블록체인 일반적인 블록 만들기 - 비트코인

https://github.com/100space/2304/tree/main/0425

GitHub - 100space/2304

 

어제의 코드에 이어서 작업을 할 예정이다.

 

목차

1. Block 생성

2. 코드 작성

 

 

 

1. Block 생성

블록을 만든다는 것은 제네시스 블록을 기준으로 2번째 블록부터 만드는 과정이라고 할 수 있을 것이다.

n번째 블록을 생성하기 위해서는 n-1번째 블록의 정보를 가지고 있어야 한다. 그리고, 블록 안에 들어갈 data(transaction)의 내용을 알고 있어야 한다.

 

블록을 생성하는 과정 순서는

 

1. 이전 블록의 해시 값을 구한다.

2. 트랜잭션을 이용한 merkleRoot 해시값을 계산한다.

3. 블록의 다른 정보들을 포함하여 해싱하여 블록해시를 구한다.

4. 난이도 요구사항을 만족하는 해시를 찾을 때까지 nunce 값을 바꿔가며 연산을 하여 마이닝을 한다.

5. 유효한 해시가 발견되면 새 블록이 검증 및 블록체인에 포함되도록 네트워크에 브로드캐스팅된다.

 

 

2. 코드 작성

2-1. createBlockHash 함수 변경

블록을 생성하는 과정을 구현하기 전에 어제 작성했던 코드에서 약간의 수정하고 진행하려 한다.

 

BlockInfo의 클래스에서 merkleRoot 값은 data를 이용해서 얻는 값이기 때문에, BlockInfo로 옮긴다.

//기존
export class BlockInfo {
    public version!: string
    public height!: Height
    public timestamp!: Timestamp
    public previousHash!: Hash
    public merkleRoot!: Hash
    public nonce!: number
    public difficulty!: Difficulty
}

export class BlockData extends BlockInfo {
    public data!: TransactionData
}

//변경

export class BlockInfo {
    public version!: string
    public height!: Height
    public timestamp!: Timestamp
    public previousHash!: Hash
    public nonce!: number
    public difficulty!: Difficulty
}

export class BlockData extends BlockInfo {
    public merkleRoot!: Hash
    public data!: TransactionData
}

 

이제 블록의 해시를 구하는 코드를 확인해 보면 아래와 같다.

 

//기존

 createBlockHash(data: BlockInfo): Hash {
     const value = Object.values(data).sort().join("")
        return this.SHA256(value)
    }

merkleRoot의 위치 변경으로 인해 인자의 데이터 타입이 바뀌어야 한다.

//변경

    createBlockHash(data: BlockData): Hash {
        const { version, height, timestamp, merkleRoot, previousHash, difficulty, nonce } = data
        const value = `${version}${height}${timestamp}${merkleRoot}${previousHash}${difficulty}${nonce}`
        return this.SHA256(value)
    }

 

그리고 로직자체도 바뀌었는데, 기존의 방식의 잠재적 문제였던, 객체 내에 속성이 변경되었을 때, 정렬의 값이 항상 같은 순서를 생성하지 않을 수 있기 때문에 이로 인해 블록 해시의 값이 크게 달라져 기존 블록해시와 다른 해시라는 것으로 판단해 블록체인 네트워크 구축이 어려울 수 있다.

 

변경을 하면서 data를 특정 순서의 string 타입으로 고정시켰기 때문에 항상 같은 해시값을 얻을 수 있다.

 

 

2-2. 제네시스가 아닌 현재블록의 생성 검증

describe("Block", () => {
    let block: Block
    let crypto: CryptoModule
    beforeEach(() => {
        crypto = new CryptoModule()
        block = new Block(crypto)
    })
    describe("createBlockInfo", () => {
        const previousBlock = GENESIS
        it("createBlockHash 메서드가 존재하는가", () => {
            expect(typeof block.createBlockInfo).toBe("function") //해시를 만드는 함수가 있는지 판단
        })
        it("createBlock BlockInfo가 잘 만들어지는가?", () => {
            const newBlock = block.createBlockInfo(previousBlock)
            expect(typeof newBlock).toBe("object") // 블록이 객체형태로 잘 나오는지 판단
        })
        it("createBlock에서 BlockInfo 내용이 올바른가?", () => {
            const newBlock = block.createBlockInfo(previousBlock)

            expect(newBlock.previousHash).toBe(previousBlock.hash) // '새로운 블록의 이전 블록해시'는 '이전블록의 현재해시'와 같은지 비교
            expect(newBlock.height).toBe(previousBlock.height + 1) // 현재 블록의 높이가 이전 블록의 높이보다 1 큰지 비교
        })
    })
})

 

이전 블록의 정보를 이용하여 새로 만든 블록의 정보를 검증하는 테스트 코드이다.

 

 

2-3. 생성할 블록의 정보들(createBlockInfo)을 만들기

previousHash를 구하기 위해서 외부로부터 값을 얻어야 한다.
이전 블록에 대한 정보를 받아야 하는 것이다.

생성할 블록의 정보들(createBlockInfo)을 만드는 방법은 2가지로 표현할 수 있다.

// 방법 1 : 객체 리터럴을 이용하는 방법
const blockInfo: BlockInfo = {
    version: VERSION, // 보통 환경설정으로 정해두고 가져다 쓰기 때문에 상수로 만든 값을 가져오는 코드로 작성했다.
    height: previousBlock.height + 1,
    timestamp: new Date().getTime(),
    previousHash: previousBlock.hash, // 이전블럭의 해시값 = 생성할 블럭의 previousHash
    nonce: 0,
    difficulty: 0,
}

//방법 2 : 객체 인스턴스화 및 할당
const blockInfo = new BlockInfo()
blockInfo.version = VERSION
blockInfo.height = previousBlock.height + 1
blockInfo.timestamp = new Date().getTime()
blockInfo.previousHash = previousBlock.hash
blockInfo.nonce = 0
blockInfo.difficulty = 0

나중에 시간이 지난 후에도 볼 수 있도록 가독성이 좋은 코드로 작성해야 한다.

두 가지 방법 모두 사용가능한 방법이고 블록생성 코드를 구현하는데 지장은 없지만

방법 1을 이용하면 객체의 순서가 바뀌면서 해시값이 바뀔 가능성이 생기기 때문에 방법 2를 이용하였다.

 

 

2-4. isValidBlock 함수

블록에 대한 검증은 블록의 모든 해시에 대한 검증을 한다는 것을 의미한다.
기본적으로 지금 생성하고 있는 블록에 대한 데이터에서 hash를 이용하는 것은 '이전 해시', '현재 블록해시', '머클루트'이다.

다른 정보도 검증이 필요한 경우가 있지만, 보통의 경우 트랜잭션의 변조가 많고, 트랜잭션의 변조는 머클루트의 해시값 변조이다.
머클루트와 다른 정보들을 이용하여 블록해시를 설정하기 때문이 이 또한 바뀔 것이다.

데이터 조작이 되지 않았다면 모든 해시의 값이 일치할 것이기 때문에 변조를 추적하기 위해서 검증작업을 필수이다.

테스트 코드부터 작성하면 아래와 같다.
테스트 코드는 여러 가지 상황을 isVailBlock()를 통해 검증하는 과정을 나타낸다.

 

//block.test.ts

describe("isValidBlock", () => {
    let previousBlock: IBlock

    beforeEach(() => {
        previousBlock = { ...GENESIS }
    })
    it("매개변수에 넘겨받은 블록해시값이 올바른가?", () => {
        expect(() => {
            block.isVaildBlock(previousBlock)
        }).not.toThrowError()
    })
    it("매개변수에 넘겨받은 블록해시값이 올바르지 않으면 에러를 발생하는가?", () => {
        previousBlock.hash = "00000"
        expect(() => {
            block.isVaildBlock(previousBlock)
        }).toThrowError() // 올바르게 들어가면 에러가 터지지 않아서 test 결과는 fail이 반환된다.
    })
    it("블록해시값이 올바르지 않다면 에러는 발생하는가?", () => {
        //마지막 숫자 0 지움
        previousBlock.hash = "84ffab55c48e36cc480e2fd4c4bb0dc5ee1bb2d41a4f2a78a1533a8bb7df837"
        expect(() => {
            block.isVaildBlock(previousBlock)
        }).toThrowError() // 변경된적이 없어서 같은 값이면 에러발생
    })
})

실제 구현 코드는 아래와 같다

 

 isVaildBlock(block: IBlock): void {
    this.crypto.isValidHash(block.hash)
    const validHash = this.crypto.createBlockHash(block)
    if (validHash !== block.hash)
        throw new Error(`블록 해시값이 올바르지 않습니다. hash : ${validHash},${block.hash}`)
}

 

isValidHash() 함수를 이용해서 hash의 패턴(16진수, 64자리 문자열)을 검증한다.
점증된 해시를 블록을 생성할 때 생성한다. 생성된 hash값과 block생성자 함수를 이용해 생성한 해시값을 비교한다.

 

 

2-5. merkleRoot 함수 수정

어제의 코드를 보면

merkleRoot(data: TransactionData) {
    if (data instanceof TransactionRow) {
        // data : transactionRow
    } else {
        //data:string
        return merkle("sha256").sync([data]).root()
    }
}

이렇게 제네시스 블록을 만들기 위해 string 타입에 대해서만 머클루트를 만드는 로직을 작성하였는데,
2번째부터 다른 블록들을 data를 가지고 있기 때문에 수정해야 한다.

 

merkleRoot(data:TransactionData){
    if(typeof data === "string"){
        return merkle("sha256").sync([data]).root()
    }else if(Array.isArray(data)){
        // [{},{},{}....] -> 유효한 hash만 남긴다 [{},{},...] -> value로만 이루어진 배열로 만든다 ["","",...]
        const sync = data
            .filter((v: TransactionRow) => {
                if (!v.hash) return false
                else this.isValidHash(v.hash)
                return true
            })
            .map((v) => v.hash) as string[]
        return merkle("sha256").sync(sync).root()
    }
}

 

 

2-6. 블록의 구성요소 만들기

 

4번 과정을 완성하면 블록의 해시의 변조를 검증할 수 있다.
그래서 4번 과정을 이용해서 2번 과정에서 만들었던 정보들을 만들기 전에 검증하는 과정을 거치고 정보를 생성하게 되면 블록의 불변성을 유지할 수 있다.

 

// 2번과정을 정리해보면

createBlockInfo(previousBlock:IBlock):BlockInfo{
    this.inVaildBlock(previousBlock)

    const blockInfo = new BlockInfo()
    blockInfo.version = VERSION
    blockInfo.height = previousBlock.height + 1
    blockInfo.timestamp = new Date().getTime()
    blockInfo.previousHash = previousBlock.hash

    return blockInfo
}

 

이렇게 블록의 기본 정보를 생성하는 메서드를 완성시킬 수 있고, 이 createBlockInfo() 함수를 이용하여
블록의 data와 merkleRoot가 포함된 객체를 생성하는 메서드(createBlockData)를 만들 수 있다.

 

createBlockData(blockInfo : BlockInfo, data:TransactionData):BlockData{
    return {
        ...blockInfo
        merkleRoot:this.crypto.merkleRoot(data)
        data
    } as BlockData
}

 

createBlockData() 함수는 blockInfo와 트랜잭션으로 이루어져 있는 data를 인자값으로 받는다.
위에서 createBlockInfo() 함수는 새로운 블록을 만들고 이 함수의 return이 blockInfo임을 이용하여 createBlockData()를 수정할 수 있다.

 

// 리펙토링 한 코드

createBlockData(previousBlock:IBlock, data:TransactionData) : BlockData{
    const blockInfo = this.createBlockInfo(previousBlock)
    return {
        ...blockInfo
        merkleRoot:this.crypto.merkleRoot(data)
        data
    } as BlockData
}

 

data는 TransactionData의 테이터 타입을 가지고 있는데, 이 데이터 타입을 살펴보면

 

export class TransactionRow {
    hash?: string
}
export type TransactionData = string | TransactionRow[]

 

위와 같다. string 타입과 TransactionRow[] 타입을 가지고 있는데, 제네시스 블록에서 Data의 값은 텍스트로 지정해 뒀기 때문에 string 타입이며,
제네시스 블록이 아닌 블록들은 data에 트랜잭션들이 있고 한 개의 트랜잭션에는 해시값을 가지고 있는 상황으로 구성하였다. 그래서 제네시스 블록이 아닌 블록은 해시값을 포함하는 객체들을 배열 형태로 가지고 있다고 지정하였기 때문에 TransactionRow[] 라는 데이터 타입을 가지게 되었다.

 

 

 

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