비트코인

Proof of Work

비트코인은 “해시캐시” 라는 기술을 사용하여 작업 증명을 통해 네트워크에서의 합의를 통해 트랜잭션을 인증하고 체인에 새 블록을 생성하는 합의 메커니즘 중 하나이다.

그러나, 이 Hashcash라는 기술은 원래 비트코인을 위한 기술이 아니었다.

ref 1) https://en.wikipedia.org/wiki/Hashcash

기존에는

Hashcash는 이메일 스팸 및 서비스 거부 공격을 제한하는 데 사용되는 작업 증명 시스템 입니다 . Hashcash는 1997년 Adam Back 에 의해 제안되었으며 Back의 2002년 논문 “Hashcash - 서비스 거부 대응책”에서 더 공식적으로 설명되었습니다. Hashcash에서 클라이언트는 임의의 숫자를 문자열과 여러 번 연결하고 이 새 문자열을 해시해야 합니다. 그런 다음 특정 양의 0으로 시작하는 해시가 발견될 때까지 계속해서 이를 수행해야 합니다.

다음 설명과 같이, 이메일 스팸 및 서비스 거부 공격을 제한하는 방식으로

계산을 위해 선택 가능한 작업량이 필요하지만 증명을 효율적으로 확인할 수 있는 암호화 해시 기반 작업 증명 알고리즘

을 목표로 구현되었다. 무차별 대입을 통해 자원을 소모하는 과정을 증명하는 사용자는 스팸 발송자가 아닐 것이라는 생각으로 만들어졌다.

결국 해당 기술은 비트코인에서 사용되어 많은 자원을 소모하도록 결과를 초래했다.

실험

비트코인의 작업 증명은 많은 자원을 소모하는 과정이라는 점을 쉽게 확인할 수 있다. 소스코드를 작성해 Nonce 값에 따라 시간 소요 차이를 확인해본다.

#include <iostream>
#include <string>
#include <openssl/sha.h>
#include <ctime>
#include <sstream>

std::string calculateHash(const std::string& input){
    unsigned char hash[SHA256_DIGEST_LENGTH];
    SHA256_CTX sha256;

    SHA256_Init(&sha256);
    SHA256_Update(&sha256, input.c_str(), input.length());
    SHA256_Final(hash, &sha256);

    std::stringstream ss;
    for(int i=0; i<SHA256_DIGEST_LENGTH; i++){
        ss << std::hex << (int)hash[i];

    }

    return ss.str();
}

std::string generateHashcash(const std::string& prefix, int difficulty) {
    std::string hash;
    int nonce = 213;
    while (true) {
        std::string candidate = prefix + std::to_string(nonce);
        hash = calculateHash(candidate);
        
        // Check if hash meets the required difficulty
        bool valid = true;
        for (int i = 0; i < difficulty; ++i) {
            if (hash[i] != '0') {
                valid = false;
                break;
            }
        }
        if (valid) {
            break;
        }
        ++nonce;
    }
    return hash;
}

int main() {
    clock_t start, finish;
    double duration;

    start = clock();

    std::string prefix = "example@domain.com:12345:";
    int difficulty = 3;
    std::string hashcash = generateHashcash(prefix, difficulty);
    std::cout << "Hashcash: " << hashcash << std::endl;

    finish = clock();
    duration = (double) (finish - start)/CLOCKS_PER_SEC;
    std::cout << duration << "s" << std::endl;
    return 0;
}//g++ -o pow ProofOfWork.cpp -lssl -lcrypto

이 코드는 Hashcash의 개념을 사용하여 특정 prefix와 난이도(difficulty)에 해당하는 해시를 생성한다. 여기서 prefix는 일반적으로 이메일 주소와 포트 번호와 같은 정보를 나타내며, difficulty는 원하는 해시값의 선행 0의 개수를 의미한다.

calculateHash: 입력된 문자열을 SHA-256 해시 함수를 사용하여 해싱하는데, 이 함수는 OpenSSL 라이브러리를 사용하여 구현되었다.

generateHashcash: 주어진 prefix와 difficulty를 바탕으로 해시값을 생성하고 이 함수에서는 nonce 값을 조정하여 원하는 difficulty를 만족하는 해시값을 찾는다.

main: 프로그램의 진입점이다. 여기서는 prefix와 difficulty를 설정하고 generateHashcash 함수를 호출해 해시캐시 값을 생성한다. 생성된 해시캐시 값을 출력한다.

최종결과는 다음과 같다.

중간결과를 계속 출력하도록 하면

연산이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.