SPV(Simplified Payment Verification)

SPV는 Simplified Payment Verification의 약자로 전체 블록체인을 다운받지 않고도 노드를 운영할 수 있도록 해주어 저장공간에 제한이 있는 기기(e.g. 스마트폰, IoT 기기 및 임베디드 시스템 등) 혹은 비트코인 지갑(wallet) 등에 많이 사용된다. SPV 노드는 블록에 포함된 거래내역은 다운받지 않고 블록헤더(block header)만을 다운받기 때문에 전체 블록체인 저장공간의 약 1,000분의 1 정도만을 차지한다.

SPV 노드는 전체 블록체인을 저장하지 않기 때문에 풀 노드(full node)와는 다른 방식으로 거래를 검증한다. 풀 노드 같은 경우 예를 들어 높이가 300,000인 블록에 포함된 거래를 검증한다고 하면 블록체인에서 해당 거래의 코인베이스 거래(coinbase transaction)에 이르기까지의 모든 거래역사(transaction history)에 포함된 거래들의 유효성(validity)을 검증함으로써 해당 거래의 유효성을 검증한다. 반면 SPV 노드는 해당 거래가 포함된 블록의 깊이(depth)를 참조하여 그 유효성을 검증한다. 예를 들어 SPV 노드가 높이 300,000인 블록에 포함된 거래를 검증한다고 한다면 첫째로 해당 거래의 머클경로(merkle path)를 검증함으로써 거래가 해당 블록에 포함되어 있음을 증명한다. 이후 SPV 노드는 해당 블록 위에 높이 300,001부터 300,006까지의 블록이 쌓이는 것을 확인하면 해당 블록의 깊이가 6 이상임을 확인하고 이를 통해 거래의 유효성에 대해 확신할 수 있다.

하지만 여기서 문제가 될 수 있는 점은 SPV 노드는 특정 거래가 존재하는 것은 확인할 수 있지만 특정 거래가 존재하지 않는다는 것은 검증할 수 없다는 것이다. 예를 들어 SPV 노드는 이중지불(double-spend) 거래가 없다는 것을 증명할 수 없기 때문에 이중지불 공격과 유효하지 않은 거래들을 지속적으로 전송하는 DoS(denial-of-service) 공격에 취약할 수 있다. 따라서 이중지불 및 DoS 공격에 방어하기 위해서 SPV 노드는 적어도 하나의 정직한(honest) 노드와 연결되어 있어야 하지만 네트워크 분할(network partitioning) 혹은 시빌 공격(Sybil Attack)의 경우 위와 같은 공격에 더욱 취약하게 노출된다. 따라서 SPV 노드는 최대한 랜덤하게 다른 노드와 연결하여 공격 가능성을 최소화해야 하지만 전체 블록체인을 다운받아 풀 노드를 돌리는 것이 가장 확실하게 보안을 유지하는 방법이다.

SPV 노드는 연결된 노드들에게 getheaders 메세지를 보내 블록헤더 및 자신에게 필요한 거래의 내역을 요청하며 요청을 받은 노드는 headers 메세지를 통해 한 번에 최대 2,000개의 블록헤더를 전송한다. SPV 노드는 거래내역을 저장하지 않기 때문에 자신에게 필요한 거래만을 요청하여 다운받는다. 예를 들어 특정 지갑의 SPV 노드는 자신의 주소값에 해당되는 거래 내역만 요청하게 되는 것이다. 하지만 이 경우 사생활(privacy) 보호 문제가 발생하는데 주변 노드들에게 거래를 요청하는 과정에서 자신의 주소값을 공개해야 하며 주소가 공개되면 해당 주소로부터의 모든 비트코인 거래를 추적할 수 있기 때문이다.

이러한 사생활 침해의 문제를 해결하기 위해 비트코인 개발자들은 블룸필터(bloom filter)라는 기능을 도입하였는데 이는 정해진 패턴이 아닌 확률에 따라 SPV 노드가 관심을 가지고 있는 주소의 정확한 데이터를 공개하지 않으면서도 특정 거래들의 집합을 요청할 수 있는 기능이다.

Reference

Chapter 8. Mastering Bitcoin (2nd Ed.) by Andreas Antonopoulos