비잔티움 장군 문제 - 비트코인은 비잔티움 장군 문제를 어떻게 해결하였는가
비잔티움 장군 문제를 알아보고 비트코인은(사토시 나카모토) 이 문제를 어떻게 해결하였는지 알아보자.
비잔티움 장군 문제란
분산된 시스템에서 신뢰성을 유지하는 방법을 설명하기 위해 제시된 문제
분산 시스템에서의 합의 문제를 설명하는데 협의(consensus)문제를 설명하는데 중요한 역할을 한다.
*조금 더 이해가 쉬운 설명이 있어 덧붙인다.
비잔티움 장군 문제는 서로 신뢰하지 않고 심지어 적대적일 수도 있는 독립된 주체들이 공동의 목표를 달성하기 위해 상호 신뢰하는 중개자에 의존하지 않고 어떻게 협력할 수 있냐는 문제이다.
문제의 배경
비잔티움 제국의 여러 장군들이 특정 성을 공격하거나 철수할지 협의한다고 가정한다. 장군들 사이에 협력이 필요한 상황에서 다음과 같은 조건이 있다.
- 장군들 간에 통신은 메시지를 통해 이루어진다.
- 모든 장군들이 동일한 행동(공격 또는 철수)을 취해야 한다.
- 하지만 장군들 중 일부는 배신자일 수 있으며, 다른 장군들을 혼란스럽게 하거나 잘못된 정보를 전달할 수 있다.
문제의 목표
비잔티움 장군 문제는 다음의 두 가지 조건을 만족해야 한다.
- 합의 조건 (Agreement): 충성스러운 장군들은 모두 동일한 결정을 내려야 한다.
- 정확성 조건 (Validity): 충성스러운 장군들은 올바른 정보에 따라 행동해야 한다.
즉, 배신자가 존재하더라도 충성스러운 장군들이 올바른 결정을 내릴 수 있어야 한다.
문제의 난점
배신자가 존재할 경우 메시지가 조작되거나 혼란이 발생할 수 있다.
- 한 장군이 "공격" 명령을 보냈지만, 배신자가 이를 "철수"로 변조하여 전달
- 일부 장군들은 "공격"으로, 다른 장군들은 "철수"로 행동할 가능성이 있음
이런 상황에서 시스템은 어떤 조건에서도 일관성을 유지할 수 있는 메커니즘이 필요하다.
해결 방법
비잔티움 장군 문제를 해결하기 위해 다양한 알고리즘이 제안되었다. 대표적인 방법들은 다음과 같다.
(1) 기본 알고리즘
장군들 간에 여러 번의 메시지 교환을 통해 합의를 도출하는 방식이다. 하지만 이 방법은 네트워크 비용과 시간 복잡도가 매우 높다.
(2) 실제 사례: Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)
PBFT는 비잔티움 장군 문제를 실용적으로 해결한 알고리즘이다.
- 메시지 복제와 다중 검증 과정을 통해 노드들 간의 합의를 이끌어낸다.
- 블록체인 기술(특히 Hyperledger 등)에서 사용된다.
(3) Proof of Work (PoW)
블록체인에서 비잔티움 장군 문제를 해결하는 또 다른 방식으로, 작업 증명(PoW)을 통해 노드들 간 신뢰를 형성한다. 이를 통해 배신자가 존재하더라도 합의를 유지할 수 있다.
비잔티움 장군 문제와 비트코인의 과제
비트코인 네트워크는 다음과 같은 문제를 해결해야 했다.
- 탈중앙화된 시스템: 중앙 서버 없이 수많은 분산된 노드가 서로 합의를 이루어야 함.
- 신뢰할 수 없는 노드 존재: 악의적 참여자(배신자)가 잘못된 정보를 퍼뜨릴 수 있음.
- 일관성 유지: 네트워크 참여자들이 동일한 블록체인 상태(예: 거래 기록)에 동의해야 함.
비잔티움 장군 문제의 관점에서 보면, 비트코인은 노드들 간에 "공격(블록 추가)" 또는 "철수(블록 무시)"를 결정해야 하는 상황과 유사하다.
비트코인의 해결 방법: 작업 증명(Proof of Work)
비트코인은 작업 증명(PoW)을 도입하여 비잔티움 장군 문제를 해결한다.
주요 특징
(1) 작업 증명의 기본 원리
- 네트워크의 모든 노드가 블록을 생성하려면 복잡한 수학적 퍼즐을 해결해야 한다.
- 이 퍼즐은 계산 비용이 매우 높아야 하며, 해결된 결과는 누구나 검증하기 쉽다.
- 퍼즐을 푸는 과정에서 막대한 컴퓨팅 자원이 소모되므로, 악의적 노드가 시스템을 교란하기 위해 필요한 비용이 크게 증가한다.
(2) 합의 과정
- 채굴자(마이너)는 새로운 블록을 생성하려면 복잡한 해시 함수 문제를 해결해야 한다(예: SHA-256 해시 값이 특정 조건을 만족).
- 퍼즐을 가장 먼저 해결한 채굴자는 새로운 블록을 생성하고 네트워크에 전파한다.
- 다른 노드들은 해당 블록이 유효한지 검증한다(예: 거래의 유효성, 블록의 작업 증명 확인).
- 블록이 유효하다고 판단되면 해당 블록을 자신의 체인에 추가한다.
(3) Longest Chain Rule
- 네트워크는 가장 긴 체인을 "정확한 체인"으로 간주한다.
- 악의적인 노드가 체인을 조작하려면, 다른 정직한 노드들보다 더 빠르게 블록을 생성해야 한다.
- 하지만 작업 증명 과정에서 막대한 연산 자원이 필요하므로, 네트워크 전체의 51% 이상의 연산력을 통제하지 않는 한 체인을 조작하는 것이 사실상 불가능하다.
비잔티움 장군 문제 해결 방식의 특징
비트코인이 PoW를 통해 비잔티움 장군 문제를 해결한 방식은 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 결과의 확률적 보장
- 비트코인은 완전한 비잔티움 장애 허용(Byzantine Fault Tolerance, BFT)을 보장하지는 않는다.
- 대신, 공격자가 네트워크의 51% 이상의 연산력을 통제하지 않는 한, 네트워크는 합의 상태를 유지한다.
- 합의가 이루어진 블록이 많아질수록(예: 6개 이상의 블록 확인), 해당 블록이 변경될 가능성이 급격히 줄어든다.
(2) 비잔티움 장애 허용 구현
- PoW는 노드 간 신뢰가 없더라도 "노동 증거(Computational Work)"라는 객관적인 기준을 통해 합의를 이끈다.
- 악의적인 노드가 있더라도, 정직한 노드가 네트워크의 연산력 대부분을 차지하면 공격을 막을 수 있다.
비트코인이 비잔티움 장군 문제를 해결한 차별점
비트코인의 방식은 기존의 전통적인 BFT 알고리즘(예: Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)과는 차별화된 점이 있다.
- 확률적 합의: PBFT는 모든 노드가 명시적으로 합의해야 하지만, 비트코인은 작업 증명을 통해 확률적으로 합의가 이루어진다.
- 확장성: PoW는 노드 수가 증가해도 여전히 작동하며, 전 세계적으로 분산된 노드들 간 합의를 가능하게 한다.
- 경제적 장벽: 공격에는 막대한 연산력과 비용이 필요하므로 악의적 행위가 비경제적이 된다.
한계점
비트코인의 PoW 방식은 강력하지만 몇 가지 한계도 존재한다.
- 에너지 소모: 작업 증명 과정에서 막대한 전기가 소모된다.
- 51% 공격 가능성: 이론적으로 네트워크의 51% 이상의 연산력을 장악하면 체인을 조작할 수 있다.
- 확장성 문제: 블록 생성 속도와 처리량이 제한적이다.