51% 공격

1.개요

51% 공격(51% Attack)은 작업증명 기반 블록체인에서 한 주체 또는 담합한 집단이 전체 네트워크 채굴 연산력(해시파워)의 절반 이상을 확보했을 때 발생할 수 있는 공격이다. 분산원장은 다수의 노드가 합의 알고리즘에 따라 가장 긴(누적 작업량이 많은) 체인을 유효한 것으로 인정하는 방식으로 유지된다. 따라서 과반의 해시파워를 가진 공격자는 다른 모든 참여자보다 빠르게 블록을 생성해 자신에게 유리한 체인을 만들어낼 수 있다.

이 공격이 성립하면 공격자는 이미 승인된 자신의 거래를 되돌리는 '이중지불(double spending)'을 시도하거나, 특정 거래가 블록에 포함되는 것을 막고, 다른 채굴자의 블록 생성을 방해할 수 있다. '51%'라는 이름은 과반이라는 임계점을 가리키는 상징적 표현으로, 실제로는 지속적으로 절반을 조금 넘는 연산력을 유지할 수 있으면 공격이 가능하다. 다수 지분을 이용한다는 뜻에서 '다수 공격(Majority Attack)'이라고도 부른다.

2.작동 원리

작업증명 네트워크에서 블록은 해시 함수 연산을 반복해 조건을 만족하는 값을 찾아낸 채굴자가 만든다. 여러 채굴자가 동시에 서로 다른 블록을 내놓아 체인이 갈라지면(포크), 네트워크는 그중 누적 작업량이 가장 많은 '가장 긴 체인'을 정본으로 채택한다.

이 규칙은 정직한 다수가 존재한다는 전제 위에서 안전하다. 정직한 채굴자들이 전체 해시파워의 과반을 쥐고 있으면 이들이 만든 체인이 언제나 가장 빠르게 자라기 때문이다. 그러나 한 주체가 과반을 확보하면 전제가 무너진다. 공격자는 나머지 전체보다 평균적으로 더 빠르게 블록을 쌓을 수 있으므로, 원하는 시점에 자신이 만든 체인을 가장 긴 체인으로 만들어 네트워크가 그것을 받아들이도록 강제할 수 있다. 즉 51% 공격의 본질은 암호를 깨는 것이 아니라, 합의 규칙이 상정한 '해시파워 다수'의 위치를 공격자가 차지하는 데 있다.

3.체인 재구성과 이중지불

공격의 핵심 수법은 '체인 재구성(chain reorganization, reorg)'이다. 진행 과정은 대체로 다음과 같다.

• 공격자가 거래소 등에 코인을 입금하고 정상 거래로 승인받는다.
• 동시에 이 입금 거래를 포함하지 않는 별도의 체인을 비공개로 더 길게 채굴한다.
• 입금한 코인을 현금이나 다른 자산으로 인출한다.
• 숨겨두었던 더 긴 체인을 네트워크에 공개하면, 원래의 입금 거래가 사라진 체인이 정본으로 채택된다.

그 결과 공격자는 자산은 인출하고 코인은 되돌려받아 같은 코인을 두 번 쓰는 셈이 된다. 이때 이미 여러 블록이 쌓여 확정된 것처럼 보이던 거래도 되돌아갈 수 있기 때문에, 재구성 깊이가 클수록 피해가 커진다. 거래소가 입출금 확인 시간(승인에 필요한 블록 수)을 늘리는 것이 기본 방어책이 되는 이유가 여기에 있다.

4.51% 공격으로 할 수 없는 일

51% 공격은 강력하지만 만능이 아니다. 조작 범위는 '아직 확정되지 않은 최근 거래의 순서'에 국한된다. 구체적으로 공격자는 다음을 할 수 없다.

• 타인의 개인키 없이 남의 자산을 빼앗을 수 없다. 자금 이동에는 전자서명이 필요하며, 과반 해시파워로는 서명을 위조할 수 없다.
• 존재하지 않는 코인을 새로 만들어낼 수 없다.
• 프로토콜이 정한 블록 보상 규칙이나 화폐 발행 규칙 자체를 바꿀 수 없다.
• 과거 깊숙한 곳의 확정된 역사 전체를 임의로 다시 쓸 수 없다. 재구성이 깊어질수록 다시 계산해야 할 작업량이 폭증하기 때문이다.

따라서 51% 공격은 '장부의 소유권을 훔치는' 공격이 아니라, 최근 거래의 포함 여부와 순서를 흔들어 이중지불과 검열을 시도하는 공격으로 이해해야 한다.

5.공격 비용과 경제적 억제

대규모 네트워크에서 51% 공격이 어려운 근본 이유는 비용이다. 비트코인처럼 ASIC 채굴이 대규모로 이뤄지는 네트워크에서 과반의 해시파워를 확보하려면 막대한 장비와 전력 비용이 든다. 세계에 흩어진 채굴 설비의 절반 이상을 사들이거나 임대하는 것은 현실적으로 매우 비싸다.

게다가 공격이 성공하더라도 해당 코인의 신뢰가 무너져 가격이 폭락하면 공격자 자신이 보유한 채굴 장비와 코인의 가치도 함께 훼손된다. 즉 공격의 순이익이 쉽게 음(-)이 되도록 유인 구조가 설계되어 있으며, 이는 일부 참여자가 악의적으로 행동해도 시스템 전체가 정상 작동하도록 하는 비잔틴 장애 허용 관점의 보안 모델과 맞닿아 있다. 네트워크의 총 해시레이트가 클수록 이 억제력은 강해진다.

6.소규모 코인의 취약성

경제적 억제는 네트워크가 충분히 클 때만 유효하다. 해시파워가 작은 소규모 알트코인은 상대적으로 적은 비용으로 과반을 장악할 수 있어 실제 공격 위험이 훨씬 높다.

특히 대형 코인과 같은 채굴 알고리즘을 쓰는 소형 코인은 위험이 더 크다. 공격자가 자기 장비를 갖출 필요 없이, 클라우드 형태로 해시파워를 빌려 잠깐 동안만 과반을 확보한 뒤 이중지불을 노릴 수 있기 때문이다. 이 경우 공격에 드는 시간당 임대 비용이 이중지불로 얻는 이익보다 작으면 공격 유인이 생긴다. 실제 51% 공격이 대형 체인이 아니라 총 채굴 연산력이 작은 코인들에 집중되어 온 것은 이런 비용 구조 때문이다.

7.지분증명에서의 다수 공격

지분증명 네트워크에서는 해시파워 대신 스테이킹된 코인 지분의 과반을 확보해야 유사한 공격이 가능하다. 연산력 경쟁이 아니라 담보로 맡긴 지분의 비중이 블록 생성 권한을 좌우하기 때문이다.

지분증명은 이러한 다수 공격에 대해 별도의 억제 장치를 둔다. 악의적 행위가 적발되면 맡긴 지분이 삭감되는 슬래싱(slashing)이 대표적이다. 공격을 시도한 지분 자체가 벌금처럼 소멸하므로, 공격 비용이 사후에도 회수되지 않고 그대로 손실로 남는다. 다만 지분증명에서도 소수의 주체에게 지분이 과도하게 집중되면 탈중앙화가 약해지고 유사한 통제 위험이 커진다는 점은 마찬가지다.

8.실제 공격 사례

실제로 여러 소규모 작업증명 코인이 51% 공격을 당한 사례가 있다.

• 이더리움 클래식: 2019년과 2020년에 걸쳐 여러 차례 체인 재구성을 동반한 51% 공격을 받아 이중지불 피해가 발생했다. 특히 2020년에는 짧은 기간에 공격이 반복되며 깊은 재구성이 여러 번 일어났다.
• 비트코인 골드: 해시파워가 작은 상태에서 51% 공격을 받아 거래소를 상대로 한 이중지불 피해를 입었다.
• 버지(Verge): 해시파워가 작은 코인으로서 체인 재구성 성격의 공격 표적이 되었다.

이들 사례는 네트워크의 총 채굴 연산력이 작을수록 공격 비용이 낮아진다는 점을 공통적으로 보여준다.

9.방어와 대응

51% 공격을 완전히 막는 단일 해법은 없으며, 여러 방어책이 함께 쓰인다.

• 확인 수 강화: 거래소가 입금 승인에 필요한 확인 시간(블록 수)을 늘리면, 공격자가 이중지불을 성공시키기 위해 되돌려야 할 재구성 깊이가 커져 비용과 난도가 급증한다.
• 해시레이트 확대와 채굴 분산: 총 해시레이트를 키우고 채굴풀 집중을 완화하면 과반 확보 자체가 어려워진다.
• 알고리즘 차별화: 대형 코인과 다른 채굴 알고리즘을 채택해, 외부에서 빌려온 범용 해시파워로 손쉽게 공격당하는 상황을 줄인다.
• 모니터링과 대응: 비정상적인 깊은 재구성을 블록 익스플로러 등으로 감시하고, 공격 정황이 포착되면 입출금을 일시 중단한다.
• 합의 방식 전환: 일부 프로젝트는 슬래싱 억제가 있는 지분증명으로 전환해 공격 유인 구조 자체를 바꾼다.

10.관련 개념과 구분

51% 공격은 다른 네트워크 공격들과 함께 이해할 때 위치가 분명해진다.

블록체인이 익명의 참여를 허용하면서도 안정적으로 합의에 이르는 것은, 신원 위조로 다수를 가장하는 시빌(Sybil) 공격에 대한 저항성을 갖추었기 때문이다. 작업증명과 지분증명은 각각 연산력과 지분이라는 '비용'을 요구함으로써 시빌 저항성을 확보한다. 51% 공격은 이 비용을 실제로 감당해 다수의 위치를 차지하는, 이를테면 시빌 저항의 임계를 돈으로 돌파하는 공격에 해당한다.

반면 이클립스 공격은 특정 노드를 네트워크에서 고립시켜 그 노드에만 조작된 정보를 보여주는 공격으로, 과반 해시파워가 필요 없다는 점에서 51% 공격과 구분된다. 다만 이클립스로 고립시킨 뒤 국지적으로 이중지불을 노리는 등 두 공격이 결합될 수 있어, 네트워크의 전체 공격 표면을 함께 살펴야 한다.

11.연표7건

1. 2008설립사토시 나카모토의 비트코인 백서가 과반 해시파워를 가진 공격자 시나리오를 분석하며 '가장 긴 체인' 규칙과 그 취약점을 함께 제시
2. 2014이정표채굴풀 GHash.io가 일시적으로 비트코인 전체 해시파워의 50%를 넘어서며 51% 공격 위험이 현실적 쟁점으로 부각
3. 2018사건버지(Verge)가 해시파워가 작은 알고리즘의 허점과 맞물려 51% 성격의 체인 재구성 공격을 받음
4. 2018사건비트코인 골드가 51% 공격을 받아 거래소를 상대로 한 이중지불 피해 발생
5. 2019사건이더리움 클래식이 체인 재구성을 동반한 51% 공격을 받아 이중지불 피해 발생
6. 2020사건비트코인 골드가 다시 51% 공격의 표적이 됨
7. 2020사건이더리움 클래식이 짧은 기간 동안 여러 차례 51% 공격을 받아 대규모 체인 재구성과 이중지불 피해 발생