이더리움은 복잡한 다층 구조를 가진 분산 컴퓨팅 플랫폼으로, 그 핵심에는 이더리움 가상머신(EVM)이라는 혁신적인 실행 환경이 있습니다. 전 세계 수천 개의 노드가 동일한 코드를 실행하며 합의를 이루는 이 시스템은 기존 컴퓨팅 패러다임과 완전히 다른 접근 방식을 제시합니다. 이더리움의 구조는 물리적 하드웨어부터 애플리케이션 레이어까지 여러 계층으로 구성되어 있으며, 각 계층이 유기적으로 연결되어 탈중앙화된 월드 컴퓨터를 구현합니다. 이 글에서는 이더리움의 전체 구조부터 가상머신의 세부 메커니즘, 그리고 복잡한 작동원리까지 기술적 관점에서 상세히 분석해 보겠습니다.
이더리움 구조
이더리움의 전체 구조는 크게 5개 계층으로 나뉩니다. 가장 하위 계층인 네트워크 계층에서는 P2P 통신을 통해 전 세계 노드들이 연결됩니다. 현재 약 8,000개의 이더리움 노드가 전 세계에 분산되어 있으며, 이들은 devp2 p 프로토콜을 사용하여 통신합니다. 두 번째 계층인 블록체인 계층에서는 거래와 블록이 저장되고 검증됩니다. 이더리움은 평균 12-15초마다 새로운 블록을 생성하며, 각 블록은 최대 1,500만 가스까지 거래를 포함할 수 있습니다. 세 번째 계층인 상태 계층에서는 모든 계정의 상태 정보가 관리됩니다. 이더리움은 현재 약 2억 개의 계정을 보유하고 있으며, 각 계정은 잔액, 논스, 스토리지 해시, 코드 해시 등의 정보를 저장합니다. 네 번째 계층인 가상머신 계층에서는 EVM이 스마트 컨트랙트를 실행합니다. 이더리움 가상머신은 256비트 워드 크기를 가지며, 스택 기반 아키텍처를 사용합니다. 최상위 계층인 애플리케이션 계층에서는 dApp과 사용자 인터페이스가 작동합니다. 이더리움의 데이터 구조는 머클 패트리샤 트리(Merkle Patricia Tree)를 사용하여 효율적으로 관리됩니다. 이 구조는 상태 검증을 빠르게 수행할 수 있게 해 주며, 라이트 클라이언트의 구현을 가능하게 합니다. 이더리움은 또한 두 가지 유형의 계정을 지원합니다. 외부 소유 계정(EOA)은 개인키로 제어되는 일반적인 계정이고, 컨트랙트 계정은 스마트 컨트랙트 코드를 포함하는 계정입니다. 이더리움의 구조는 모듈화 되어 있어 각 구성 요소를 독립적으로 업그레이드할 수 있습니다. 이는 시스템의 유연성과 확장성을 크게 향상합니다.
가상머신
이더리움 가상머신(EVM)은 이더리움의 핵심 구성 요소로, 모든 스마트 컨트랙트와 거래를 실행하는 분산 컴퓨팅 환경입니다. 가상머신은 256비트 워드를 사용하는 스택 기반 아키텍처로 설계되었으며, 이는 암호학적 연산에 최적화되어 있습니다. EVM은 총 1,024개의 스택 아이템을 지원하며, 각 연산은 스택에서 데이터를 가져와 처리한 후 결과를 다시 스택에 저장합니다. 가상머신은 튜링 완전한 실행 환경을 제공하지만, 가스 시스템을 통해 무한 루프를 방지합니다. 각 연산에는 가스 비용이 책정되어 있으며, 예를 들어 단순한 덧셈은 3 가스, 저장 연산은 20,000 가스가 소요됩니다. 현재 가스 한도는 블록당 3,000만 가스로 설정되어 있습니다. EVM은 바이트코드로 컴파일된 프로그램을 실행합니다. 솔리디티, 바이퍼 등의 고급 언어로 작성된 스마트 컨트랙트는 EVM 바이트코드로 컴파일되어 배포됩니다. 이 바이트코드는 총 140개의 연산 코드(opcode)를 지원하며, 각각 산술 연산, 비교 연산, 메모리 조작, 스토리지 접근 등 다양한 기능을 수행합니다. 가상머신은 또한 세 가지 종류의 메모리를 관리합니다. 스택은 임시 데이터를 저장하는 LIFO 구조이고, 메모리는 함수 실행 중 사용되는 임시 저장소이며, 스토리지는 영구적으로 데이터를 저장하는 공간입니다. 스토리지 접근은 가장 비싼 연산 중 하나로, 새로운 슬롯에 데이터를 저장하는 데 20,000가스가 소요됩니다. EVM은 결정론적 실행을 보장합니다. 동일한 입력에 대해 모든 노드에서 동일한 결과를 생성하며, 이는 합의 달성에 필수적입니다. 가상머신은 또한 샌드박스 환경을 제공하여 악성 코드가 시스템에 해를 끼치는 것을 방지합니다.
작동원리
이더리움의 작동원리는 상태 전이 시스템을 기반으로 합니다. 네트워크의 전체 상태는 모든 계정의 잔액, 스토리지, 코드 등을 포함하는 거대한 데이터 구조입니다. 거래가 실행될 때마다 이 상태가 변경되며, 모든 노드는 동일한 상태를 유지해야 합니다. 거래 처리 과정은 다음과 같습니다. 사용자가 거래를 생성하면, 이는 먼저 메모리 풀(mempool)에 저장됩니다. 채굴자들은 메모리 풀에서 거래를 선택하여 블록을 구성하며, 일반적으로 가스 가격이 높은 거래를 우선적으로 선택합니다. 현재 이더리움 메모리 풀에는 평균 20만 개의 대기 중인 거래가 있습니다. 블록 생성 과정에서 채굴자(또는 검증자)는 선택된 거래들을 순차적으로 실행합니다. 각 거래는 EVM에서 실행되며, 실행 결과에 따라 상태가 업데이트됩니다. 만약 거래 실행 중 오류가 발생하면, 상태 변경은 롤백되지만 가스비는 소모됩니다. 합의 메커니즘은 이더리움의 작동원리에서 핵심적인 역할을 합니다. 2022년 9월 이전까지는 작업증명(PoW)을 사용했지만, 현재는 지분증명(PoS)을 사용합니다. PoS에서는 32 이더를 스테이킹한 검증자들이 블록을 생성하고 검증합니다. 현재 약 90만 명의 검증자가 총 2,900만 이더를 스테이킹하고 있습니다. 이더리움의 작동원리는 또한 포크 선택 규칙을 포함합니다. 여러 개의 경쟁하는 체인이 있을 때, 가장 많은 스테이킹 파워를 가진 체인이 메인 체인으로 선택됩니다. 이는 GHOST(Greedy Heaviest Observed Subtree) 프로토콜을 기반으로 합니다. 가스 시스템의 작동원리도 중요합니다. 각 거래는 가스 한도와 가스 가격을 설정하며, 실제 사용된 가스에 따라 비용이 책정됩니다. 2021년 EIP-1559 업데이트 이후, 가스비는 기본 수수료와 팁으로 구성됩니다. 기본 수수료는 네트워크 사용량에 따라 자동으로 조정되며, 이는 소각되어 이더의 공급량을 줄입니다. 현재까지 약 450만 이더가 소각되었습니다.
이더리움의 구조와 가상머신, 작동원리는 블록체인 기술의 정점을 보여주는 복잡하고 정교한 시스템입니다. 다층 구조를 통해 확장성과 보안성을 동시에 확보하고, EVM을 통해 프로그래밍 가능한 분산 컴퓨팅을 실현했습니다. 상태 전이 시스템과 합의 메커니즘의 결합은 탈중앙화된 환경에서도 안전하고 효율적인 계산을 가능하게 합니다. 이러한 기술적 혁신은 DeFi, NFT, DAO 등 다양한 애플리케이션의 기반이 되어 새로운 디지털 경제를 창조하고 있습니다. 당신도 이더리움의 기술적 깊이를 이해하고, 이 혁신적인 플랫폼이 제공하는 무한한 가능성을 탐구해 보시기 바랍니다.