#8 Merkle Tree

Storage size optimization

비트코인의 모든 블록의 트랜잭션 데이터를 저장하려면 큰 space가 필요합니다. 검증인들은 이 데이터를 모두 저장할 필요가 있지만, 비트코인을 사용하는 모든 사람이 모든 트랜잭션 데이터(수백 GB)를 저장해야 한다면 아무도 비트코인 거래를 이용하지 않을 것 입니다.

비트코인은 이러한 비효율성을 줄이기위해 Merkle Tree를 도입하여 사용합니다. 머클트리에 대한 개념을 링크에서 먼저 공부하시는 것을 추천합니다.

구현할 것

머클트리의 구조는 아래 위키피디아에서 가져온 그림과 같이 Leaf 노드부터 해시를 구하고 2개의 해시를 이어서 다시 해시를 구해 부모노드를 만들어가는 구조입니다. Leaf 노드는 짝수개 존재해야합니다.

해시의 특성상 Leaf 중의 하나의 데이터(해시값)가 변경되면 그 데이터와 연관된 모든 부모의 해시값이 바뀝니다.

Merkle Tree from Wikipidia

Coinbase Transaction on New Block

Merkle Tree를 추가하기전에 새로운 블록이 생성될 때 코인베이스 트랜잭션이 발생하도록 코드를 수정합니다.

일단 transaction.go파일을 열어 CoinbaseTx의 데이터를 랜덤하게 생성되도록 바꿉니다.

// mining하면 to에게 코인을 보상으로 주는 Coinbase Transaction.
func CoinbaseTx(to, data string) *Transaction {
	if data == "" {
		randData := make([]byte, 24)
		_, err := rand.Read(randData)
		Handle(err)
		data = fmt.Sprintf("%x", randData)
	}

	txin := TxInput{[]byte{}, -1, nil, []byte(data)}
	txout := NewTXOutput(20, to)

	tx := Transaction{nil, []TxInput{txin}, []TxOutput{*txout}}
	tx.ID = tx.Hash()

	return &tx
}

send에서 블록을 추가할 때 Coinbase 트랜잭션을 추가하여 블록을 추가하는 주소에게 보상 20 코인을 주도록 합니다. cli/cli.go

// {from}에서 {to}로 {amount}만큼 보냅니다.
func (cli *CommandLine) send(from, to string, amount int) {
	if !wallet.ValidateAddress(from) {
		log.Panic("Address is not Valid")
	}
	if !wallet.ValidateAddress(to) {
		log.Panic("Address is not Valid")
	}
	chain := blockchain.ContinueBlockChain("") // blockchain을 DB로 부터 받아온다.
	UTXOset := blockchain.UTXOSet{chain}
	defer chain.Database.Close()

	cbTx := blockchain.CoinbaseTx(from, "")  // 코인베이스 트랜잭션을 생성하고
	tx := blockchain.NewTransaction(from, to, amount, &UTXOset) // send 트랜잭션도 생성하여
	block := chain.AddBlock([]*blockchain.Transaction{cbTx, tx}) // 새로운 블록에 추가합니다.
	UTXOset.Update(block)
	fmt.Println("Success!")
}

blockchain/blockchain.go파일을 열어서 VerifyTransaction을 다음과 같이 수정합니다.

// 트랜잭션을 검증합니다.
func (chain *BlockChain) VerifyTransaction(tx *Transaction) bool {
	// Coinbase 트랜잭션은 유효하다고 판단합니다.
	if tx.IsCoinbase() {
		return true
	}

	prevTXs := make(map[string]Transaction)

	for _, in := range tx.Inputs {
		prevTX, err := chain.FindTransaction(in.ID)
		Handle(err)
		prevTXs[hex.EncodeToString(prevTX.ID)] = prevTX
	}

	// 이전 거래 기록을 이용해서 검증합니다.
	return tx.Verify(prevTXs)
}

blockchain/merkle.go

Merkle Tree는 해시들의 해시로 생각할 수 있습니다. 리프노드(Leaf node)는 하나의 트랜잭션의 해시를 저장하며, 두개의 리프노드의 해시값을 합하여 새로운 부모노드를 만들어냅니다. 같은 방식으로 루트노드까지 만들고 Merkle Tree는 이 루트노드를 포인팅합니다.

package blockchain

import (
	"crypto/sha256"
)

// MerkleTree의 루트를 저장하는 스트럭쳐
type MerkleTree struct {
	RootNode *MerkleNode
}

// MerkleTree의 개별 노드
type MerkleNode struct {
	Left  *MerkleNode // 왼쪽 자식
	Right *MerkleNode // 오른쪽 자식
	Data  []byte      // hash 값
}

// MerkleNode를 생성하는 함수
func NewMerkleNode(left, right *MerkleNode, data []byte) *MerkleNode {
	node := MerkleNode{}

	// {left}, {right}가 없다면 leaf node
	if left == nil && right == nil {
		hash := sha256.Sum256(data)
		node.Data = hash[:]
	} else {
		// 자식들의 해시를 이어서 다시 Hash를 구함
		prevHashes := append(left.Data, right.Data...)
		hash := sha256.Sum256(prevHashes)
		node.Data = hash[:]
	}

	// 자식 연결
	node.Left = left
	node.Right = right

	return &node
}

// MerkleTree를 생성하는 과정
func NewMerkleTree(data [][]byte) *MerkleTree {
	var nodes []MerkleNode

	// 자식 노드의 수를 짝수로 만들어야함
	// 마지막 자식을 복사한다.
	if len(data)%2 != 0 {
		data = append(data, data[len(data)-1])
	}

	// Leaf node를 만드는 과정
	for _, dat := range data {
		node := NewMerkleNode(nil, nil, dat)
		nodes = append(nodes, *node)
	}

	// Tree height 만큼 순회
	for i := len(data); i > 1; i /= 2 {
		var level []MerkleNode

		// 순서대로 2개씩 합쳐서 노드 생성
		for j := 0; j < len(nodes); j += 2 {
			node := NewMerkleNode(&nodes[j], &nodes[j+1], nil)
			level = append(level, *node)
		}
		// 다음 iteration은 새로 만들어진 노드들로 진행
		nodes = level
	}

	// Root 노드 반환
	tree := MerkleTree{&nodes[0]}

	return &tree
}

blockchain/block.go

HashTransactions 코드를 바꾸어 머클트리를 구성하고 루트의 Hash값을 반환하도록 변경합니다.

// Block의 Transaction들을 합쳐서 하나의 해시를 만듭니다.
// Merkle Tree를 이용합니다.
func (b *Block) HashTransactions() []byte {
	var txHashes [][]byte

	for _, tx := range b.Transactions {
		txHashes = append(txHashes, tx.Serialize())
	}
	tree := NewMerkleTree(txHashes)

	// merkle tree를 구성하고 루트노드의 데이터 값이 최종 해시값
	return tree.RootNode.Data
}

Test

Send 시에 블록을 추가하기 때문에 코인베이스 트랜잭션이 발생하여 20코인이 더 주어진다.

printchain 으로 자세한 내용을 보면,

2번째 블록 (프린트 상에서는 위에서 첫번째)에 2개의 transaction이 적혀있고, 그 중 첫번째 트랜잭션은 Coinbase 트랜잭션임을 알 수 있다.

미구현 사항

풀 노드와 라이트 노드 개념이 없이, 일단 하나의 노드가 모든 블록체인 정보를 다 저장하기 때문에 머클트리의 장점은 활용하지 못하는 상황입니다.

코드는 https://github.com/siisee11/golang-blockchain 의 step8 브랜치에 있습니다 .

Last updated: May 8, 2021