'디지털통화와 비트코인' 세미나 발표 자료 한국전자통신연구원 암호기술연구실 조남수 박사 2013.9.19

1. Bitcoin 기술 분석
소프트웨어연구부문/사이버보안연구단/암호기술연구실
조남수
2013. 12. 19.

2. 전자 화폐 (e-Cash)
David Chaum이 최초 제안
 “Blind signature for untraceable payment”, Crypto 1982
발전 방향
 현실 화폐의 특징과 최대한 유사하게 설계
 익명성 강조
 Off-line 사용
 발행 기관이 제한적
 위조 방지 (이중 사용 방지)
2

3. 이중 사용
문제점
 실물 화폐에 비해 복제가 용이함
 Off-line 거래에서 이중 사용 방지는 근본적으로 어려움
 사후 추적 기능 제공
 이중 사용 방지를 위해 다양한 암호 기술 적용
 비효율성 증가
011101101111…
011101101111…
011101101111…
…
3

4. Bitcoin
Satoshi Nakamoto 제안
 “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”,
2009
기존 전자 화폐와 차별화
 공개성
 On-line 사용
 발행 및 검증 분산화
4

5. 암호학적 도구
해쉬 함수
 SHA-256, RIPEMD-160
11010 … 011
균일한 길이 난수열 출력
전자 서명
 ECDSA
비밀키
키생성
서명
검증
공개키
5

6. Bitcoin 구성
거래 정보를 모든 사용자에 공개
Bob
Alice
Alice [1BTC]  Bob
broadcast
공유정보
Alice : 17BTC
Bob : 23BTC
…
6

7. Bitcoin 구성
위조 방지를 위한 전자 서명 추가
Bob
Alice
Sig(SKAlice , Alice [1BTC]  Bob)
broadcast
공유정보
Alice : 17BTC
Bob : 23BTC
…
7

8. Bitcoin 구성
익명성 추가
Bob
Alice
Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob)
A1
A2
broadcast
A3
공유정보
A1 : 1BTC
Bob : 23BTC
A2 : 5BTC
A3 : 11BTC
…
8

9. Bitcoin 구성
이중 사용
Bob
Alice
Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob)
A1
Sig(SKA1 , A1 [1BTC]
 Charley) A2
A3
Charley
9

10. Bitcoin 구성
Block Chain을 이용한 transaction confirmation
Bob
Alice
Sig(SKA1 ,1BTC : A1  Bob)
A1
Transaction
fail
Sig(SKA1 ,1BTC : A1
 Charley) A2
…
A3
Bn-2
Bn-1
Bn
Charley
Bn
이중 사용 확인
confirmed
Miner
10

11. Transaction 구조
Transaction = input + output
 하나의 transaction에 다수의 input, output 포함 가능
 output의 총합은 input 총합을 넘을 수 없음
AB
1BTC
BC
1BTC
C  D1
0.6 BTC
C  D2
0.4 BTC
D2 E
0.4 BTC
EF
0.4 BTC
E’  F
0.7 BTC
input
output
Transaction
11
FG
1.1 BTC

12. 이중 사용 확인
신규 transaction의 input을 확인
Tx1(0)
Tx1
코인생성
Tx1(1)
이중 사용 확인
Tx2(0)
Tx2
Tx1(0)
Tx1(1)
Tx5(0)
Tx2(1)
Tx5(1)
Tx4(2)
Tx5(2)
input
output
Tx2(1)
Tx2(1)
Tx1(0)
Tx3(0)
Tx3
Tx2(0)
Tx4(1)
Tx4(0)
Tx4
Tx3(0)
Tx4(0)
Tx4(1)
Tx4(2)
unspent outputs
Tx4(2)
12
Transaction (Tx5)

13. Transaction 서명 및 검증
서명 및 검증
자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto
13

14. Example (Real Transaction)
Hash :
98ead69d1637143d9b548482c20872a230ff657b8c4e5b1bde2ae92b98c62e06
Appeared in Block 275,686 (2013-12-18 19:36:15)
Size : 798 bytes
input
output
자료 : blockexplorer.com
14

15. Example (Transaction Raw Data)
자료 : blockexplorer.com
15

16. Example (Coinbase Transaction)
자료 : blockexplorer.com
16

17. Block Chain 구조
자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto
17

18. Merkle Tree 구조
d1
h(c1||c2)
c1
c2
h(b1||b2)
h(b3||b4)
b4
b1
b2
b3
h(a1||a2)
h(a3||a4)
h(a5||a6)
복제
a1
a2
a3
a4
a5
a6
h(Tx1)
h(Tx2)
h(Tx3)
h(Tx4)
h(Tx5)
h(Tx6)
Tx1
Tx2
Tx3
Tx4
Tx5
Tx6
18
h(a5||a6)

19. Proof of work (hashcash)
Block 생성을 위해 일정량의 계산을 요구
 전체 Block의 256-bit hash값에 대한 조건이 주어짐
0 < hash of Block < Target
 조건을 만족하는 nonce를 찾는 문제
 컴퓨팅 환경 및 사용자 변화와 무관하게 각 block 생성에
걸리는 시간을 일정하게 유지
난이도 조정
 매 2016 block 마다 조정 (1block/10분 = 2016blocks/2주)
new Target = old Target ×
최근 2016 block 생성에 걸린 시간 (초)
2주 (초)
19

20. Mining & Incentives
Mining
 기존 block chain에 새로운 block를 계산하여 추가
 최근 생성된 block이 복수일 경우, miner가 새 block을
추가할 branch 선택
 기존 block에 포함되지 않은 transaction을 선택적으로
포함 (이중 사용 transaction 제외)
Incentives
 각 block은 첫 transaction으로 bitcoin 발행
 최초 50BTC/1block 발행, 매 21만 block마다 반감
(현재 25BTC/1block)
 Block에 포함된 모든 transaction의 verification fees
20

21. Block Example
Block #275,667
자료 : blockexplorer.com
21

22. Genesis Block
자료 : blockexplorer.com
22

23. Fork
(거의) 동시에 두 개의 새로운 Block이 chain에 연결
Bn+1
Bn-2
Bn-1
Bn
B’n+1
각 노드(miner)는 두 block 중 하나를 선택, 새로운 block 연결
 miner의 선택에 따른 branch 사이의 경쟁
Bn+1
B’n+1
Bn-2
Bn-1
Bn+2
Bn+4
B’n+2
Bn+3
Bn
두 branch의 차이가 크게 벌어질 수록 많은 수의 miner가 긴
branch로 이동하고, 최종적으로 짧은 branch는 사라짐
23

24. 이중 사용 방지
가정
 기존 block에서 사용되고 확인된 output을 새로운
transaction에 input으로 사용하는 것은 불가능
 모든 transaction은 block에 추가되어야 거래가 완료
 즉, 이중 사용을 위해서는 동일 output을 포함한
transaction이 서로 다른 branch에 나뉘어 있어야 함
Branch 통합 후
 사라진 branch에 포함된 transaction 중 기존 block chain
에 포함되지 않은 transaction은 새로운 block에서 흡수
 이중 사용 transaction은 새로운 block에서 제외됨
24

25. Transaction 저장
Transaction
 과거의 모든 transaction을 저장하지 않고 사용이 완료된
transaction에 대한 기록은 폐기
 “unspent transaction” 리스트만 관리
 Merkle Tree 축약
Root
Root
c1
c2
b2
b1
a1
a2
a3
Tx1
Tx2
Tx3
spent spent spent
c1
b3
a4
Tx4
a5
b4
a6
a7
b2
b1
a8
Tx5
Tx6
Tx7
Tx8
spent spent spent spent
25
c2
a3
a4
Tx4

26. 알려진 공격들
51% attack
 공격자가 전체 사용자의 51% 이상의 계산 능력을 지님
 공격자는 두 개의 branch를 고의로 생성, 두 개의 branch 중 자신이 원하는
branch를 정당한 block chain으로 남길 수 있음
Race Attack
 정당한 transaction 전송(unicast)함과 동시에 동일 input에 대한 수 백 개의
작은 transaction을 생성하여 여러 사용자에 전송(broadcast)
 많은 사용자들에 전송한 transaction이 정당한 것으로 인정받을 확률이 높음
Finney Attack
 공격자가 Transaction(AA’)을 포함한 block 생성
 동일한 coin으로 Transaction(AB)를 지불
 B가 거래를 인정하면 미리 생성한 block 발표
공격의 대상이 block confirmation까지 거래를 대기하면 방어
가능
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27. Q&A
Thank You
27