블록체인 코스 #11: PoW(작업증명) 원리·난이도·포크

이 글을 통해 PoW의 핵심 메커니즘과 보안 가정을 빠르게 이해하고, 난이도 조정과 포크/리오르그를 실무적으로 설명할 수 있습니다.

PoW는 무엇을 증명하나

• PoW는 네트워크에 검열 저항적 순서를 제공하기 위해 계산 비용을 요구합니다.
• 채굴자는 블록 후보의 헤더를 SHA-256(비트코인은 2회 적용)으로 해시해 목표값(Target) 이하가 나올 때까지 nonce를 바꿔 시도합니다.
• 먼저 조건을 만족한 노드가 블록을 제안하고, 정직한 노드 다수가 검증 후 채택합니다.

작동 과정 한 눈에

1. 트랜잭션 모으기: 유효성 검사 후 후보 블록에 담습니다.
2. 퍼즐 풀이: previousHash + merkleRoot + timestamp + difficulty + nonce를 입력으로 해시를 반복.
3. 블록 검증: 서명·잔액·이중지불·규칙 위반 여부를 확인합니다.
4. 보상 지급: 코인베이스 보상+수수료. 보상은 프로토콜에 따라 감소 스케줄을 가집니다.

팁: 검증은 빠르고(한 번의 해시 비교), 위조는 비쌉니다(막대한 해시 연산). 이 비대칭성이 PoW의 보안 핵심입니다.

해시 퍼즐 입력값과 변경성

항목	의미	퍼즐 중 변경
이전 블록 해시	체인 연속성	변경 불가
머클 루트	포함 트랜잭션 요약	일반적으론 고정
타임스탬프	현재 시각(허용 범위 내)	제한적 조정
난이도(difficulty)	목표값 크기	고정(조정 주기 외)
논스(nonce)	해시 재시도 카운터	자유롭게 변경

주의: 비트코인은 약 10분/블록을 목표로 하며, 2016블록마다 난이도 조정으로 평균 간격을 복원합니다.

포크와 리오르그(가장 긴 체인 규칙)

• 동시 발견이나 전파 지연으로 잠시 두 체인이 공존할 수 있습니다.
• 네트워크는 더 긴(정확히는 더 많은 누적 작업량의) 체인을 채택합니다.
• 채택 실패 체인의 블록은 고아 블록이 되어 트랜잭션이 다시 멤풀에 돌아갑니다.

장점과 단점

장점

• 보안성: 오랜 기간 실전 검증. 공격엔 실질 비용이 큽니다.
• 검증 용이성: 노드는 헤더 해시를 재계산해 조건만 확인하면 됩니다.

단점

• 에너지 소비: 해시 경쟁 비용이 큽니다.
• 처리량 제한: 블록 간격/크기 제약으로 TPS가 낮습니다.
• 참여 장벽: ASIC·전력비 등으로 채굴이 풀 중심으로 집중될 수 있습니다.

가정: 공격자가 해시 파워의 과반을 장악하면, 블록 생성 독점·이중지불 등 51% 공격이 가능해집니다. 따라서 해시 파워의 분산이 중요합니다.

실무 관점 체크리스트

• 난이도 변동성: 해시 파워 급증/감소 시 블록 간격 편차 대응.
• 시계 규칙: timestamp 검증 한도(예: 현재 시간 대비 허용 오차).
• 멱등성: 재전파·리오르그 환경에서 중복 처리 방지 설계.
• 관측: orphan rate, stale block, 평균 간격, 유효 해시율 모니터링.

더 배우기: 분산원장의 개념은 블록체인 코스 #9 — 분산원장 정의와 동작에서 복습하세요.