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Bitcoin 기술 분석
소프트웨어연구부문/사이버보안연구단/암호기술연구실

조남수
2013. 12. 19.
전자 화폐 (e-Cash)
David Chaum이 최초 제안
 “Blind signature for untraceable payment”, Crypto 1982

발전 방향
 현실 화폐의 특징과 최대한 유사하게 설계...
이중 사용
문제점
 실물 화폐에 비해 복제가 용이함
 Off-line 거래에서 이중 사용 방지는 근본적으로 어려움
 사후 추적 기능 제공

 이중 사용 방지를 위해 다양한 암호 기술 적용
 비효율성 증가
011...
Bitcoin
Satoshi Nakamoto 제안
 “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”,
2009

기존 전자 화폐와 차별화
 공개성
 On-line 사용
 ...
암호학적 도구
해쉬 함수
 SHA-256, RIPEMD-160
11010 … 011
균일한 길이 난수열 출력

전자 서명
 ECDSA
비밀키

키생성

서명

검증

공개키
5
Bitcoin 구성
거래 정보를 모든 사용자에 공개
Bob

Alice

Alice [1BTC]  Bob

broadcast

공유정보

Alice : 17BTC
Bob : 23BTC
…

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Bitcoin 구성
위조 방지를 위한 전자 서명 추가
Bob

Alice

Sig(SKAlice , Alice [1BTC]  Bob)

broadcast

공유정보

Alice : 17BTC
Bob : 23BTC
…
...
Bitcoin 구성
익명성 추가
Bob

Alice

Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob)
A1

A2

broadcast

A3
공유정보

A1 : 1BTC
Bob : 23BTC
A2 : 5BTC
A3 :...
Bitcoin 구성
이중 사용
Bob

Alice

Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob)
A1

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 Charley) A2
A3

Charley
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Bitcoin 구성
Block Chain을 이용한 transaction confirmation
Bob

Alice

Sig(SKA1 ,1BTC : A1  Bob)
A1

Transaction
fail

Sig(SKA1...
Transaction 구조
Transaction = input + output
 하나의 transaction에 다수의 input, output 포함 가능
 output의 총합은 input 총합을 넘을 수 없음

A...
이중 사용 확인
신규 transaction의 input을 확인
Tx1(0)
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코인생성

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이중 사용 확인

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Tx2

Tx1(0)

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Transaction 서명 및 검증
서명 및 검증

자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto

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Example (Real Transaction)
Hash :
98ead69d1637143d9b548482c20872a230ff657b8c4e5b1bde2ae92b98c62e06
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Example (Transaction Raw Data)

자료 : blockexplorer.com

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Example (Coinbase Transaction)

자료 : blockexplorer.com

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Block Chain 구조

자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto

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Merkle Tree 구조
d1

h(c1||c2)
c1

c2

h(b1||b2)

h(b3||b4)
b4

b1

b2

b3

h(a1||a2)

h(a3||a4)

h(a5||a6)

복제

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...
Proof of work (hashcash)
Block 생성을 위해 일정량의 계산을 요구
 전체 Block의 256-bit hash값에 대한 조건이 주어짐
0 < hash of Block < Target
 조건을 만...
Mining & Incentives
Mining
 기존 block chain에 새로운 block를 계산하여 추가
 최근 생성된 block이 복수일 경우, miner가 새 block을
추가할 branch 선택
 기존...
Block Example
Block #275,667

자료 : blockexplorer.com

21
Genesis Block

자료 : blockexplorer.com

22
Fork
(거의) 동시에 두 개의 새로운 Block이 chain에 연결
Bn+1

Bn-2

Bn-1

Bn
B’n+1

각 노드(miner)는 두 block 중 하나를 선택, 새로운 block 연결
 miner의 선...
이중 사용 방지
가정
 기존 block에서 사용되고 확인된 output을 새로운
transaction에 input으로 사용하는 것은 불가능
 모든 transaction은 block에 추가되어야 거래가 완료
 즉, ...
Transaction 저장
Transaction
 과거의 모든 transaction을 저장하지 않고 사용이 완료된
transaction에 대한 기록은 폐기
 “unspent transaction” 리스트만 관리
 ...
알려진 공격들
51% attack
 공격자가 전체 사용자의 51% 이상의 계산 능력을 지님
 공격자는 두 개의 branch를 고의로 생성, 두 개의 branch 중 자신이 원하는
branch를 정당한 block ch...
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Bitcoin 기술분석 - 조남수

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'디지털통화와 비트코인' 세미나 발표 자료
한국전자통신연구원 암호기술연구실 조남수 박사
2013.9.19

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Bitcoin 기술분석 - 조남수

  1. 1. Bitcoin 기술 분석 소프트웨어연구부문/사이버보안연구단/암호기술연구실 조남수 2013. 12. 19.
  2. 2. 전자 화폐 (e-Cash) David Chaum이 최초 제안  “Blind signature for untraceable payment”, Crypto 1982 발전 방향  현실 화폐의 특징과 최대한 유사하게 설계  익명성 강조  Off-line 사용  발행 기관이 제한적  위조 방지 (이중 사용 방지) 2
  3. 3. 이중 사용 문제점  실물 화폐에 비해 복제가 용이함  Off-line 거래에서 이중 사용 방지는 근본적으로 어려움  사후 추적 기능 제공  이중 사용 방지를 위해 다양한 암호 기술 적용  비효율성 증가 011101101111… 011101101111… 011101101111… … 3
  4. 4. Bitcoin Satoshi Nakamoto 제안  “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, 2009 기존 전자 화폐와 차별화  공개성  On-line 사용  발행 및 검증 분산화 4
  5. 5. 암호학적 도구 해쉬 함수  SHA-256, RIPEMD-160 11010 … 011 균일한 길이 난수열 출력 전자 서명  ECDSA 비밀키 키생성 서명 검증 공개키 5
  6. 6. Bitcoin 구성 거래 정보를 모든 사용자에 공개 Bob Alice Alice [1BTC]  Bob broadcast 공유정보 Alice : 17BTC Bob : 23BTC … 6
  7. 7. Bitcoin 구성 위조 방지를 위한 전자 서명 추가 Bob Alice Sig(SKAlice , Alice [1BTC]  Bob) broadcast 공유정보 Alice : 17BTC Bob : 23BTC … 7
  8. 8. Bitcoin 구성 익명성 추가 Bob Alice Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob) A1 A2 broadcast A3 공유정보 A1 : 1BTC Bob : 23BTC A2 : 5BTC A3 : 11BTC … 8
  9. 9. Bitcoin 구성 이중 사용 Bob Alice Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Bob) A1 Sig(SKA1 , A1 [1BTC]  Charley) A2 A3 Charley 9
  10. 10. Bitcoin 구성 Block Chain을 이용한 transaction confirmation Bob Alice Sig(SKA1 ,1BTC : A1  Bob) A1 Transaction fail Sig(SKA1 ,1BTC : A1  Charley) A2 … A3 Bn-2 Bn-1 Bn Charley Bn 이중 사용 확인 confirmed Miner 10
  11. 11. Transaction 구조 Transaction = input + output  하나의 transaction에 다수의 input, output 포함 가능  output의 총합은 input 총합을 넘을 수 없음 AB 1BTC BC 1BTC C  D1 0.6 BTC C  D2 0.4 BTC D2 E 0.4 BTC EF 0.4 BTC E’  F 0.7 BTC input output Transaction 11 FG 1.1 BTC
  12. 12. 이중 사용 확인 신규 transaction의 input을 확인 Tx1(0) Tx1 코인생성 Tx1(1) 이중 사용 확인 Tx2(0) Tx2 Tx1(0) Tx1(1) Tx5(0) Tx2(1) Tx5(1) Tx4(2) Tx5(2) input output Tx2(1) Tx2(1) Tx1(0) Tx3(0) Tx3 Tx2(0) Tx4(1) Tx4(0) Tx4 Tx3(0) Tx4(0) Tx4(1) Tx4(2) unspent outputs Tx4(2) 12 Transaction (Tx5)
  13. 13. Transaction 서명 및 검증 서명 및 검증 자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto 13
  14. 14. Example (Real Transaction) Hash : 98ead69d1637143d9b548482c20872a230ff657b8c4e5b1bde2ae92b98c62e06 Appeared in Block 275,686 (2013-12-18 19:36:15) Size : 798 bytes input output 자료 : blockexplorer.com 14
  15. 15. Example (Transaction Raw Data) 자료 : blockexplorer.com 15
  16. 16. Example (Coinbase Transaction) 자료 : blockexplorer.com 16
  17. 17. Block Chain 구조 자료 : “Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, S. Nakamoto 17
  18. 18. Merkle Tree 구조 d1 h(c1||c2) c1 c2 h(b1||b2) h(b3||b4) b4 b1 b2 b3 h(a1||a2) h(a3||a4) h(a5||a6) 복제 a1 a2 a3 a4 a5 a6 h(Tx1) h(Tx2) h(Tx3) h(Tx4) h(Tx5) h(Tx6) Tx1 Tx2 Tx3 Tx4 Tx5 Tx6 18 h(a5||a6)
  19. 19. Proof of work (hashcash) Block 생성을 위해 일정량의 계산을 요구  전체 Block의 256-bit hash값에 대한 조건이 주어짐 0 < hash of Block < Target  조건을 만족하는 nonce를 찾는 문제  컴퓨팅 환경 및 사용자 변화와 무관하게 각 block 생성에 걸리는 시간을 일정하게 유지 난이도 조정  매 2016 block 마다 조정 (1block/10분 = 2016blocks/2주) new Target = old Target × 최근 2016 block 생성에 걸린 시간 (초) 2주 (초) 19
  20. 20. Mining & Incentives Mining  기존 block chain에 새로운 block를 계산하여 추가  최근 생성된 block이 복수일 경우, miner가 새 block을 추가할 branch 선택  기존 block에 포함되지 않은 transaction을 선택적으로 포함 (이중 사용 transaction 제외) Incentives  각 block은 첫 transaction으로 bitcoin 발행  최초 50BTC/1block 발행, 매 21만 block마다 반감 (현재 25BTC/1block)  Block에 포함된 모든 transaction의 verification fees 20
  21. 21. Block Example Block #275,667 자료 : blockexplorer.com 21
  22. 22. Genesis Block 자료 : blockexplorer.com 22
  23. 23. Fork (거의) 동시에 두 개의 새로운 Block이 chain에 연결 Bn+1 Bn-2 Bn-1 Bn B’n+1 각 노드(miner)는 두 block 중 하나를 선택, 새로운 block 연결  miner의 선택에 따른 branch 사이의 경쟁 Bn+1 B’n+1 Bn-2 Bn-1 Bn+2 Bn+4 B’n+2 Bn+3 Bn 두 branch의 차이가 크게 벌어질 수록 많은 수의 miner가 긴 branch로 이동하고, 최종적으로 짧은 branch는 사라짐 23
  24. 24. 이중 사용 방지 가정  기존 block에서 사용되고 확인된 output을 새로운 transaction에 input으로 사용하는 것은 불가능  모든 transaction은 block에 추가되어야 거래가 완료  즉, 이중 사용을 위해서는 동일 output을 포함한 transaction이 서로 다른 branch에 나뉘어 있어야 함 Branch 통합 후  사라진 branch에 포함된 transaction 중 기존 block chain 에 포함되지 않은 transaction은 새로운 block에서 흡수  이중 사용 transaction은 새로운 block에서 제외됨 24
  25. 25. Transaction 저장 Transaction  과거의 모든 transaction을 저장하지 않고 사용이 완료된 transaction에 대한 기록은 폐기  “unspent transaction” 리스트만 관리  Merkle Tree 축약 Root Root c1 c2 b2 b1 a1 a2 a3 Tx1 Tx2 Tx3 spent spent spent c1 b3 a4 Tx4 a5 b4 a6 a7 b2 b1 a8 Tx5 Tx6 Tx7 Tx8 spent spent spent spent 25 c2 a3 a4 Tx4
  26. 26. 알려진 공격들 51% attack  공격자가 전체 사용자의 51% 이상의 계산 능력을 지님  공격자는 두 개의 branch를 고의로 생성, 두 개의 branch 중 자신이 원하는 branch를 정당한 block chain으로 남길 수 있음 Race Attack  정당한 transaction 전송(unicast)함과 동시에 동일 input에 대한 수 백 개의 작은 transaction을 생성하여 여러 사용자에 전송(broadcast)  많은 사용자들에 전송한 transaction이 정당한 것으로 인정받을 확률이 높음 Finney Attack  공격자가 Transaction(AA’)을 포함한 block 생성  동일한 coin으로 Transaction(AB)를 지불  B가 거래를 인정하면 미리 생성한 block 발표 공격의 대상이 block confirmation까지 거래를 대기하면 방어 가능 26
  27. 27. Q&A Thank You 27

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