📝 이더리움 간단 정리

🔍이더리움이란

이더리움은 퍼블릭 블록체인의 일종으로 스마트 컨트랙트(smart contract)를 실행하는 탈중앙화된 월드 컴퓨터이다.

이더리움은 결정론적이지만, 한정되지 않은 상태 머신이며, 전역적으로 접근 가능한 싱글톤 상태와 그 상태를 변화시킬 수 있는 가상머신으로 구성되어 있다.

📦구성 요소

• Peer-to-Peer 네트워크 (P2P network)
  이더리움은 TCP 포트 30303으로 접속 가능한 이더리움 메인 네트워크(Ethereum main network)에서 실행된다.
  
  
• 합의 규칙(consensus rules)
  이더리움의 합의 규칙은 기준 사양인 황서(Yello Paper)에 정의되어 있다.
  
  
• 트랜잭션(transactons)
  이더리움 트랜잭션은 보낸 사람, 받는 사람, 값 및 데이터 페이로드가 포함된 네트워크 메시지이다.
  
  
• 상태 머신(state machine)
  이더리움 상태 전이는 바이트코드(bytecode, 기계어 명령어)를 실행하는 스택 기반 가상머신인 EVM(Ethereum Virtual Machine, 이더리움 가상머신)에 의해 처리된다.
  스마트 컨트랙트는 바이트 코드로 컴파일되어 EVM을 통해 실행된다.
  
  
• 데이터 구조(data structure)
  이더리움의 상태는 트랜잭션 및 시스템 상태가 머클 패트리샤 트리(Merkle Patricia Tree)라고 하는 직렬화(seriallize)된 해시 데이터 구조로, 각 노드의 데이터베이스(levelDB)에 저장된다.
  
  
• 합의 알고리즘(consensus algorithm)
  이더리움은 비트코인의 합의 모델인 나가모토 합의(Nakamoto Consensus)를 사용한다.
  나카모토 합의는 순차 단일 서명 블록을 사용하여 작업증명(PoW)의 중요도 가중치가 가장 긴 체인(현재 상태)을 결정한다.
  그러나 이더리움 2.0부턴 지분증명(PoS) 가중 투표 시스템으로 전환할 계획이다.
  
  
• 경제적 보안성(economic security)
  이더리움은 현재 Ethash라는 작업증명(PoW) 알고리즘을 사용하지만, 향후에는 결국 지분증명(PoS) 알고리즘을 사용할 예정이다.
  
  
• 클라이언트(clients)
  이더리움은 클라이언트 소프트웨어를 상호운용할 수 있는 구조체를 갖고 있다.
  가장 유명한 것은 게스(Go-Ehtereum, Geth)와 패리티(Parity)이다.

⚙️작동 방식

1. 이더리움은 본질적으로 트랜잭션에 기반한 상태 머신 (state machine)이다.
   
   
2. 상태 머신은 일련의 정보를 읽고 이를 바탕으로 새로운 state로 이동하는 시스템을 의미한다.
   
   
3. 이더리움 상태 머신은 소위 제네시스(Genesis)라 불리는 state에서 출발하며 제네시스는 네트워크에서 어떠한 트랜잭션도 발생하지 않은 state를 말한다.
   
   
4. 이더리움의 state는 수백만의 트랜잭션들로 이루어져 있는데, 이는 블록단위로 묶여 있다.
   
   
5. 블록은 일련의 트랜잭션들을 포함하고, 각각의 블록들은 이전 블록과 블록 해시를 매개로 연결되어 있다.
   
   
6. 하나의 state로부터 다음 state로 넘어가기 위해서는 반드시 해당 트랜잭션이 유효한 트랜잭션이어야 한다.
   
   
7. 트랜잭션이 유효하다면, 네트워크에 참여하는 다수의 채굴자 노드들로부터 경쟁적인 채굴을 거쳐 블록으로 병합 및 등록된다.
   
   

🔑계정 (Account)

🔍이더리움에서 계정이란

• 이더리움의 상태(State)는 글로벌하게 공유되며 이는 계정(Account)을 매핑시킨 주소들의 집합이다.
  
  
• 특정 계정은 메시지 전달 프레임워크를 통해 다른 계정과 상호작용한다.
  
  
• 각 계정은 자신에 대한 정보와 20바이트의 주소를 가진다.

🏷️계정 종류

• 외부 소유 계정 (Externally Owned Account: EOA)
  • 개인키가 있다.
  • 개인 키로 제어되며 코드를 저장할 수 없다.
  • 자금 또는 컨트랙트에 대한 접근을 제어한다.
  • 트랜잭션을 시작할 수 있다.
    
    
• 컨트택트 계정 (Contract Account: CA)
  • 개인키가 없다.
  • 스마트 컨트랙트 로직에 의해 제어되며 스마트 컨트랙트 코드를 저장할 수 있다.
  • 개인키가 없어 스스로 트랜잭션을 시작할 수 없다.
  • 외부 트랜잭션에 대한 응답을 통해 트랜잭션을 실행할 수 있다.

📦계정 구성 요소

• 논스(Nonce)
  • EOA의 경우, 해당 계정의 주소로부터 시작한 트랜잭션들의 수를 의미한다.
  • CA의 경우, 해당 계정에 의해 생성된 컨트랙트의 수를 의미한다.
    
    
• Balance
  • 해당 계정이 소유하고 있는 Wei의 양 (10^18 Wei = 1 ETH)
    
    
• StorageRoot
  • 머클 패트리샤 트리의 루트노드를 해싱한 값
  • 머클 패트리샤 트리는 이더리움의 TX를 보관하고 유효성을 검증하기 위한 자료구조로 계정에 저장된 요소들을 해시값으로 암호화하였다.
    
    
• CodeHash
  • EVM(Ethereum Virtual Machine)에서 실행될 코드의 해시값
  • CA의 경우, 해당 계정에서 실행시킬 스마트 컨트랙트 코드의 해시값이다.
  • EOA의 경우, 코드를 저장할 수 없기해 empty 문자열의 해시값이다.

📜트랜잭션

🔍이더리움에서 트랜잭션이란

• 트랜잭션은 외부 소유 계정(EOA)에 의해 서명된 바이너리 메시지이다.
  
  
• 이더리움 네트워크에 의해 전송되고 이더리움 블록체인에 기록된다.
  
  
• 트랜잭션은 EVM에서 상태 변경을 유발하거나 컨트랙트를 실행할 수 있는 유일한 방법이다.

📦트랜잭션 구조

• 논스(Nonce)
  발신 EOA에 의해 발행되어 메시지 재사용을 방지하는데 사용되는 일렬번호
  탈중앙화된 시스템에서 트랜잭션 처리 우선순위를 판별할 때 사용한다.
  
  
• 가스 가격(gas price)
  발신자가 지급하는 가스의 가격
  
  
• 가스 한도(gas limit)
  이 트랜잭션을 위해 구입할 가스의 최대량
  
  
• 수신자(recipient)
  목적지 이더리움 주소
  
  
• 값(value)
  목적지에 보낼 이더의 양
  
  
• 데이터(data)
  가변 길이 바이너리 데이터 페이로드
  
  
• v,r,s
  EOA의 ECDSA 디지털 서명의 세가지 구성요소

🪙트랜잭션 가스

• 가스는 이더리움의 연료로 트랜잭션 및 연산 발생 시 발신자가 부담하는 수수료이며 이는 채굴자에게 보상으로 지급된다.
  
  
• 이더리움은 트랜잭션에 가스를 부과하여 트랜잭션 발생과 트랜잭션이 사용하는 자원의 양을 제어한다.
  
  
• 가스 가격을 조정해 트랜잭션 컨펌 우선순위를 조정할 수 있다.
  
  
• 트랜잭션에서 과도한 연산이 발생해 가스 한도(gas limit)를 넘어설 경우 해당 트랜잭션 처리를 중단한다.
  
  
• 가스 가격(gas price) * 가스 한도(gas limit) = 최대 수수료

📭트랜잭션 수신자

• 20byte의 이더리움 주소를 포함하며 EOA 또는 컨트랙트의 주소일 수 있다.
  
  
• 이더리움은 해당 필드를 검증하지 않으며 모든 20byte 값은 유효하다고 간주한다.

✉️트랜잭션 페이로드

• 트랜잭션의 주요 페이로드는 값과 데이터에 포함된다.
  
  
• 트랜잭션은 값과 데이터, 값만, 데이터만, 값과 데이터 모두 가지지 않는 네가지 조합이 모두 유효하다.
  
  
• 값만 있는 트랜잭션은 지급(payment), 데이터만 있는 트랜잭션은 호출(invocation), 값과 데이터 모두 사용하는 트랜잭션은 지급과 호출이다.
  
  
• 지급 트랜잭션은 수신자 주소가 EOA인지 컨트랙트인지에 따라 다르게 작동한다.
  • EOA인 경우, 이더리움은 상태 변경을 기록하여 주소 잔액에 보낸 값을 추가한다.
  • 컨트랙트인 경우, EVM은 컨트랙트를 실행하고 트랜잭션의 데이터 페이로드에 지정된 함수를 호출하려 한다.
  • 데이터가 없으면 폴백 함수를 호출하고, 폴백함수가 설정되지 않은 경우엔 EOA와 마찬가지로 컨트랙트의 잔액을 늘린다.
    
    
• 호출 트랜잭션은 대부분 컨트랙트로 향하며 전달된 데이터는 EVM에 의해 컨트랙트 호출로서 해석되고 컨트랙트에서는 이를 함수 호출로 사용한다.

🔧컨트랙트 생성 트랜잭션

• 컨트랙트 생성 트랜잭션은 제로 어드레스라고 하는 특수 대상 주소로 전송된다.
• 컨트랙트 생성의 수신자 주소는 0x0으로 해당 주소는 EOA나 컨트랙트를 나타내지 않으며 이더를 소비하거나 트랜잭션을 시작할 수 없다.

📨트랜잭션 전파

• 이더리움 네트워크는 '플러드 라우팅(flood routing)' 프로토콜을 사용한다.
  
  
• 각 이더리움 클라이언트는 메시 네트워크를 형성하는 P2P 네크워크에서 노드 역할을 한다.
  
  
• 트랜잭션 전파는 서명된 트랜잭션을 생성한 이더리움 노드에서 시작해 이웃 노드라 불리는 직접 연결된 다른 모든 이더리움 노드로 전송된다.
  
  
• 각 이웃 노드는 트랜잭션을 수신하면 즉시 유효성을 검사한다.
  
  
• 트랜잭션의 유효성이 입증되면 이웃 노드들은 해당 사본을 저장하고 모든 이웃에게 트랜잭션을 전파한다.
  
  
• 결과적으로 트랜잭션은 네트워크의 모든 노드가 트랜잭션 사본을 가질 때까지 시작 노드에서 바깥쪽으로 물결치며 퍼진다(flooding).

📝스마트 컨트랙트

🔍스마트 컨트랙트란

• 스마트 컨트랙트는 불변적인(immutable) 컴퓨터 프로그램으로 EVM(이더리움 가상 머신)의 컨트랙트상에서 결정론적(deterministically) 작동한다.
  
  
• 스마트 컨트랙트 코드는 일단 배포되면 변경할 수 없으며 수정하는 유일한 방법은 새로운 인스턴스를 배포하는 것이다.
  
  
• 스마트 컨트랙트를 실행한 결과물은 그것을 실행한 모든 노드에게 동일한데, 이는 실행을 시작한 트랜잭션의 컨텍스트와 실행 시점에 이더리움 블록체인의 상태가 동일하기 때문이다.
  
  
• 스마트 컨트랙트는 솔리디티(Solidity)나 바이퍼(Vyper)와 같은 고급 프로그래밍 언어로 작성된다.
  
  
• 스마트 컨트랙트는 EVM 위에서 실행되며 이를 위해선 저수준의 바이트 코드로 컴파일 되어야 한다.

⚙️작동 방식

1. 스마트 컨트랙트를 작성한다.
   
   
2. 컨트랙트를 EVM에서 실행되는 저수준의 바이트코드로 컴파일한다.
   
   
3. 컴파일되면 컨트랙트 생성 트랜잭션을 사용하여 이더리움 플랫폼에 배포된다.
   
   
4. 배포된 컨트랙트는 트랜잭션에 의해 호출된 경우에만 실행되며 자체적으로 백그라운드에서 실행되지 않는다.
   
   
5. 트랜잭션은 원자성(atomic)을 가지는데 모든 실행이 성공적으로 종료된 경우에만 상태 변경 사항이 기록 및 실행되고 오류로 인해 실행이 실패하면 모든 상태 변경 트랜잭션이 실행되지 않은 것처럼 롤백된다.
   
   
6. 한번 배포된 컨트랙트는 수정이 불가하지만 삭제하여 해당 주소에서 코드와 스토리지를 제거하고 빈 계정으로 남길 수 있다.
   
   
7. 컨트랙트를 삭제하면 가스를 환불이 발생하며, 이는 삭제를 통해 네트워크 클라이언트 자원을 반환하도록 하는 동기부여로 작용한다.
   
   
8. 컨트랙트를 삭제하더라도 트랜잭션 내역은 제거되지 않는다.

💽EVM

🔍EVM이란

• 이더리움 가상 머신(Ethereum Virtual Machine)은 바이트코드로 컴파일된 프로그래밍 언어의 인터프리터와 비슷한 계산 엔진이다.
  
  
• EOA에서 EOA로 간단한 값을 전송하는 트랜잭션을 제외한 모든 EVM에 의한 상태 업데이트를 수반한다.
  
  
• EVM은 모든 이더리움 노드에서 로컬 인스턴스로 실행되지만, EVM의 모든 인스턴스는 동일한 초기 상태에서 작동하고 동일한최종 상태를 생성하기 때문에 시스템 전체가 탈중앙화된 단일 월드 컴퓨터로 작동한다.
  
  
• EVM은 메모리 내의 모든 값을 스택에 저장하는 스택 기반 아키텍처이며 256비트의 단어 크기로 동작한다.
  
  
• EVM은 유사 튜링 완전 상태 머신으로 무한 루프를 제외한 모든 프로그램을 실행할 수 있다.
  
  
• EVM은 실행 순서가 외부(이더리움 클라이언트)에서 구성되기에 스케줄링 기능이 없다.
  
  
• EVM은 시스템 인터페이스(System Interface) 처리가 없다.

📦EVM 구조

• EVM 월드 상태 (EVM World State)
  이더리움 주소를 매핑한 계정(Account)의 집합
  
  
• 변수와 유닛의 EVM 글로벌 네임스페이스
  
  
• EVM 실행모델 (EVM Execution Model)
  • EVM 상태
    • 프로그램 코드(스마트 컨트랙트의 바이트코드) ROM
    • 영구 스토리지
    • 휘발성 메모리
    • 프로그램 카운터
    • 스택
  • 바이트코드 형태의 연산코드(OPCODE) 상태 사이클

참고자료

1. Mastering Ethereum, by Andreas M. Antonopoulos, Gavin Wood
2. https://hersheythings.xyz/entry/ethtereumstructure