※ 본 콘텐츠는 투자 조언이 아니며 오직 교육 및 정보 제공 목적으로만 작성되었습니다. 모든 투자 결정은 독자 본인의 책임 하에 이루어져야 합니다. 블록체인 기술은 투명성과 불변성이라는 핵심 특성을 가지고 있지만, 이러한 특성으로 인해 진정한 무작위성을 구현하는 데 상당한 어려움이 있습니다. 블록체인 환경에서는 게임, 복권, 검증자 선정 등 다양한 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 난수 생성이 필수적입니다. 그러나 블록체인의 공개적이고 결정적인 특성은 난수 생성에 근본적인 제약을 가져옵니다. 본 글에서는 블록체인 시스템에서 사용되는 다양한 난수 생성 기술의 작동 원리와 각 방식의 보안적 고려사항, 검증 메커니즘 및 실제 적용 사례를 기술적으로 살펴보겠습니다.
1. 블록체인에서의 난수 생성의 어려움
블록체인 환경에서 난수를 생성하는 것은 기술적으로 상당한 도전 과제입니다. 블록체인의 핵심 특성인 투명성과 결정성(determinism)은 난수 생성에 근본적인 제약을 가져옵니다. 모든 트랜잭션과 데이터가 공개적으로 확인 가능한 블록체인의 투명성은 난수 생성에 사용되는 모든 입력값과 프로세스가 누구에게나 보여진다는 것을 의미합니다. 이로 인해 미래의 난수값을 예측하거나 조작할 가능성이 생깁니다. 특히 채굴자나 검증자와 같은 블록 생성자들은 블록 정보를 조작하거나 자신에게 유리한 트랜잭션만 선택적으로 포함시킬 수 있는 권한을 가지고 있어, 난수 생성 과정에 영향을 미칠 수 있는 위치에 있습니다. 또한 블록체인의 결정성은 모든 노드가 동일한 입력에 대해 항상 동일한 결과를 도출해야 하는 특성을 의미합니다. 이는 모든 난수 생성 알고리즘이 예측 가능한 방식으로 작동해야 한다는 것을 의미하며, 이는 진정한 난수성과 상충됩니다. 블록체인에서 노드 간 합의를 이루기 위해서는 모든 노드가 동일한 상태에 도달해야 하므로, 난수 생성 로직 또한 모든 노드에서 동일한 결과를 생성해야 합니다. 이러한 이유로 전통적인 컴퓨팅 환경에서 사용되는 난수 생성 방식(예: 시스템 시간, 하드웨어 노이즈 등)을 블록체인에 직접 적용하기 어렵습니다. 이러한 제약 조건 때문에 블록체인 생태계에서는 신뢰할 수 있고 검증 가능한 난수를 생성하기 위한 다양한 접근 방식이 개발되어 왔으며, 각 방식은 고유한 장단점과 보안 고려사항을 가지고 있습니다.
2. 온체인 난수 생성 기법과 보안 취약점
온체인 난수 생성(On-chain RNG)은 블록체인 자체의 데이터와 기능만을 활용하여 스마트 계약 내에서 직접 난수를 생성하는 방식입니다. 가장 기본적인 온체인 난수 생성 방법은 블록 정보와 같은 체인 데이터를 사용하는 것입니다. 예를 들어, 이더리움 블록체인에서는 블록 타임스탬프(block.timestamp), 블록 해시(blockhash), 트랜잭션 발신자(msg.sender) 등의 정보를 조합하여 난수를 생성할 수 있습니다. 일반적인 구현 방식은 이러한 값들을 해시 함수에 입력하여 의사 난수를 생성하는 것입니다. 블록 타임스탬프는 채굴자가 일정 범위 내에서 조작할 수 있으며, 블록 해시는 최근 256개 블록에 대해서만 접근 가능하다는 제한이 있습니다. 또한 트랜잭션 발신자는 공개적으로 알려진 값이므로 예측 가능합니다. 이러한 요소들을 사용한 난수 생성 방식은 예측 가능성과 조작 가능성으로 인해 보안적으로 취약합니다. 특히 금전적 이익이 걸린 블록체인 게임이나 복권과 같은 애플리케이션에서는 공격자가 미래의 난수값을 예측하거나 영향을 미칠 수 있는 가능성이 있어 매우 위험합니다. 이러한 취약점을 보완하기 위해 Chainlink VRF(Verifiable Random Function)와 같은 솔루션이 개발되었습니다. Chainlink VRF는 오라클 네트워크를 통해 난수를 생성하고, 이에 대한 암호학적 증명을 함께 제공합니다. 스마트 계약은 난수 결과뿐만 아니라 해당 난수가 정당하게 생성되었음을 증명하는 무결성 증명도 함께 검증할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 단순한 온체인 난수 생성 방식보다 훨씬 더 강력한 보안성을 제공하지만, 오라클 서비스 이용에 따른 비용이 발생하며 외부 서비스에 대한 의존성이 생긴다는 단점이 있습니다.
3. 오프체인 및 합의 기반 난수 생성 방식
오프체인 난수 생성(Off-chain RNG)은 블록체인 외부의 데이터 소스나 서비스를 활용하여 난수를 생성하는 방식입니다. 이 방식은 주로 오라클 서비스를 통해 구현되며, 블록체인의 제약에서 벗어나 더 높은 수준의 무작위성을 제공할 수 있습니다. 대표적인 오프체인 RNG 솔루션으로는 Chainlink VRF, Provable(구 Oraclize), Witnet 등이 있습니다. 이러한 오라클 기반 시스템의 일반적인 작동 구조는 스마트 계약이 오라클에 난수 생성을 요청하고, 오라클이 난수와 함께 그 유효성을 증명하는 증거를 제공한 후, 스마트 계약이 이 증명을 검증하고 난수를 수신하는 방식입니다. Chainlink VRF는 암호학적으로 검증 가능한 난수를 제공하며, Provable은 HTTPS API나 외부 RNG 서비스의 결과를 블록체인에 전달합니다. Witnet은 분산 오라클 네트워크를 기반으로 하여 여러 소스에서 데이터를 수집하고 합의를 통해 결과를 제공합니다. 한편, 합의 기반 난수 생성은 여러 참여자가 공동으로 난수 생성 과정에 참여하는 방식입니다. 이 접근법의 핵심 아이디어는 단일 주체가 난수를 완전히 통제할 수 없도록 하여 조작 가능성을 최소화하는 것입니다. RANDAO는 이더리움 생태계에서 널리 알려진 합의 기반 난수 생성 메커니즘으로, 여러 참여자들이 비밀 시드를 제출하고 이후에 이를 공개하여 XOR 연산을 통해 최종 난수를 생성합니다. 이 방식의 장점은 충분한 수의 정직한 참여자가 있다면 높은 수준의 무작위성을 보장할 수 있다는 점입니다. 그러나 마지막 참여자가 자신의 시드 공개를 지연하거나 취소할 수 있는 'last revealer problem'이라는 단점이 있습니다. DRAND는 BLS(Boneh-Lynn-Shacham) 서명 기반의 분산 난수 생성 네트워크로, 여러 노드가 협력하여 정기적으로 새로운 난수를 생성합니다. Dfinity는 Threshold BLS를 활용하여 자동화된 난수 생성 시스템을 구축했으며, 이는 Internet Computer Protocol(ICP)의 핵심 구성 요소로 사용됩니다. 이러한 합의 기반 접근 방식들은 단일 실패 지점을 제거하고 분산화된 신뢰 모델을 통해 더 높은 수준의 보안성을 제공합니다.
4. ZK 기반 난수 생성과 검증 방식
ZK(Zero-Knowledge) 기반 난수 생성은 영지식 증명 기술을 활용하여 난수의 생성 과정과 결과의 정당성을 증명하는 방식입니다. 영지식 증명은 특정 정보를 직접 공개하지 않고도 그 정보에 대한 지식이나 계산의 정확성을 증명할 수 있는 암호학적 방법입니다. ZK 기반 난수 생성에서는 프로버(prover)가 난수와 함께 해당 난수가 올바른 절차와 입력값을 통해 생성되었음을 증명하는 증거를 제공합니다. 이 방식의 주요 특징은 생성 과정의 투명한 검증이 가능하다는 점입니다. ZK 프로버는 난수 생성에 사용된 로직과 입력값에 대한 정보를 공개하지 않으면서도, 그 과정이 정당하게 수행되었음을 암호학적으로 증명할 수 있습니다. 또한 ZK 증명은 검증 비용이 상대적으로 저렴하여 L1(Layer 1) 블록체인에서도 빠르게 확인할 수 있습니다. 더불어 ZK 기술은 매우 복잡한 로직도 증명 가능하기 때문에, 특정 조건하에서만 사용되는 조건부 난수 생성과 같은 고급 기능도 구현할 수 있습니다. 블록체인에서의 난수 검증은 생성된 난수의 정당성과 무작위성을 확인하는 과정으로, 여러 방식이 존재합니다. 가장 일반적인 방법은 VRF(Verifiable Random Function)와 같은 시스템에서 제공하는 암호학적 증명을 검증하는 것입니다. 이 과정에서는 난수와 함께 제공된 증명이 올바른지, 그리고 이 증명이 실제로 해당 난수에 대응하는지를 확인합니다. 또 다른 방법으로는 난수 생성에 사용된 모든 입력 요소(시드, 공개 키 등)를 기록하고 검증하는 것입니다. 이를 통해 누구나 동일한 입력으로 동일한 난수가 생성됨을 확인할 수 있습니다. 공개 로그 확인 방식에서는 참여자들의 제출 로그, 서명 등 블록체인에 기록된 모든 데이터를 검토하여 난수 생성 과정의 투명성과 정확성을 검증합니다. ZK 검증에서는 난수 생성 과정 전체가 암호화된 증명으로 제공되어, 실제 입력값이나 중간 계산 과정을 공개하지 않고도 결과의 정당성을 확인할 수 있습니다. 이러한 다양한 검증 방식은 블록체인 환경에서 난수의 신뢰성과 무결성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.
5. 결론
블록체인에서의 난수 생성은 기술적으로 복잡한 과제이며, 이는 블록체인의 결정성, 투명성, 분산성이라는 근본적인 특성과 진정한 무작위성의 필요성 사이의 충돌 때문입니다. 블록체인 환경에서 신뢰할 수 있는 난수를 생성하기 위해서는 예측 불가능성과 검증 가능성이라는 두 가지 핵심 요소를 동시에 만족시켜야 합니다. 단순한 온체인 기반의 난수 생성 방식은 블록 정보나 트랜잭션 데이터를 활용하지만, 이는 예측 가능성과 조작 위험이 존재합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Chainlink VRF, RANDAO, DRAND와 같은 암호학적 또는 다자간 협력 방식이 개발되었으며, 이들은 더 높은 수준의 보안성과 검증 가능성을 제공합니다. 영지식 증명 기술의 발전으로 ZK 기반 난수 생성도 주목받고 있으며, 이는 생성 과정의 투명한 검증을 가능하게 합니다. 블록체인에서의 난수 생성 기술은 게임, 복권, 검증자 선정, NFT 민팅 등 다양한 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 합니다. 블록체인에서 사용되는 난수의 신뢰성과 검증 구조는 해당 시스템의 보안성과 공정성을 결정짓는 중요한 기술적 요소입니다. 따라서 블록체인 애플리케이션을 개발할 때는 사용 사례에 적합한 난수 생성 방식을 선택하고, 예측 가능성 방지, 참여자 조작 제한,, 검증 가능성 확보, 네트워크 분산성 유지와 같은 보안 고려사항을 철저히 검토해야 합니다. 블록체인 기술이 계속 발전함에 따라, 더욱 효율적이고 안전한 난수 생성 메커니즘이 개발될 것으로 예상되며, 이는 블록체인 애플리케이션의 신뢰성과 활용 범위를 더욱 확장시킬 것입니다. ※ 주의사항: 이 글은 투자 조언을 제공하지 않으며, 암호화폐 투자에는 상당한 리스크가 따릅니다. 항상 본인의 판단에 따라 신중하게 결정하시기 바랍니다.