블록체인 기술의 핵심에는 “합의”라는 개념이 자리 잡고 있다. 특히 비트코인(Bitcoin)에서의 합의는 작업증명(Proof of Work, PoW)을 통해 이루어진다. 이 과정에서 가장 자주 언급되는 요소 중 하나가 바로 nonce다. 그러나 종종 이 nonce가 단순히 트랜잭션 해시에 덧붙이는 수치라고 오해되곤 한다. 현실은 훨씬 더 체계적이고 정교하다.
블록 해시란 무엇인가?
비트코인에서 블록은 수많은 트랜잭션들을 담고 있으며, 이 블록이 유효함을 증명하기 위해 특정 조건을 만족하는 해시값이 필요하다. 이 해시값은 블록 헤더(Block Header)를 기반으로 계산된다.
블록 헤더의 구성 요소
비트코인의 블록 헤더는 정확히 80바이트로 구성되며 다음과 같은 필드들을 포함한다.
| 필드명 | 크기 (바이트) | 설명 |
|---|---|---|
| Version | 4 | 블록 버전 정보 |
| Previous Block Hash | 32 | 이전 블록의 해시 |
| Merkle Root | 32 | 트랜잭션 머클트리의 루트 해시 |
| Timestamp | 4 | 블록 생성 시간 (Epoch 기준) |
| Difficulty Target (nBits) | 4 | 난이도 조정값 |
| Nonce | 4 | 해시 조건을 만족시키기 위한 가변값 |
이 80바이트 전체가 SHA-256 해시 알고리즘에 두 번 연속 적용된다. 이를 Double SHA-256이라고 한다.
Nonce는 어떻게 사용되는가?
Nonce는 블록 해시를 조작하는 유일한 직접적인 수단이다. 이것은 4바이트 정수이며, 0부터 4,294,967,295 (2³²-1)까지의 값을 가지며 반복적으로 바뀌게 된다. 이 값이 바뀔 때마다 블록 헤더의 해시값도 변하며, 채굴자는 그 중 목표값(target) 이하의 해시를 찾는 것이 목표다.
해시값이 목표값보다 작을 확률은 난이도에 따라 극히 낮다. 때문에 채굴자는 수천만, 수억 번의 해시 연산을 반복적으로 수행하게 된다. 이는 PoW의 본질적인 비용이자, 블록체인의 보안성 확보의 기반이 된다.
단순한 덧셈이 아니다: 해시 함수의 입력
많은 이들이 오해하듯, Nonce는 단순히 “트랜잭션 해시에 +1” 하는 식으로 덧붙여 계산되는 것이 아니다. 오히려 Nonce는 블록 헤더 안에 포함된 정식 필드이며, 블록 전체의 요약 정보인 헤더의 일부분으로 처리된다.
SHA-256 해시는 입력의 작은 변화에도 전혀 다른 출력값을 생성하는 특징을 가지고 있다. 따라서 Nonce를 +1만 해도 해시값은 완전히 달라진다. 이것이 해시 공간을 샅샅이 탐색하는 방식이 가능하도록 해주는 수학적 기반이다.
단일 Nonce 공간의 한계와 확장
4바이트 정수 범위를 모두 소진해도 조건을 만족하는 해시값이 나오지 않을 경우, 채굴자는 해시 입력값을 바꾸는 다른 방법을 사용해야 한다. 가장 일반적인 방법은 코인베이스(Coinbase) 트랜잭션 내의 데이터를 수정해 Merkle Root 자체를 바꿔버리는 것이다. 대표적으로 채굴풀은 extraNonce 필드를 coinbase 스크립트에 삽입하고, 이를 통해 더 넓은 해시 공간을 확보한다.
이는 사실상 “헤더 내용 자체를 바꿔서 다시 해시를 반복”하는 방식이며, PoW 시스템의 유연성을 보여준다.
요약: Nonce는 블록 헤더의 구성 요소이자, 해시를 조작하는 열쇠
Nonce는 블록 헤더의 일부분으로 SHA-256 해시에 직접적으로 영향을 미친다.Nonce자체는 암호화되지 않지만, 해시 함수의 입력으로 처리되어 해시값을 결정짓는다.- 해시값을 만족하지 못할 경우
Nonce를 바꾸고, 필요하면 Merkle Root도 바꾼다. - 결국 채굴이란 블록 헤더 구조를 이해하고 그 해시값이 조건을 만족할 때까지 수많은 조합을 시도하는 계산적 탐색의 과정이다.
이해의 깊이가 깊어질수록, 블록체인이 단순한 암호화 기술이 아닌, 정교하게 설계된 분산 합의 알고리즘의 결정체라는 점이 명확해진다.