이더리움 Smart Contract - 개념

Smart Contract 는 1994년 암호학, 법학에 일가견이 있는 컴퓨터 과학자인 Nick Szabo 에 의해 소개된 개념이다. 신뢰할 수 없는 컴퓨터 인터넷 환경에서 "고도로 발달된" 계약을 준수하도록 하는 프로토콜이다.

혹 처음 "스마트 계약" 이라는 말을 처음 듣는 사람들은, 블록체인에 "계약" 이라 불리울만한 "문서"를 업로드 하고 이를 준수하도록 "약속"하는 것이라는 막연한 상상을 하고는 한다(실제로 있었다). Contract 라는 용어가 그러한 오해를 살 수도 있는게 사실이긴 하다.

말을 약간 바꿔보자. "스마트 계약"은 블록체인에 모든 Node가 접근할 수 있는 "코드" 를 업로드 하고, 이를 "실행" 하도록 하는 "프로토콜" 이라고 한다면 좀더 이해하기 편할 수 있을 것이다.

▌사전 이해 필요항목

일단 이 Smart Contract 에 대하여 기술적으로 이해하기 전에 Ethereum 의 기본적인 아래 사항에 대해 이해하고 있는게 좋다.

1. EOA/Contract Account
2. Account / Global State
3. Create/Message/Transfer Transaction, Call
4. Transaction Receipt
5. Gas, GasPrice
6. Ethereum Virtual Machine
7. Turing Complete

(위 개념들은 시간나는대로 정리하여 블로그로 올리기로 한다)

▌Bitcoin 의 Contract Code

Contract 는 마치 Assembly 코드를 연상시키는 듯한 Byte Code 형태의 코드로 구성해왔다. OP_CODE 로 불리우는 1바이트 크기의 명령인 Operation Code 들은 Stack 에 쌓이며 실행된다. 

Bitcoin 의 경우, Script 라고 부르고 있으며 기본적인 Balance Transfer Transaction 의 경우 Client 가 Transaction 의 Script 파트에 Pubkey, PubKeyHash, Private Key Signature 를 연산하여 UTXO 를 소비하려는 현재 Transaction 이 정당한지를 검증하는 Script 를 자동으로 추가하도록 되어있다.

좀더 자세히는, UTXO 의 Public Key Hash 가  Transaction 의 INPUT 파트에 있는 Unlocking Script 내의 Public Key 의 HASH160 OPCODE 연산 결과와 같은지를 비교하며 최종 CHECKSIG OPCODE 를 통해 Private Key 의 Signature 를 Public Key 로 검증하여 TRUE 를 리턴하는지를 검사한다.

이러한 Script 파트에는 원하는 OPCODE 들을 구성하여 Transaction 을 만들어낼 수 있는데, 쌍방 혹은 여러 “신뢰되지 않은” Peer 들 간에 특정한 OPCODE Script를 실행시켰을 때 값이 정상이라면 그 Transaction 을 "정상으로 인정한다”라는 “계약적인 조건”을 명시하고 실행 가능하므로, 이러한 개념으로  Contract Code 라고 표현하고 있다.

Bitcoin 의 OPCODE 는 Constants, Flow Control, Stack, String 의 Splice, Bitwise, Arithmetic, Crypto, Locktime, Pseudo-Words 의 카테고리에 해당하는 85개 정도의 명령어를 제공하고있다.

▌Ethereum 의 Smart Contract 차이점 

Bitcoin 이 선보인 이 Contract Script 는 매우 획기적인 방식이며 신뢰할 수 없는 환경에서 신뢰를 기반으로 해야하는 중요한 거래가 가능하도록 하는 핵심적인 요소로서 동작한다. Ethereum 의 Vitalik Buterin 은 어린나이에 이러한 Bitcoin Blockchain 에 대해 이해하고 Contract Code 를 더 확장하면 무한한 확장성을 가진 탈 중앙화 된 컴퓨팅 환경, 더 나아가서는 Global/World Computer 를 실현시킬 수 있다고 믿고 Gavin Wood 박사는 그의 사상을 구현하기위해 함께하며 개발언어에 독립적인 Yellow Paper 를 만든다.

Ethereum 은 Bitcoin 의 Contract 에 비해 매우 고도로 발전된 형태의 Contract Code 라고 말할 수 있으며, 단순한 “검증” 과 “연산” 을 뛰어넘는 ”상태”와 “함수”를 정의하고 “상태변이”와 “데이터 저장”이 가능한  Turing Complete 코드 개발을 가능하도록 하였다.

APPLY(S)=S’

(APPLY: 상태변이 함수, S:현재상태, S’: 변이된 상태)

 

라는 상태변이 함수과계에서,

Bitcoin 의 S와 S' 는 UTXO 의 Balance 만이 가능하지만,

Ethereum 의 S 는 EOA(Externally Owned Account)의 Balance 는 물론, Account의 Nonce, Contract Account 의 Storage 에 저장된 데이터의 값들도 포함된다.

즉, “잔고” 뿐만이 아니라 “데이터” 또한 상태변이 함수로 변이 가능한 상태의 대상이 된다는 것이다.

또한 이러한 상태변이 함수를 Smart Contract 라고 부르며, Smart Contract 는 EVM(Ethereum Virtual Machine) 이 실행시키고, 여기에서 실행되는 이러한 Smart Contract 함수를 정의한 Code 를 EVM Code 또는 Smart Contract Code (줄여서 Contract Code) 라고 부른다.

Loop 지원, Contract Account, (Contract 의) Block 과 Transaction 정보에의 접근, Statefull, Gas 개념 등은 Ethereum Smart Contract 의 큰 특징이다.

Bitcoin 대비 별것 아닌 변화일것이라 생각될 수 있지만 이것은 Blockchain 기술의 적용 가능 분야를 무한히 확장할 수 있는 큰 변화이다. 복잡한 금융 파생상품에서 부터 지능형 머신/IoT 디바이스의 자율적 협업,  슈퍼컴퓨터를 초월하는 강력한 컴퓨팅 까지 가능하게 하는 중요한 열쇠가 바로 이 Smart Contract 라고 할 수 있다.

Ethereum 은 Dapp (Decentralized Application) 이라는 개념을 Smart Contract 를 중심으로 하여 실현하고 있으며, 이는 기존의 중앙 집중식의 시스템의 단점(DoS 취약, 보안 취약, Single Point of Failure, Scalability 한계성, Privacy 침해, 외부 인터페이스 표준화 문제 등)으로 부터 자유로워질 수 있는 탈중앙화된 Appication 아키텍쳐가 가능해지는 기술이라고 할 수 있으며, 전통적인 P2P 로는 풀 수 없었던 “신뢰할 수 없는 환경에서의 신뢰성 있는 서비스 운영”이 가능하게 하는 핵심적인 기술이 아닐까 생각한다.

▌EVM

Ethereum 은 Smart Contract Code 구현을 위해 4가지의 언어를 구현한다. 

Mutan, LLL, Serpent, Solidity 가 현재 Ethereum 의 Smart Contract 를 구현할 수 있는 Code 이다. 이중 Mutan 은 C 언어와 유사한 구조를, LLL 은 Low-Level 의 OPCODE 형태를 가지며, Serpent 는 Python 과 유사하다고 할 수 있고, Solidity 는 JavaScript 와 매우 닮았다.

Mutan 은 Deprecated 되었으며, LLL 은 더이상 Develop 하지 않으나 여전히 지원하고는 있으며 Serpent 와 Solidity 가 주요 언어라고 볼 수 있으며 그 중 Ethereum 은 Solidity 를 Main 언어로 주력하고있다.

EVM(Ethereum Virtual Machine) 은 이러한 상위레벨 언어로 만들어진 코드가 컴파일되어 생성되는 Byte  Code 를 실행하기 위한 Runtime 으로, OPCODE, Stack 외에 Ethereum 에서 추가된 Memory, Storage 를 사용하는 주체이기도 하다.

Smart Contract 실행 (Create, Message Transaction)은 모든 Block 검증을 수행하는 Node 에서 동일하게 일어난다. 또한 Contract 를 실행하는데에는 현재 Homestead 에서도 아래와 같은 Gas 를 소모해야 한다.

Operation Name	Gas Cost	Remark
step	1	default amount per an execution cycle
stop	0	free
suicide	0	free
sha3	20
sload	20	get from permanent storage
sstore	100	put into permanent storage
balance	20
create	100	contract creation
call	20	initiating a read only call
memory	1	every additional word when expanding memory
txdata	5	every byte of data or code for a transaction
transaction	500	base fee transaction
contract creation	53000	changed in homestead from 21000

Gas 는 Gas * GasPrice 만큼의 Wei 비용으로 지불되며, 이는 Turing Complete Machine 인 이더리움이 무한루프와 같은 Attack 으로 부터 자유롭기 위함과 Contract 실행과 Storage 사용에 대한 자원비용 보상을 지불하는 목적이다.

Gas 가 생각보다 많이 나올 수 있는데, Code 실행과  sstore 등 뿐만 아니라, Transaction 의 size 에도 비용이 비례하여 증가하게 되기 때문이며, 최소 Gas Price 보다 크지 않으면 아예 Transaction 이 발생하지 못하는 비극이 발생한다. 결론적으로 돈이 있어야 한다.

▌Storage, Memory, Stack

모든 Contract Account 는 Storage 라고 불리는 Persistent 저장소를 갖고있다. Key-Value 맵 구조로 32바이트 키를 32바이트 값으로 맵핑하도록 되어있다. Contract 는 자기 자신 이외의 Contract 의 Storage 를 읽거나 쓸 수 없다.

Memory 는 Contract 가 Message Call 이 있을 때 마다 최신의 Instance 를 얻을 수 있는 공간으로, Byte 레벨로 읽고 쓸 수 있으나 32바이트 단위 Chunk로 저장된다. 즉, 1 이라는 값을 저장하면 32바이트 (256비트) 공간에 저장된다.

EVM 은 총 1024개의 Instruction Set (OPCODE) 를 담을 수 있는 Stack 을 갖으며, 256비트의 word (값) 을 갖는다. 

이러한 특성으로 Message Call 시에도 몇가지 제약사항들이 있는데, 그중 하나는 32바이트를 넘는 문자열을 하나의 파라미터로 보낼 수는 없다는 것이다. 

▌Message Call

Contract 는 다른 Contract 를 Call 하거나 EOA 로 Ether 를 보낼 수 있으며, 이때 Message Call 을 사용하게된다. 일반 이체 Transaction 과 매우 유사하지만 호출할 Contract 의 주소, Method 의 주소, 함수  파라미터(옵션)를 넣는것이 다르다.

Sub Contract Call 이 실행되어야 하는 경우, 연쇄적인 Message Call 이 Contract 에 의해 일어나게 되며, 이러한 연속된 Contract 실행을 위한 충분한 Gas 를 포함시켜야만 나중에 Contract 실행이 끝까지 될 수 있다. Call 은 최대 1024 Depth 까지 호출될 수 있다.

Message Call 의 결과는 Block 내의 Transaction Receipt 를 참고하여 조회할 수 있다.

Contract 실행 전, EVM 은 Transaction Sender 의 잔고가 충분한지 검토하고 실행하며, 실행 중 Gas 가 모두 소진되었으나 실행이 완료되지 않은 경우에는 그때까지의 Gas 는 지출되고 모든 State 는 Contract 실행 이전 단계로 돌아간다.

▌Delegate Call, Callcode, 라이브러리

Message Call 중에, Delegatecall 이라는 방식이 있는데, 이건 Contract 가 실행될 때 Contract 를 실행시킨 Contract 의 Context 를 사용한다는 것이다. 그리고, Message Sender 와 Value 가 변경되지 않고 Caller Contract 의 것을 그대로 사용한다.

이러한 특성을 활용하여 Library 형태의 Contract 를 만들 수 있다.

▌Create Contract Transaction

Contract 를 Byte Code 로 컴파일 하여 Blockchain 에 Upload 하여야 Contract 를 실행할 수 있다. Contract Create 는 EOA 가 Create 하는것이 일반적이나, Contract 가 다른 Contract 를 Create 할 수도 있다. 

▌Self Destruct

Contract 를 삭제할 수 있는 유일한 방법은 Contract Address 에서 (자신이) SELFDESTRUCT 명령을 수행하는 것이다. 이때 Contract Account 의 Ether 잔고는 지정된 Account 로 이체되고 Contract 의 모든 State 는 소멸된다.

위 기본적인 개념들 말고도 설명해야 하는 것들이 많다. 앞으로 조금씩 써보도록 하고, 예제도 종종 올려보도록 하겠다.