블록체인의 핵심은 ‘합의’입니다. 분산된 네트워크에서 하나의 거래를 신뢰할 수 있도록 보장하려면, 참여자들이 동의하는 공통의 기준이 필요합니다. 이 역할을 수행하는 것이 바로 합의 알고리즘이며, 각 블록을 생성하고 기록하는 과정을 통제하는 핵심 기술입니다. 본 글에서는 블록체인 네트워크가 어떻게 새로운 블록을 생성하는지 그 원리를 설명하고, 대표적인 합의 알고리즘인 PoW(작업증명), PoS(지분증명), BFT(비잔틴 장애 허용)를 중심으로 각각의 특징과 차이점을 살펴보겠습니다.
블록체인의 블록 생성 원리와 구조 이해
블록체인은 말 그대로 '블록(block)'이 연속적으로 연결된 '체인(chain)'입니다. 여기서 블록은 특정 시간 동안 발생한 거래 기록(Transaction Data)을 담고 있는 데이터 묶음이며, 이 블록들이 일정한 규칙에 따라 순차적으로 연결되어 하나의 체인을 이루게 됩니다.
블록 생성은 일반적으로 다음과 같은 과정을 거칩니다.
- 트랜잭션 수집: 사용자 간의 거래 요청이 발생하면, 이 요청은 블록체인 네트워크에 전파됩니다. 각 노드는 이를 메모리풀(mem pool)에 저장합니다.
- 블록 후보 생성: 노드는 일정 수의 거래를 모아 블록 후보를 생성합니다.
- 합의 알고리즘 수행: PoW나 PoS 등의 방식으로 블록의 유효성을 검증합니다.
- 블록 확정 및 연결: 합의된 블록은 이전 블록과 연결되어 체인을 이루며, 네트워크 전반에 전파됩니다.
블록 헤더에는 다음과 같은 핵심 요소가 포함됩니다.
- 이전 블록의 해시
- 머클 루트(거래 내역을 요약한 해시 값)
- 타임스탬프
- 난이도(difficulty)
- 논스(nonce)
블록체인의 신뢰성은 바로 이 구조적인 투명성과 해시 기반의 연결을 통해 보장됩니다. 모든 블록은 이전 블록과 연결되어 있기 때문에 중간의 내용을 임의로 수정하면 체인 전체가 무효화되는 구조입니다. 따라서 블록 생성은 단순한 데이터 기록 이상의 의미를 가지며, 시스템 전체의 안정성과 신뢰성을 결정하는 요소입니다.
PoW와 PoS의 작동 방식과 차이점
합의 알고리즘은 블록체인에서 분산된 노드 간의 거래 기록을 어떻게 신뢰할 것인가에 대한 해답입니다. 그 중에서도 가장 널리 알려진 방식은 PoW(Proof of Work)와 PoS(Proof of Stake)입니다.
1. PoW (작업증명)
PoW는 비트코인과 이더리움 초기 버전 등에서 사용된 방식으로, 복잡한 수학 문제를 먼저 푸는 노드가 블록을 생성할 수 있는 권한을 얻는 구조입니다. 이 방식에서는 '논스(nonce)'를 찾아 일정 조건을 만족하는 해시 값을 만들어내야 하며, 이 과정은 엄청난 계산 능력을 요구합니다. 이를 마이닝(Mining)이라 부르며, 작업에 성공한 노드는 보상으로 코인을 얻습니다.
장점:
- 보안성 뛰어남 (51% 공격 시 비용 매우 큼)
- 탈중앙화가 잘 유지됨
단점:
- 에너지 소비 과다 (전 세계 전력 사용량 급증 요인)
- 트랜잭션 처리 속도 느림
2. PoS (지분증명)
PoS는 사용자의 암호화폐 보유량(Stake)을 기준으로 블록 생성 권한을 부여하는 방식입니다. 더 많은 지분을 가진 사용자가 블록을 생성할 가능성이 높으며, PoW보다 에너지 효율이 좋습니다.
대표적인 PoS 기반 플랫폼으로는 이더리움(ETH2.0), 카르다노(Cardano), 폴카닷(Polkadot) 등이 있으며, PoS는 마이닝 대신 밸리데이터(validator)가 트랜잭션을 검증합니다. 잘못된 행동 시 보유 지분이 소각되는 슬래싱(slashing) 제도가 있어 보안도 확보됩니다.
장점:
- 에너지 효율성 우수
- 처리 속도 빠름
- 탈중앙화 유지 가능성 높음
단점:
- 지분이 많은 자의 권력 집중 우려
- 초기 분산이 중요함
최근에는 PoS와 DPoS(Delegated PoS), NPoS(Nominated PoS) 등 다양한 변형 알고리즘이 등장하면서, 각 프로젝트에 맞는 최적의 방식이 선택되고 있습니다.
BFT 기반 합의 알고리즘과 응용
BFT(Byzantine Fault Tolerance)는 전통적인 합의 문제를 해결하기 위한 알고리즘으로, 악의적인 노드가 네트워크 일부에 존재해도 전체 시스템의 안정성을 유지할 수 있도록 설계된 방식입니다. 이 알고리즘의 이름은 고대 비잔틴 장군 문제에서 유래했으며, 일부 참여자가 잘못된 정보를 제공하거나 조작을 시도해도 나머지 정직한 노드들이 올바른 결정을 내릴 수 있어야 한다는 것이 핵심입니다.
Practical BFT (PBFT)
PBFT는 BFT의 실제 응용 형태로, 노드 간에 여러 차례 메시지를 주고받으며 합의를 도출합니다. 최대 1/3의 악의적인 노드가 있어도 전체 합의에는 문제가 없습니다.
적용 사례:
- 하이퍼레저 패브릭(Hyperledger Fabric)
- 코스모스(Cosmos Tendermint)
- 솔라나(Solana – PBFT + PoH 혼합 구조)
특징:
- 빠른 처리 속도
- 지연 시간 낮음
- 소규모 네트워크에 적합
단점:
- 네트워크 확장성이 낮음 (노드 수 증가 시 메시지 폭발)
- 고정된 참여자 네트워크에 적합
BFT + PoS 구조
최근에는 BFT와 PoS를 혼합한 구조가 다수 등장하고 있습니다. 예를 들어 Tendermint는 PoS 기반의 지분 투표를 통해 밸리데이터를 선정하고, BFT 기반의 메시지 합의를 통해 최종 블록을 확정합니다. 이는 빠른 속도와 보안성을 동시에 확보할 수 있는 방안으로, DApp 중심의 블록체인에 적합합니다.
결론
블록체인 기술의 성패는 '합의'에 달려 있다고 해도 과언이 아닙니다. PoW, PoS, BFT 등 다양한 합의 알고리즘은 각자의 장단점과 특수성을 갖고 있으며, 프로젝트의 목표와 환경에 따라 적절한 방식을 선택해야 합니다.
블록 생성 원리를 이해하고, 각 합의 방식의 작동 구조를 명확히 파악하는 것은 개발자, 투자자, 일반 사용자 모두에게 중요한 지식입니다. 빠르게 진화하는 블록체인 생태계 속에서, 이러한 핵심 기술을 제대로 이해하고 활용하는 것이 신뢰할 수 있는 네트워크 구축의 첫걸음이 될 것입니다.