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[Ethereum - White Paper] 이더리움 백서 기준 개념 정리

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Published: 13 Oct 2018 › Updated: 13 Oct 2018[Ethereum - White Paper] 이더리움 백서 기준 개념 정리

[Ethereum - White Paper] 이더리움 백서 기준 개념 정리

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안녕하세요. 개발자 모도리입니다.
올해 5월쯤 정리했던 내용 묵혀두고 있기 아까워서 올려봅니다 :)

이더리움 개념 정리

목차

  • 이더리움이란?
  • 비탈릭 부테린은?
  • 이더리움 탄생 배경
  • 이더리움의 특징들

이더리움이란?

2015년 비탈릭 부테린이 개발한 2세대 블록체인

Ethereum is a decentralized platform that runs smart contracts: applications that run exactly as programmed without any possibility of downtime, censorship, fraud or third-party interference.

(출처 : http://www.ethereum.org)

스마트 컨트랙트(중단, 검열, 사기 또는 제 3자의 방해 가능성이 전혀 없이 프로그래밍 된 대로 정확히 동작하는 프로그램)가 동작하는 탈중앙화 된 플랫폼.

비탈릭 부테린은?

비탈릭사진

  • 1994년 1월 31일 : 만 24살
  • 러시아에서 태어나 부모님 취직을 위해서 캐나다로 이민가면서 캐나다에 정착
  • 2011년 9월 비트코인 매거진 창간
  • 2013년 이더리움 백서 작성
  • 2014년 월드 테크놀로지 어워드 IT 소프트웨어 부문 수상 (페이스북의 마크 저커버그도 함께 후보에 있었음)
  • 2015년 7월 30일 이더리움 메인넷 런칭
  • 댄싱머신 비탈릭 - EDCON 2018

(출처 : 위키피디아, 한국경제 신문)

이더리움 탄생 배경

스마트 컨트랙트 도입

스마트 컨트랙트란?

비트코인의 문제점 해결

1. 튜링 불완정성 (Lack of Turing-completeness)

비트코인 스크립트로 할 수 있는 작업(서명, 검증 등)이 많긴 하지만 모든 경우의 프로그래밍을 다 지원하지는 않는다. 특히 반복문을 지원하지 않아서 공간 비효율적이다.

  • 반복문이란?
    • 프로그래밍 언어에서 동일한 명령을 반복적으로 실행할 수 있게 해주는 명령어
    • for, while 등이 있다.
    • 반복문 사용 전
    printf("Give me 1 ETH");
printf("Give me 2 ETH");
printf("Give me 3 ETH");
printf("Give me 4 ETH");
printf("Give me 5 ETH");
    • 반복문 사용 후
    for(i=1;i<=5;i++) {
    printf("Give me %d ETH", i);
}
  • 비트코인이 반복문을 사용하지 않았던 이유
    • 코드 실행 시 무한 루프에 빠지는 것을 방지하기 위해서

=> 튜링 완전한 프로그래밍 언어 지원 & Gas Fee 도입

2. 가치의 불투명성(Value-blindness)

코인의 가치를 외부에서 받아와서(오라클 문제) 해당 가치만큼을 분배하려고 할 때, 비트코인의 경우 UTXO에서 일부만 사용이 불가능하다. 일부만 사용하기 위해서는 전체를 input으로 하고 일부를 수신자에게 보내고 나머지를 자신에게 보내는 비효율적인 작업을 해야 한다.
=> 어카운트 개념 도입

3. 상태의 단순성(Lack of state)

비트코인은 애초에 지불 수단으로 개발되었기 때문에, 비트코인을 주고 받는 용도로 밖에 사용할 수 없다. 다른 데이터를 넣을 수 없다. 그리고 UTXO는 사용되었다/사용되지 않았다 라는 두 가지 상태 밖에 표현할 수 없다.

상태를 다양하게 하려던 시도

비트코인의 트랜잭션에 메타 데이터를 넣어서 다른 가치들을 저장하려고 시도

  • 컬러드 코인 - 소개영상
  • 네임 코인
  • 메타 코인
  • 마스터 코인
    컬러드코인
    => 트랜잭션에 잔액 뿐만 아니라 다른 데이터를 넣을 수 있는 공간을 마련
4. 블록체인 해석 불가 (Blockchain-blindness)

비트코인의 트랜잭션에서는 블록체인 내에서 랜덤성을 띄고 있는 값들(논스, 이전 블록의 해시, 타임스탬프)을 불러서 사용할 수 없다. 그래서 비트코인은 지급 결제 기능 외의 랜덤성을 요구하는 도박과 같은 어플리케이션을 만드는게 한계가 있다. 비트코인 스크립트의 한계

=> World States 개념을 도입하고, 블록의 상태를 읽어 올 수 있는 명령어 등을 제공

=> Solidity에서 Block과 Transaction의 정보를 가져올 수 있는 함수를 제공한다.

이더리움의 특징들

어카운트

어카운트란?

=> 가치 불투명성의 해결책 UTXO의 비효율성 해결

  • 모든 트랜잭션의 실행 주체이자 기본 단위로서 모든 것은 어카운트에서 시작한다.
  • 이더리움 내의 화폐 단위 ETH(이더) 잔액을 가지고 있다.
  • 스마트 컨트랙트 코드를 포함하고 있다.
  • 어카운트 정보
    • 넌스(nonce) : 해당 어카운트로부터 보내진 트랜잭션의 수, 0으로 시작한다. 트랜잭션을 오직 한 번만 실행되게 할 때 사용하는 카운터.
    • 잔액(balance) : 어카운트의 이더 잔고
    • 루트(root) : 해당 어카운트가 저장 될 머클 패트리시아 트리의 루트 노드
    • 코드해시(codehash) : 스마트 컨트랙트 바이트 코드의 해시
비트코인과의 비교
  • 잔액 확인
    잔액확인
  • 화폐 전송
    화폐전송
EOA(Externally Owned Account)
  • Etherscan에서 EOA 표시 : https://ropsten.etherscan.io/address/0x00f5b4e383a75dfe334e1af45ce8324b2ac0da8f
  • 일반적인 이더리움 사용자 어카운트
  • 사람이 직접 개인키(Private Key)를 관리하며, 스마트 컨트랙트 코드를 가지고 있지 않다.
  • 개인키로 서명한 트랜잭션을 생성하여 다른 EOA나 CA에게 메세지를 보낼 수 있다.
  • 보통 EOA 간의 메세지는 이더를 전송하는 것이고, CA에게 보내는 메세지는 스마트 컨트랙트를 실행하는 것이다.
CA (Contract Account)
  • Etherscan에서 CA 표시 : https://ropsten.etherscan.io/address/0x3c4096abd295430ac68ab3ab5f03c0c17b777ea9#code
  • 일반적으로 부르는 스마트 컨트랙트의 정식 용어가 컨트랙트 어카운트이다.
  • EOA나 다른 CA의 메세지를 받은 후 내부의 스마트 컨트랙트 코드를 실행한 후, 새로운 컨트랙트를 생성하거나 다른 메세지를 읽거나 보낸다.
  • 필요하면 내부 저장 공간에 데이터를 저장할 수도 있다.
  • EOA나 다른 CA에 의해서만 작동하고, 직접 새로운 트랜잭션을 실행할 수는 없다.

Account_with_transaction

(출처 : http://best-trading.eu/how-does-ethereum-work/)

메세지와 트랜잭션

트랜잭션
  • EOA의 개인키로 서명된 메세지 패키지
  • 구성 요소
    • AccountNonce : 발신자가 보낸 트랜잭션의 개수를 의미하며, 0으로 시작한다.
    • Price : 수수료로 지급할 Gas 가격 (Wei)
    • GasLimit : 최대 Gas 사용 범위
    • Recipient : 수신처의 주소
    • Amount : 전송할 이더의 양 (Wei)
    • Payload : 옵션 필드로 스마트 컨트랙트 호출 시 필요한 매개변수를 저장할 수 있다. => Lack of state 해결
    • V,R,S : 서명에 필요한 값들
메세지 (or 내부 트랜잭션)
  • CA가 다른 CA에서 보내는 트랜잭션
  • CA가 보내기 때문에 서명이 되어 있지 않다.

상태 변환 함수

  • 상태 변환 시 오류가 없는 지 체크하고 오류가 없을 경우 해당 상태로 변환시킨다.
비트코인의 상태 변환

bitcoin_state

  • UTXO의 생성, 제거로 표현
이더리움 상태 변환

ethereum_state

  • 어카운트의 상태 변화로 표현

코드 실행

프로그래밍 언어

=> 튜링 불완전성 해결

  • Solidity
  • Serpent
  • LLL(Low Level OPCODE)
EVM(Ethereum Virtual Machine)

(출처 : https://opentutorials.org/course/2869/18360)

코드 실행의 물리적 위치
  • 블록을 전파받고 검증하는 모든 노드들에서 동일하게 실행되어, 동일한 상태를 유지할 수 있게 한다.

블록체인과 채굴

블록 구조

(출처 : https://ethereum.stackexchange.com/questions/2286/what-diagrams-exist-to-illustrate-the-ethereum-blockchain-creation-process)

(출처 : https://ethereum.stackexchange.com/questions/2286/what-diagrams-exist-to-illustrate-the-ethereum-blockchain-creation-process)

어카운트 상태 저장 - 머클 패트리시아 트리
  • 블록에 연결되어 있는 트리 종류
    • 트랜잭션 머클 트리 루트 (불변)
    • 리시트(트랜잭션 수행 결과) 머클 트리 루트 (불변)
    • 상태 머클 패트리시아 트리 루트 (가변)
  • 수시로 변경 되는 상태(어카운트 잔액 및 컨트랙트 데이터)를 효율적으로 저장하기 위한 자료구조
  • 변경 된 부분만 새로 저장하고 나머지는 그냥 이전 데이터의 주소로 연결한다.
    merkle_patricia_tree

(출처 : https://blog.ethereum.org/2015/11/15/merkling-in-ethereum/)

블록 검증 알고리즘

ethereum_state_validation

  • 기본적으로 블록 생성 시 수행하는 트랜잭션 자체에 대한 검증 수행
  • 트랜잭션을 전체 다 수행 할 때 소모된 총 Gas가 블록의 GasLimit을 초과하지 않는 지 검증
  • 이전 블록 마지막 상태에서 시작해서 모든 트랜잭션을 수행 한 후의 상태가 현재 블록에 기록 된 상태와 같은지 검증
채굴

수수료(Gas)

트랜잭션
블록
  • GasLimit : 블록에 담을 수 있는 트랜잭션 GasLimit의 총 합 (2018.4.27 기준 7,996,549 Gas)
  • 담을 수 있는 트랜잭션 개수 : 그때 그때 다름 https://etherscan.io/block/5520289
  • 어떤 기준으로 트랜잭션을 담는가 : 수수료를 많이 받는 방향으로
    트랜잭션선택

한 눈에 보는 이더리움 구조

ethereum_big_picture

(출처 : https://github.com/4c656554/BlockchainIllustrations/)

참고자료

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