Ethereum 응용 개발 - JSON RPC API 기본

Blockchain/Ethereum 2016. 3. 20. 00:28
블록체인 기술을 공부하는 가장 기본적인 목표인 Transaction 발생을 해보도록 하겠다.
이 Transaction 발생은 어떤 블록체인이건 개념이해 후 가장 첫 걸음을 떼는 단계이므로 잘 따라해보도록 하자.

Transaction 을 발생하는것을 포함하여 Ethereum 과 Interaction 을 할 수 있는 방법에 대한 설명과 실제 간단한 Transaction 을 JSON-RPC 를 통해 발생시키는 방법을 알아보겠다.

이후 모든 Ethereum 과 관련한 내용은 Geth 를 기준으로 하겠다.
Eth 만 있는 기능인 경우 Eth 를 언급하겠으나 별도 언급이 없으면 모두 Geth 환경이다.

▌Ethereum 에서 개발하는 방법
이더리움을 블록체인 플랫폼의 코어 엔진으로 생각했을 때, 이 코어 엔진을 활용하여 응용을 개발할 수 있는 방법에는 아래 세가지가 있다.

  1. HTTP 기반 JSON RPC API 사용
    REST API Test 프로그램이나 Curl 등으로 즉시 테스트해볼 수 있으며, 원격 응용 프로그램과 통신하기에 적합한 인터페이스.
  2. JavaScript 기반의 web3.js API 를 사용
    Ethereum 이 Dapp 개발을 위해 기본으로 제공하는 JavaScript API 로, Browser, Node.JS, Mist 등으로 실행할 수 있는 인터페이스 이다. 내부적으로는 JSON RPC 를 사용한다.
  3. 응용에 엔진을 라이브러리 형태로 활용하는 방법
    소스코드 형태로 Ethereum 을 사용하며, 가장 응용과 Tight 하게 동작할 수 있다. 그러나 그래야 할 확실한 이유가 있지않는 한 추천하고싶지 않은 방법이다.

위 세가지 방법 중 1,2 번은 비교적 쉬운 방법이나, 3번의 경우 Ethereum 의 코드 분석 없이는 활용이 거의 불가능하다고 봐야하며, 이 코드를 분석하는 데만도 수개월 이상의 노력이 필요하다.
나도 C++ Ethereum 을 3번 형태로 응용하는것을 목표로 한적이 있으나, 200,000 라인에 육박하는 코드에, 난무하는 Template Class 와 상호 Dependency 가 높고 boost 로 발라놓은 C++ 11 스펙의 코드를 해석하기에는 시간이 매우 부족하였다.

따라서, 1,2번 방법이 Ethereum 을 "활용"하기 가장 적합한 방법이라고 생각되며, Transaction 발생과 같은 매우 간단한 API 사용부터 시작하는게 응용을 위한 이해의 첫걸음이라 하겠다.

▌JSON RPC 인터페이스 기본 이해
ETH 와 GETH 모두 HTTP 기반의 JSON RPC 2.0 스펙을 지원한다. JSON RPC API 는 여기 에서 확인할 수 있으며 사용법은 매우 간단한 편이다.

Listen Port : JSON RPC 의 기본 Listen Port 는 8545 번이다. (Geth, Eth 공통)
실행 옵션 : 
     --rpc : rpc 를 사용함
     --rpcaddr : RPC 를 Listen 하는 IP Address Bining (기본: 127.0.0.1)
     --rpcport : RPC Listen Port (기본:8545)
     --rpcapi : RPC 를 통해 사용 가능한 API 셋 (기본: db, eth, net, web3) (이외에 admin, debug, miner, shh, txpool, personal 을 , 로 구분하여 추가 가능)
     --rpccorsdomain : Browser 에서 web3.js 사용 시 Cross Domain 문제가 생기지 않도록 Accept 할 Document 의 Origin Domain.

테스트 환경을 위해 두개의 Node Instance 를 아래와 같이 구성하였다
[Node 1]
  1. Miner 동작
  2. RPC Listen Address Binding : ALL
  3. RPC Listen Port : 8541
  4. RPC API : admin, db, eth, debug, miner, net, shh, txpool, personal, web3
  5. Geth Listen Port : 3031
  6. JavaScript Console 켜기

일단, 아래 커맨드로 Account 를 하나 생성한다
$ geth --datadir $ETH_HOME/db/p1_net_node1 account new

그리고 나서 Miner 인 Node 1을 실행시킨다
$ geth --datadir $ETH_HOME/db/p1_net_node1 --genesis $ETH_HOME/res/p1_net/genesis.json --rpc --rpcaddr "0.0.0.0" --rpcport "8541" --rpcapi "admin,db,eth,debug,miner,net,shh,txpool,personal,web3" --port 3031 --nodiscover --mine console


[Node 2]
  1. Miner 동작 안함
  2. RPC Listen Address Binding : ALL
  3. RPC Listen Port : 8542
  4. RPC API : Node 1 과 동일
  5. Geth Listen Port : 3032
  6. JavaScript Console 켜기

Node 2 용 Account 도 하나 생성한다
$ geth --datadir $ETH_HOME/db/p1_net_node2 account new

$ geth --datadir $ETH_HOME/db/p1_net_node2 --genesis $ETH_HOME/res/p1_net/genesis.json --rpc --rpcaddr "0.0.0.0" --rpcport "8542" --rpcapi "admin,db,eth,debug,miner,net,shh,txpool,personal,web3" --port 3032 --nodiscover $@

[genesis.json]
 {
 "alloc": {
    "d1c8b6e81af8ef16a7dbcd410234f12e10f1579d": {
      "balance": "5000000000000000000000000000"
    },

    "2c6191a4792a3a33cbd2f8b7b7e583a61fb33b23": {
      "balance": "5000000000000000000000000000"
    }
  },

  "nonce": "0x0000000000000000",
  "difficulty": "0x010000",
  "mixhash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
  "coinbase": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
  "timestamp": "0x00",
  "parentHash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
  "extraData": "0x",
  "gasLimit": "0x1000000000"
}

위 alloc 의 Account Address 는 각 Node 1, 2 를 위해 생성한 Account 들이다

[static-nodes.json]
위 CLI 옵션에서 보이듯 --nodiscover 옵션을 주었으므로 자동으로 Peer 를 찾지 않을것이다. Node 2 의 <datadir>/static-nodes.json 파일에 static node 로 Node 1 을 추가해준다.
[
    "enode://258a9b4558c163fdaa48f4f7111b8479d87360bc61c77680269b34204dadc293fccdf2c915acb446953712c12ab8a040d2f7b79ef1e066da60b65a88a7bb382d@[::]:3031"
]

두 Peer 를 실행시키면 Node 1 은 DAG 파일을 생성한 후 Mining 을 시작하고, Node 2 를 띄우면 Node 1 에 접속하여 Block 을 sync 하기 시작한다.
이제 테스트할 환경이 만들어졌다.

▌JSON RPC 테스트환경 만들기
JSON RPC API 를 테스트하기 전에 curl 대신 좀더 쉽게 테스트할 수 있는 환경을 만들어보자. 
Chrome 을 사용하고있다면, Post Man 이라는 REST 테스트 도구를 사용할 수 있다. Plugin 을 설치하고 실행하면 아래와 같은 화면이 보인다.

JSON RPC 로 테스트 하여 성공한다면, 이후 어떠한 언어로든 Ethereum Blockchain 을 사용하는 응용을 만들 수 있게 되는것이다.


위 화면에서, Collection 을 하나 만들어두자


이름은 Geth 로 해 두고, 이제 화면 우측 상단의 "Manage Environment" 를 클릭한다.


Add 버튼을 눌러 Environment 이름을 적당히 준다.


key 에 "url" 이라고 입력하고, value 에 Geth 의 JSON RPC Listen IP 주소와 Port 를 입력한다
나는 node 2 (Miner 아닌 Node) 를 대상으로 해보겠다.

이렇게 등록한 Environment Variable 은 향후에 {{url}} 과 같이 사용할 수 있다.



▌Client Version 가져오기

위 모든 과정들을 마쳤다면 이제 JSON RPC 테스트 환경이 끝난것이다. 아주 간단한 Client Version 을 요청하는 API 부터 사용해본다.
Client 의 Version 을 가져오는 API 이름은 web3_clientVersion 이다.

Spec 상, Parameter 는 없고, Return 은 현재 Client 의 버전을 담은 정보가 들어오게 되어있다.


위 처럼 새로운 요청을 만들고, Request Type 은 "raw" 로 하고, 데이터 포맷은 "JSON (application/json)" 으로 한다.
Send 를 누르면, 아래와 같은 응답이 온다.
{
  "id": 100,
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "Geth/v1.3.5-cab802b4/linux/go1.6"
}

성공이다. 이제 원하는 API 를 무엇이든 응용하여 사용할 수 있다.

▌JSON RPC 를 통한 Block 정보 가져오기

하나만 더 해보자. Node 1 에서 Miner 가 돌고 있으므로, Block 이 계속 생성되고 있을 것이다. Difficulty 가 매우 낮으므로 빠른 속도로 생성되고 있을 것이다.
Node 2 가 Import 한 최신 Block 의 정보를 가져와보도록 하겠다.

[Request]
{
    "jsonrpc":"2.0",
    "method":"eth_getBlockByNumber",
    "params":["latest",true],
    "id":100
}

params 의 첫번째 파라미터는 "최신 블록"을 가져오란 이야기 이고,
params 의 두번째 파라미터 true 는, Transaction 데이터 전체를 가져오겠다는 이야기이다. (그러나 Transaction 을 발생시키지 않았으므로, 이 배열값은 비어있다)

[Response]
{
  "id": 100,
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": {
    "number": "0x1ff",
    "hash": "0x1c9dd4d3191be60a30a01cd8423f05ee203617a03c60d330f76805be2d8df0de",
    "parentHash": "0x267128da87431da30d30bf280efa1ef41f5c5e7a2dee846f3d2c94b89947adfd",
    "nonce": "0x7652646a68725a33",
    "sha3Uncles": "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347",
    "logsBloom": "0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
    "transactionsRoot": "0x56e81f171bcc55a6ff8345e692c0f86e5b48e01b996cadc001622fb5e363b421",
    "stateRoot": "0x9ad2a3c192a39ec9653915f6935c3502fd46d9e6e2805309d80408ea3227e1b4",
    "receiptRoot": "0x56e81f171bcc55a6ff8345e692c0f86e5b48e01b996cadc001622fb5e363b421",
    "miner": "0xd1c8b6e81af8ef16a7dbcd410234f12e10f1579d",
    "difficulty": "0x27be0",
    "totalDifficulty": "0x4788d6e",
    "size": "0x219",
    "extraData": "0xd583010305844765746885676f312e36856c696e7578",
    "gasLimit": "0x9b62bb0db",
    "gasUsed": "0x0",
    "timestamp": "0x56ed6d1b",
    "transactions": [],
    "uncles": []
  }
}

Block Number 는 0x1ff (511) 이다.
sha3Uncles, logsBloom, stateRoot, receiptRoot, totalDifficulty, extraData, gasLimit, gasUsed, uncles 등이 기존 Bitcoin 을 했던 사람들은 생소하게 보일것이다. 이건 차츰 알아가보도록 하고, 일단 정보가 잘 왔다면 가장 기본적인 API 를 성공적으로 실행 한 것이니 박수를 치자.

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Good Joon

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Blockchain 에서의 TPS 성능, 의미와 생각

Blockchain 2016. 3. 14. 02:38

우리는 흔히 시스템의 처리 성능을 TPS 로 나타낸다. 말 그대로 초당 몇개의 "Transaction" 을 "처리"할 수 있느냐를 나타내는 수치이다. 

이번에 블록체인의 TPS 성능에 대해 이야기 해보고자 한다. 사람들이 많이 궁굼해 하지만 답변하는 사람들의 답변 내용을 들어봐도 딱히 맞다는 생각이 들지는 않더라.

Blockchain 이 널리 쓰이는 중요한 인프라소프트웨어 가 되려면 반드시 당면하게 될 문제 중 하나가 바로 “Transaction 처리 성능” 이다.


▌Bitcoin Blockchain PoW 방식 에서의 TPS 한계성

현재 Blockchain 은 1MB 의 블록 크기와 10분의 블록 생성을 근거로, 1 트랜잭션의 크기를 1 Input, 1 Output 만을 포함하는 최소한의 Size 로 잡더라도,
(1MB/600초)/약260바이트 = 약 7TPS
가 채 안나오게 된다.

이 7 TPS 라는 수치를 계산해내는 방법을 보았듯이, 우리가 생각하는 일반적인 TPS 와는 그 개념이 다르다. TPS 는 시스템의 "성능"을 측정하는 단위이지만, 블록체인은 그 성능 보다는 "10분 후 전파되는 블록에 담긴 Transaction 수"이다.

아래는 C/S 환경에서의 Transaction 처리를 간략히 표현해본 그림이다.

그림에서 처럼 클라이언트는 서버를 바라보며 요청을 하고, 해당 요청이 처리된 즉시 응답을 받는다. 이러한 요청은 여러 클라이언트가 동시에 할 수 있으며, 서버는 이러한 요청을 초당 몇개 처리할 수 있는지를 TPS 수치로 표현할 수 있다.

그러나, 아래와 같은 Blockchain 환경에서 보면, 이러한 TPS의 의미가 다르게 해석되어야 함을 알 수 있다.


Node 들 중에는 Miner 도 있고, Lightweight Client 들도 있다. SPV 라고 표현하던 것들이다. 이중 일반 Node 가 처리를 요청하면, 요청을 Transaction 메시지로 자신과 연결된 (1)Peer 들에게 전파된다. 모든 Node 들은 이러한 Transaction 에 대해 (2)검증 을 해야 한다. 또한 Transaction 을 검증한 Node 는, 해당 Transaction 을 자신의 Peer 들에게 (3)(4)전파 해야 한다. 그러면 그 트랜잭션은 Miner 에 의해 (5)검증 되며, Transaction Pool 에 담겨있던 Transaction 은 (6)Pow 를 통해 최소 10분 후 블록에 묶이게 된다. 이 블록은 Miner 의  Peer 들에게 (7)전파 되며 해당 Peer 는 받은 블록에 대해 (8)블록검증 을 수행하고, 검증된 블록은 다시 (9)전파 된다. 최종적으로 Transaction 처리에 대한 응답을 확인하고자 하는 Peer 는 이 블록을 받았을 때 (10)응답을 확인 할 수 있게 된다. 그리고 그 블록에는 최대 약 7*60초*10분 = 약4,200 개의 Transaction 이 포함되어있을 수 있다. 

위 시나리오는 매우 정상적인 Case 에서의 동작이며, 이론상 최대한 희망적인 상황에서의 상황이다. 실제로는
A. 여러 Input 과 Output 이 1 트랜잭션에 포함되어 Transaction 크기가 커진다
B. Miner 의 Transaction Pool 에 들어가도, 이미 Mining 중인 Block 이 있다면 트랜잭션은 가장 빨리 블록을 생성해낸 마이너의 다음 마이닝 작업에 대상이 된다. 그러므로 최대 19.9분 후에 블록을 받을 수도 있다
C. 어떤 Node 들은 6 Confirm 이상을 최종 Commit 으로 간주 하므로 약 1시간 뒤에 해당 Transaction 이 최종 “처리” 됨을 인정받을 수 있다.

이렇게 “처리”의 개념이 일반적인 C/S 아키텍쳐와 다르며, 그 이유는 “합의” 라는 과정과 “P2P” 라는 환경으로 인해 발생하는 것이다. 이 두가지 과정으로 인해 “처리 Latency" 가 높아지게 되며, 이것은 전체적인 시스템의 처리 성능이 매우 늦어지게 되는 결과를 초래한다.

아래 흐름을 보자. 우선, 설명을 위해 매우 단순한 CS 구성에서의 Transaction 처리 시나리오이다.

그림 처럼, client_1 과 client_2 는 Transaction 을 "직접 서버로" 전달한다. Client 3,4,5,6,... 모두 Server 에게 직접 Transaction 을 전달하며, 서버는 Transaction 을 처리하고 처리된 결과나 처리되었음을 알리는 Notification 을 Client 에게 전달한다. Client 에게 1 TX 처리에는 0.001초가 걸린 것이며, 서버의 입장에서는 1초에 1,000 TPS 를 처리한 것이 된다.

다음은 Blockchain 의 경우이다. 설명을 위해 node2 가 Miner 역할을 하며, node1,3,4 등은 SPV 로 간주하면 되겠다.

node 들은 P2P 환경으로 구성되어있다. node1 이 운 좋게 miner 인 node_2 를 peer 로 직접 추가하고 있거나, node1 자체가 miner 인 경우에도 최소 1 Transaction 이 처리되어 처리된 결과를 자신의 State 에 반영할 수 있는데 까지는 최소 10분 이상이 소요된다. node4 의 경우, node3 의 peer 인 경우로, 이 경우 node3 으로의 TX 전파와 node3 의 TX 검증 단계를 거친 후 miner 에게 전달될 수 있다. 만약 node1 이 Miner 라고 하더라도 Block 이 나오는데 까지는 10분이 소요되므로 사실상 "의미있는" Transaction 의 완전한 처리는 최소 10분이 되는 것이다.
이 경우, Miner 는 최대 7 TPS 로 10분 만에 Transaction 을 Commit 을 하게 된 것이며, Client 의 입장에서는 1 TX 를 처리하는데 10분이 걸린 것이다.

“처리”를 어디까지 볼것인가. 1:1 상황에서의 “전달” 과 "Transaction 검증", “(블록없이 Transaction 만만으로의)State 전이 완료 (Pre-Mined State)” 까지를 Transaction 처리 완료 시점이라고 정한다면 상당히 높은 성능의 시스템 구현이 가능하겠지만, 다수가 참여해야 하는 P2P 환경에서는 이러한 기준은 무의미 하다시피 하다. 

위 그림의 Pending TX 범위안에 있는 Transaction 들로 Miner 는 Block 을 만들게 되는데, 만약 Transaction 의 합이 Block Header 를 포함하여 총 1MB 를 넘게 되면, 1MB 내에서 Pending TX 를 잘라내고 잘라낸 만큼만을 Block 으로 만들게 된다. Mike Hearn 이 이야기 했던 1MB 의 블록 용량의 한계는 바로 이때문이다. 만약 비트코인 거래가 더 활발해져서 Transaction 수가 더 많아진다면, 저 Pending TX 의 용량은 조만간 1MB 를 넘을 것이다. 아래 그림을 보자.


노란색 그래프가 Block 의 평균 크기 이며, 이미 700KB 선이다. 7 TPS 의 트랜잭션도 안되며, 만약 700KB 로 계산해보면, 4~5 TPS 정도의 트랜잭션 발생에 블럭의 크기가 저렇게 된 것이다.

C/S 환경에서는 서버의 DB 에 최종 Commit 만 되었다면 이 즉시 모든 클라이언트가 전이된 State 를 기반으로 다음 작업을 할 수 있다. 그러나 Blockchain 의 경우, Block 이 적어도 다음 Transaction 을 발생시켜야 하는 Client 에게는 전달되었고 그 Block 에 의해 변이된 State 가 “옳다” 라는 “합의”가 되어지지 않는다면 다른 Peer 들은 내 Transaction 을 무시하게 될 것이다.

Pending Transaction 을 기반으로 작업을 한다면 Double Spending 을 막을 수 없다. 내가 매우 빠른속도로 어떤 네트워크에서 잔고 1,000 원에서 100원을 이체시키고, 다른 네트워크(또는 다른 멀리 있는 피어)로 이체 이전 상태인 1,000 원 상태에서 다시 500원을 이체하도록 한다면, 10분 뒤 블록이 나오기 이전에 Pending Transaction 을 기반으로 거래를 확정한 상대 시스템은 10분 후에나 문제가 있었음을 알 수 있으며, 어쩌면 그 다음 블럭인 20분 후에 이 사실을 알게된다.

Bitcoin 에서 최종 거래확정에 6 Confirm 을 권고하는 이유도, 1 Confirm 으로 들어온 블록이 Best Blockchain 이라고 말하기 어렵기 때문이며, 이후 들어온 블록을 기반으로 뒤따라 마이너들이 지속적으로 블록을 연결했다면, 결국 이전에 받은 1 Confirm 블록 내에 Double Spending 중 하나가 섞여있었을 수도 있기 때문이다.

"만약, Bitcoin 으로 한사람이 편의점에서 담배를 결재한 후 10분 이내에 라이터를 추가결재 하려 한다면, 이 거래는 현재 Bitcoin 내에서는 불가해야 한다" 왜냐하면, 아직 1 Confirm 도 떨어지지 않았을 것이기 때문이다. 물론 작은 금액의 거래에 대해서는 1 Confirm, 심지어 Pending Transaction 에 있어도 인정하는 추세이기는 하지만 어디까지나 이건 위험하다.

▌블럭을 크게, 생성 주기를 빠르게 하면? 

블럭 생성을 빠르게 한다면 Bitcoin 보다 더 빠른 응답속도가 가능해지며, Block 의 사이즈가 커진다면 블록에 더 많은 Transaction 을 담을 수 있게된다. Ethereum 의 경우, 0x0D (13초)를 블록 생성주기로 맞추어 놓고 있으며, 아직까지는 Block 의 사이즈를 제한하지는 않고, 대신 Block 의 Gas Limit 을 두어 Gas Limit 내에서 Transaction 을 담을 수 있게 하였다.

이러한 방식은 Bitcoin Blockchain (이제 Blockchain 1.0 이라고 하겠다) 에 적용했을 때 문제가 발생하게 되는데, 바로 다수의 Miner 가 동시에 생성해내는 Block 이 많아지는 문제가 생기는 것이다. Stale Block, Ethereum 에서는 Uncle 이라고 불리우는 Fork 들인데, 이러한 Fork 가 많아지게 되면 발생하는 문제는 State 의 불안정성이다.

Fork 를 인정하지 않는 Blockchain 1.0 방식으로 가게되면, Best Block Chain 이 바뀌는 순간 State 가 출렁일 수 있다. 특정 Account 의 Nonce 가 100 까지 올라간 Block을 받아서 State 가 올라갔는데, 새로 들어온 같은 Block Number의 Block 에는 이 State 변이를 실행했던 Transaction 이 제외되어 있으나 새로들어온 Block 의 Chain Total Difficulty 가 이전의 Difficulty 보다 높았다면 Best Blockchain 이 버뀌면서 State 가 Nonce 100 에서 99로 다시 바뀔 수 있다.

Ethereum 은 이러한 상황을 예상하여 GHOST(Greedy Heaviest Observed Subtree) 라는 프로토콜을 응용하여 자신들의 State Tree 인 Patricia Tree 를 구성할 때 Uncle Block 을 포함하도록 하였으며, 새로운 Block 이 생성될 때 자신이 참고하는 Uncle Block 을 포함시키도록 하였다. Uncle Block 에 대해서도 93.75% 의 Reward 를 주며, 이를 포함하는 Block 이 Best Block 이 되었을 때에는 각 Uncle Block 의 Reward 의 3.125% 를 Best Block 의 Coinbase 에 추가하도록 하였다.

이외에도 많은 부분을 생각해야 한다. 사이즈가 큰 블록은 네트워크 전파 속도가 느려지게되어 결국 더 많은 Uncle Block 들이 생기게 되고, 너무 작은 블록도 오버헤드를 높여 전체적인 성능을 저하시킨다. 특히나 시간이 짧아질수록 평균 Hashrate 를 기반으로한 블록 생성속도의 오차율은 커지게 되는데, 아래 그림(블록생성시간)처럼 블록생성시간의 오차범위는 매우 커지게 된다.


Ethereum 의 지금 시각 평균 Hashrate 는 etherstat 리포팅을 하고있는 node 들 기준으로 1.4TH/s 정도 되며, Difficulty 는 14~15초 정도 되는 20.34 TH 정도로 맞추어져있다.


빨라지는 주기를 PoW 로 때우기 위해서는 Block 생성 시간이 안정적이어야 하고 ASIC 같은 돈버러지를 떼어내야 하는데, 이때문에 Ethereum 은 DAG (Dagger Hashimoto)와 같은 방법을 썼고, 현재는 ethash 알고리즘으로 약1GB 정도의 Hash Cache 를 위한 Seed Table 을 생성하게 해놨으며, 100시간 정도 되는 30,000 블럭 주기로 이 DAG 를 전체 재생성 하도록 해놓았다. 이게 생성되는 것만도 십수분은 걸린다.

▌Authority 기반 블록 생성은?

권한 기반의 블록체인은 이미 작년 부터 Private Blockchain 과 Consorthium Blockchain의 필요성이 나오면서 구현체들이 나왔고, Ethereum 조차도 C++ eth 에서 이 PoA 를 flu 라는 CLI 를 통해 제공했었다. 현재는 Homestead 런칭으로 기능을 삭제한 상태이며 이전에 구현했던 방식도 그다지 세련되지 않은 방식이었다.

Authority 기반의 블록체인의 기본적인 핵심은 "블록을 생성할 수 있는 권한을 부여"하는 것부터 출발하는 것이다. PoW 를 하건, PoS 를 하건 최종 블록을 만들어내는건 "권한"을 가진 Node 가 만들어내게 하는 것이다. 

권한이 있고 이 권한을 신뢰하여 Blockchain 을 구성한다면 궂이 Nonce 를 찾을 이유도 없다. 전제조건은 경제관념이 없어야 제대로 돌아갈 수 있으며 권한이 있는 모든 노드들은 모두 신뢰된 관계여야 한다는 것이다. 경제관념이 생긴다면 그중 어떤 Node 는 더 많은 Token 을 얻으려 할 것이며, 이러다 보면 다시 권한이 있는 노드들 간에 합의가 필요하게 된다.

신뢰된 관계 또한 매우 중요하다. 권한이 있는 Node 이더라도 악의적 행위를 할 수 있다라고 판단되는 경우 이는 다시 합의가 필요한 상황으로 치닫게 된다. 또한 이러한 신뢰관계를 어떻게 시스템 간에 구현 할 것이냐는 것에 대해서도 충분히 고민하여야 한다. 

아무생각 없이 Genesis 에 Key 박아두거나 권한 Key 를 누군가 관리하며 추가 발급한 후에 "응용 업데이트 됐습니다. 다운받으세요." 하는거나 "신뢰는 별도의 보안솔루션이 있쟎아" 라고 하는거면 고개를 몇번 갸우뚱~ 해봐야 하지 않겠나 싶다.

▌Proof of Stake 에서는?

Proof of Stake 는 자신의 지분이 곧 블록생성권 지분율이 되는 형태이다. Public Blockchain 에서는 자신의 Balance 가 크면 블록을 생성할 수 있는 권한이 생기게 되며 블록을 Accept 할 때에도 Miner 의 지분율을 보아야 한다. PoW 대비 블록 생성 주기가 매우 짧아질 수 있으나 가장 지분이 큰 Miner 가 꺼져있거나 하는 상황에서는 전체 네트워크의 Node 상태를 알지 못하는 이상 어떤 블록이 Best Block 인지 판단하기 쉽지 않다는 단점와 빈익빈 부익부 현상이 나타날 수 있다는 부작용이 있다.
이러한 부분을 개선하는 노력들을 많이 해왔으며 Coin Ages Selection 방식이나 Random 방식, PoSV (Velocity) 방식, Voting 방식 등이 블록 채택을 위한 PoS 알고리즘으로 나와있다.

대량의 Transaction이 빠르게 처리되어야 한다면 고려해야하는 모델이며, 특히나 Consortium Blockchain 의 경우 고려할 필요가 있는 방식이 아닐까 생각한다. 

Eris 의 경우, PoS 의 Voting 방식을 채택하고있는데, 모든 권한있는 Node 가 Voting 을 하게 되어있다. Voting Message 를 통해서 Block Proposal 에 대해서 투표하고, 최종 Confirm 은 2/3 의 Token (Voting Power)이 확인되고 Signature 로 Voter 가 확인하면 최종 Step 에서는 Precommit 후 Commit 하여 해당 Transaction List 를 승인하도록 되어있다.

이러한 방식은 블록 생성과 전파 대비 효율적이긴 하나 Public 에서 사용하기에는 효율성이 떨어질 수 있으며, Voting Power 에 해당하는 Token 을 무엇에 맵핑할것인지 생각해야 한다. Eris 는 이러한 Token 을 Genesis 에 Key 와 함께 부여할 수 있도록 하였다. 좀 문제이긴 하다.

그러나 PoW 대비 Transaction 처리의 Confirm 속도는 확연히 차이가 나며 Eris 를 실제 구동해보면 1~3초 이내에 Commit 이 되는것을 볼 수 있다. (Node 3대로 테스트라 좀 그렇긴 하다).


▌그래서 ?

그래서 결론은,
  1. Blockchain 에서의 TPS 를 이야기 할 때에는 부디 C/S 아키텍쳐에서의 TPS 잣대를 들이대지 말자.
  2. 합의 방식에 따라 Transaction 처리 방법과 시스템 전체 성능은 달라진다.
  3. 합의 필요 없고 완전 믿을 수 있는 네트워크라면 그냥 합의하지 말아라. (블록체인 불필요)
  4. 높은 TPS 성능만 필요한거라면, 차라리 성능 좋은 분산 DB 와 Messaging M/W 를 쓰고 참여자 간 인터페이스 통일해라. 

Blockchain 이 풀어낸 가장 큰 문제는 "신뢰" 를 증명하는 방법이다. 
스티븐 코비의 "신뢰의 속도" 라는 책이 떠오른다. 어떠한 일이든 가장 빠른 방법은 "신뢰"를 바탕으로 했을 때이지, 신뢰할 수 없는 환경에서가 아니다.
보안, 위변조, 합의, 정합성, ... 믿을 수 있다면 무엇이든 빠르고 좋은걸 해라. 그리고 다른것에 더 힘을 쏟아라.

(이상 책상에 앉아서 계획없이 생각나는대로 함 써봤다.. 훑어보니 내용이 좀 산으로 갔네요.. 졸려서 이만..^^)


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Good Joon

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이더리움 Smart Contract - 개념

Blockchain/Ethereum 2016. 3. 13. 02:54
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. 


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