인들은 내 공개키로 그 서명을 확인합니다. 이 줄을 누가 적었는지는 여기서 정해집니다.

이 줄은 아직 공책의 어느 쪽에도 들어가 있지 않습니다. 증인 가운데 하나가 봉인을 맞히는 계산을 치러 다음 쪽을 만들고, 그 쪽에 이 줄을 담고, 쪽 맨 위에 앞 쪽의 봉인값을 적습니다. 다른 증인들은 그 쪽을 받아 자기 사본에 붙입니다.

가에게 남은 물음은 물건을 언제 건네느냐입니다. 이중지불의 위험과 기다리는 시간 사이에는 맞바꿈이 있고, 앞에서 본 확률 계산은 받는 사람이 그 맞바꿈을 정하는 데 도움이 될 수 있습니다 (DOI: 10.1109/jiot.2020.3004273). 2012년의 분석에서는 검증에 수십 분이 걸렸습니다. 적절한 탐지 기법이 없는 채로 몇 초 만에 물건을 건네는 자리에서는 이중지불이 압도적인 확률로 성공했습니다 (DOI: 10.1145/2382196.2382292).

다음 날, 누군가 어제 쪽의 이 줄을 「같은 10을 나 자신에게 넘긴다」로 고치려 한다고 해 보겠습니다. 그 쪽의 글자가 바뀌면 그 쪽의 봉인값이 달라지고, 그 값을 적어 둔 다음 쪽부터 끝까지가 모두 어긋납니다. 증인들이 든 사본과 대 보면 어느 쪽이 고쳐졌는지 드러납니다. 봉인이 하는 일은 여기까지입니다.

고친 쪽과 그 뒤의 쪽들은 봉인을 새로 맞혀야 다시 사슬이 됩니다. 그사이에도 정직한 증인들은 원래 갈래 끝에 새 쪽을 계속 붙이므로, 고친 갈래가 앞서려면 그들 모두보다 빨리 계산해야 합니다. 증인들은 치른 계산이 더 많이 쌓인 갈래를 따르고, 망 전체 계산력의 절반을 넘게 쥔 쪽은 사슬을 갈라 이중지불을 할 수 있습니다 (DOI: 10.3390/app9091788). 고친 갈래가 남고 원래 갈래가 버려지면, 가에게 넘어간 10은 없던 일이 됩니다. 이 공격은 비용이 막대해 오랫동안 매우 일어나기 어려운 일로 여겨졌습니다. 다만 망 전체의 계산력이 낮은 암호화폐는 그 계산력을 쉽게 구할 수 있어 늘 위태롭고, 2019년의 그 분석은 앞선 보호 기법 다섯이 대부분의 경우 실질적인 보호를 주지 못한다고 결론짓습니다 (DOI: 10.3390/app9091788).

그리고 이 공책이 지키는 것은 적힌 줄입니다. 가가 건넨 물건처럼 공책 바깥에서 일어난 일은 공책 안에서 확인되지 않습니다 (DOI: 10.2308/jeta-51910).

이 한 줄을 지킨 것은 봉인과 서명과 증인의 계산이었습니다. 그 지킴은 계산력이 절반 넘게 한 손에 모이지 않았고, 가가 기다리는 시간과 위험을 맞바꿔 골랐다는 조건 위에 있었습니다. 「열쇠와 자물쇠」는 자물쇠를 두고 이렇게 적었습니다. 여는 값이 아직 아무도 치를 수 없을 만큼 비싸게 만들어졌을 뿐, 열 수 없다고 증명된 것은 아닙니다. 그 값이 싸지면 잠금도 함께 약해집니다. 이 공책도 고치는 값이 비싸게 만들어졌을 뿐이고, 고칠 수 없다고 증명된 것은 아닙니다. 다른 점은 이 공책의 값이 실제로 싸진 적이 있다는 것입니다. 그 값은 과반의 계산력을 얼마나 쉽게 모을 수 있느냐에 달려 있고, 망 전체의 계산력이 낮은 암호화폐에서는 과반을 쉽게 구할 수 있어 늘 이 공격에 위태롭습니다 (DOI: 10.3390/app9091788).

남는 물음은 이 공책에 다음 쪽을 적을 차례를 누가, 무엇을 치르고 가져가느냐입니다. 다음 편 「장부에 한 줄 적을 권리」가 그 물음을 맡습니다.

어디를 더 볼까

증인 가운데 거짓말하는 쪽이 몇까지 섞여도 한 답에 이를 수 있는지는 이 글이 다루지 않았습니다. 신뢰 없이 합의하기 — 서로 못 믿는 참여자들이 하나의 장부에 동의하는 법이 그 자리를 통째로 맡습니다.

증인이 실제로 흩어져 있는지, 계산력이 어디에 모여 있는지는 블록체인은 정말 탈중앙인가 — 채굴 풀에서 MEV까지, 권력이 다시 모이는 자리가 재 봅니다.

고칠 수 없는 장부로 투표를 하자는 제안은 블록체인으로 투표하면 조작할 수 없지 않나 — 확인할 수 있게 하되, 아무에게도 증명할 수 없게가 선거의 요구조건과 하나씩 맞춰 봅니다.

이름표를 발급한 곳을 지키는 다른 길, 모든 발급을 누구나 볼 수 있는 기록에 적게 한 결정은 주소창의 자물쇠는 무엇을 보증하나 — '믿을 기관'을 고르는 대신, 모든 발급을 공개 장부에 적기로 한 웹에 있습니다.

근거 논문

프리프린트는 본문에서 등급을 표기했다.

• "Custos: Practical Tamper-Evident Auditing of Operating Systems Using Trusted Execution" (2020) — DOI: 10.14722/ndss.2020.24065 — 침입 후 공격자는 으레 시스템 로그에서 흔적을 지운다. 변조가 드러나는 로깅과 탈중앙 감사 프로토콜로, 실제 APT 공격 시나리오 사례 연구에서 공격자를 숨거나(로그 보존) 지우고 탐지되거나의 「진퇴양난」으로 몬다.
• "Cryptographic Hash Functions and Attacks – A Detailed Study" (2020) — DOI: 10.26483/ijarcs.v11i2.6508 — 해시 함수는 임의 길이 입력을 고정 길이 문자열로 압축한다. 암호학의 가장 중요한 도구의 하나로 진본성·서명·타임스탬프에 쓰이며, 거의 매일 새 공격에 부딪혀 안전성이 중요한 주제가 됐다. 공격 분류와 특정 해시 공격 분석.
• "A Scalable and Intrusion-tolerant Digital Time-stamping System" (2006) — DOI: 10.1109/icc.2006.255122 — 잘 알려진 타임스탬프 시스템은 요청을 이어 붙여 상대적 시간 순서를 주는 이음 방식에 기반하나, 대량 요청에 잘 확장되지 않고 알갱이가 굵고 지연이 크다. 실시간 타임스탬프 기반의 다른 방식을 제안.
• "Survey of consensus protocols on blockchain applications" (2017) — DOI: 10.1109/icaccs.2017.8014672 — 블록체인은 분산되고 투명하며 고칠 수 없는 장부이고, 합의 규약이 그 핵심이다.
• "Liar, Liar, Coins on Fire!" (2015) — DOI: 10.1145/2810103.2813686 — 분산 프로토콜에서 엇갈리는 말(equivocation)을 금전적으로 억제하는 계약. 비트코인의 이중지불은 그 특수한 경우이며, 이중지불한 쪽에 사후 벌칙을 물리는 결제 프로토콜을 설계.
• "A Survey on Anonymity and Privacy in Bitcoin-Like Digital Cash Systems" (2018) — DOI: 10.1109/comst.2018.2818623 — 공개 장부는 이중지불 방지와 무결성을 위해 모든 거래를 담는다. 가명이라 익명으로 인식되지만 가장 투명한 결제망의 하나로, 외부 데이터와 결합하면 신원이 드러날 수 있다. 익명성·사생활 개선 제안들을 정리.
• "Untangling Blockchain: A Data Processing View of Blockchain Systems" (2018) — DOI: 10.1109/tkde.2017.2781227 — 서로 완전히 믿지 않는 당사자들이 전역 상태를 함께 유지하고 그 존재·값·이력에 동의하는 분산 장부. 참여자가 인증되는 프라이빗 블록체인 세 시스템 벤치마크에서 설계 맞바꿈과 데이터베이스와의 큰 성능 격차. 격차를 좁힐 연구 방향 논의.
• "Exploring Sybil and Double-Spending Risks in Blockchain Systems" (2021) — DOI: 10.1109/access.2021.3081998 — 시빌과 이중지불을 가장 우려되는 두 위험으로 보고 위협·취약점·대응을 정리. 수용을 가로막는 보안·구현 과제를 꼽고, 산업 현장에 등장한 허가형 블록체인이 이런 과제를 어떻게 다루는지 논의(효과를 입증하지는 않음).
• "Analysis of Hashrate-Based Double Spending" (2014, 프리프린트) — DOI: 10.48550/arxiv.1402.2009 — 비트코인의 핵심 혁신은 블록체인과 해시 기반 작업증명으로 거래를 동기화하고 이중지불을 막는 것. 질적으로는 이해되나 양적 측면에 널리 퍼진 혼동이 있어, 전형적 공격의 확률 과정과 성공 확률을 분석.
• "A Survey on Security and Privacy Issues of Bitcoin" (2018) — DOI: 10.1109/comst.2018.2842460 — 비트코인은 모든 거래를 분산된 추가 전용 공개 장부에 기록하며, 그 안전은 유인이 맞춰진 작업증명 기반 분산 합의 규약에 크게 기댄다. 참여자는 유인의 대가로 장부를 정직하게 유지하리라 기대된다.
• "Assessing Blockchain Consensus and Security Mechanisms against the 51% Attack" (2019) — DOI: 10.3390/app9091788 — 절반 초과 계산력이면 사슬을 갈라 이중지불·거래 제한·블록 취소가 가능. 막대한 비용으로 오래 희박하다 여겨졌으나 근래 잦게 발생해 수백만 달러 손실. 계산력이 낮은 코인은 늘 위태. 앞선 보호 기법 다섯은 대부분 실질적 보호를 못 준다 — 약점을 합의 규약에서 물려받았기 때문.
• "Bitcoin and Blockchain: Security and Privacy" (2020) — DOI: 10.1109/jiot.2020.3004273 — 이중지불 성공 확률과 공격 수익성 분석. 결과는 이중지불 위험과 거래 수락 전 대기 시간(또는 확신) 사이의 맞바꿈을 정하고, 채굴 쪽의 수익 전략 수립에도 쓸 수 있다.
• "Double-spending fast payments in bitcoin" (2012) — DOI: 10.1145/2382196.2382292 — 검증에 수십 분이 걸려 빠른 결제에 부적합. 적절한 탐지 기법이 없으면 빠른 결제의 이중지불은 압도적 확률로 저비용에 성공. 개발자 권고 대책은 항상 효과적이지 않고 반영돼도 공격은 가능. 탐지를 보장하는 수정안을 제안·구현.
• "Double-Spending With a Sybil Attack in the Bitcoin Decentralized Network" (2019) — DOI: 10.1109/tii.2019.2921566 — 이중지불은 막대한 계산력 없이는 어렵지만, 시빌 공격으로 블록 전파를 늦추면 블록 경쟁에서 이길 확률이 올라가 이중지불이 가능해지는 새 공격 모형. 성공 확률과 공격자의 수지 균형점(break-even)을 분석.
• "Solutions to Scalability of Blockchain: A Survey" (2020) — DOI: 10.1109/access.2020.2967218 — 비트코인의 낮은 처리량과 높은 거래 지연. 작업증명 기반의 다른 암호화폐도 같은 결함을 물려받았다. 확장 해법을 층위별로 분류.
• "OM Forum—Distributed Ledgers and Operations" (2019) — DOI: 10.1287/msom.2018.0752 — 강점 다섯(가시성·집계·검증·자동화·복원력)과 대응하는 약점 다섯(사생활 부재·표준 부재·쓰레기가 들어가면 쓰레기가 나옴·블랙박스 효과·비효율).
• "Can Blockchains Serve an Accounting Purpose?" (2017) — DOI: 10.2308/jeta-51910 — 블록체인은 탈중앙 디지털 화폐 망을 성공적으로 만들었으나, 회계 장부의 더 안전한 대안으로는 실현 가능하지 않다. 디지털 화폐는 장부 안에만 있으나 경제적 거래는 기록 바깥에 있어 거래 검증이 안 되고, 겉보기의 불변성도 회계 환경에서는 온전히 쓸 수 없거나 믿을 수 없다.
• "Blockchain in government" (2017) — DOI: 10.1016/j.giq.2017.09.007 — 문헌의 과장된 이득을 비판적으로 평가. 기술 주도에서 필요 주도로의 전환을 호소하고, 건전한 거버넌스를 이득 실현의 조건으로 확인.
• "Blockchain-Based Certificate Transparency and Revocation Transparency" (2020) — DOI: 10.1109/tdsc.2020.2983022 — 인증기관이 (공격당해) 부정한 인증서에 서명할 수 있다는 최근 사고들을 근거로, 인증서와 폐기 상태를 인증서 블록체인에 올려 인증기관의 절대 권한을 견제하는 제안. 브라우저는 게시되고 폐기되지 않은 인증서만 수락. 시제품의 추가 부담은 합리적 수준.