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[Privacy]‘영지식증명’ 개론(feat. zk-SNARKs) v1.1

코인논객오공 157 839 2019.05.03 00:04

안녕하세요, 코인논객오공입니다.

포럼초기부터 공유한 '합의프로토콜' 시리즈에 이어 이번엔 '개인정보보호와 익명성' 시리즈를 공유합니다.

합의프로토콜보다 더 생소하고 더 어려울수도 있지만, 그 중요성은 결코 떨어지지 않다고 생각합니다.

따라서, 블록체인과 암호화폐를 공부하고자 하는 분들은 잘 숙지하여 주시기 바랍니다.

*편의상 '~이다/하다'체로 작성하였음을 미리 양해바랍니다. 


□ 영지식증명의 등장

  ㅇ 개인정보보호와 확장성

    - 블록체인은 탈중앙화된 분산 네트워크로, 모든 거래정보를 공개하여 투명성을 높이고 누구나 참여하여 시스템의 유효성에 검증할수 있다.

    - 이러한 공개형 블록체인의 특성상 큰 자산 보유자에 대한 공격가능성이나 거래내역을 공개하고 싶지 않는 등 개인정보 이슈가 존재한다. 또한 날로 커지는 블록체인의 용량과 거래량 증가로 클라이언트 노드 관리가 어려워지고 거래지연이 낮아지는 문제가 발생하였다.

    - 이에 거래의 익명성을 강화하면서도 확장성을 개선할수 있는 해결책을 모색하기 시작하였고, 그 결과 '영지식증명(Zero Knowledge Proof)'과 그와 관련된 기법들이 개발되었다.


  ㅇ 영지식증명 개요

    - 영지식증명은 현대 암호학에서 다자간의 비대면 통신상에서 정보보호를 위해 암호기술을 적용하는 고급 암호프로토콜의 한 종류로, 이 기술이 암호화폐에 적용된 첫 사례는 현재는 '지캐시(Zcash)'로 알려져있는 '제로코인(ZeroCoin)'이다.

    - 이 영지식증명은 비록 암호학으로부터 파생되었지만, 익명성 및 확장성을 높이기위해 블록체인영역에서의 중요도가 높아지고 있으므로, 이글을 통해 영지식증명을 알아보기로 하겠다.

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https://cryptopurview.com >


□ 영지식증명에 대하여 

  ㅇ 이론적 기반을 둔 탄생비화 

    - 우선 영지식증명은 '증명자(Prover)'와 '검증자(Verifier)'간 메세지를 교환하는 모델인 '대화형검증시스템(Interactive proof system)'을 기반으로 하고 있다. 이 시스템에서는 전능하고 무한한 계산자원을 가졌으나 믿을수 없는 '증명자'와 한정된 계산자원을 가졌으나 믿을수 있는 '검증자'가 있으며, 과거에는 대부분의 경우, 증명자는 검증자를 속이려는 악의적인 행동을 일삼는 캐릭터인 상황을 가정하였다.

    - 하지만 이후 이 시스템에서 '검증자'역시 악의적인 행위를 하는 상황까지 가정하였다. 가령, 증명자로부터 받은 증명자 개인정보를 제3자에게 누설이나 판매하는 행위를 할수도 있기 때문이다.

    - 이러한 상황과 가정을 전제로 하여, 1) 누구든지 검증자가 증명인 관련 개인정보를 누설하지 않았다는 사실을 확인할수 있는지, 2) 검증자가 검증하는동안 알아야하는 정보의 비중은 어느정도여야 하는지에 대한 의문점을 해소하기 위하여, 증명자가 주는 정보가 참임을 증명할때 검증자가 그 증명을 검증하되 그 정보를 유추할수 없는 증명시스템(Proof System)이 필요하였고, 그 해결책이 바로 '영지식증명'이었다.


  ㅇ 영지식증명의 3가지 조건

    1) 완전성(Completeness) : 증명이 참이라면, 선량한 증명자에 의해 선량한 검증자는 납득할수 있다.

    2) 건전성(Soundness) : 증명이 거짓이라면, 거짓된 증명자는 거짓말로 검증자에게 그 증명이 참임을 납득시킬수 없다.

    3) 영지식성(Zero-knowledge) : 증명이 참이라면, 검증자는 그 증명이 참이라는 것 말고는 아무것도 모른다.

    - 앞서 언급한 초기 대화형검증시스템과 수정된 시스템의 차이는 3번째 조건인 '영지식성'의 여부다. 그만큼 증명자와 검증자 둘다 악의적으로 행동할수 있음을 전제하고 있음을 알수있다.


  ㅇ 영지식증명의 설명예

   <알리바바의 동굴>

    - 아래 그림과 같이 도넛츠 모양의 동굴이 있고, 동굴 안 가운데에 비밀번호로 여닫는 비밀문이 있다고 하자.

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https://blockgeeks.com/guides/what-is-zksnarks >


    - 증명자는 실제 문의 비밀번호를 알고 있고, 그 번호를 알려주지 않으면서 검증자에게 증명하려고 한다.

    - 증명자가 동굴에 들어가 A 또는 B 경로를 통해 닫혀있는 비밀문까지 가면 검증자가 동굴입구로 이동한다. 이때 검증자는 증명자로 하여금 A 또는 B 경로로 나오라고 말하고, 증명자는 검증자가 지정한 경로로 나온다.

    - 만약 증명자가 비밀번호를 모른다면 검증자가 지정한 통로로 몇번은 나오겠지만 언젠간 탄로날것이며, 증명자가 비밀번호를 안다면 검증자의 지시를 매번 따를것이고, 증명자가 비밀번호를 안다는 사실을 검증자는 납득할것이다. 이를 앞서 말한 3가지 조건에 대입해보겠다.

    1) 완전성 : 검증자가 지시할때마다 증명자가 그 지시에 맞게 따른다면, 검증자는 증명자가 비밀번호를 안다고 납득할수 있다.

    2) 건전성 : 증명자가 비밀번호를 안다고 거짓말을 한다면, 검증자의 지시를 따르지 못한 경우가 발생하며 증명자는 비밀번호를 안다고 증명하지 못하게 된다.

    3) 영지식성 : 검증자는 증명자가 비밀번호를 안다는 사실을 납득하지만 그 비밀번호가 뭔지는 모른다.


   <월리를 찾아라>

    - 아래 그림과 같이 '월리'라는 캐릭터가 숨어있고, 그 월리를 찾는 그림게임이 있다고 하자.

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https://blockgeeks.com/guides/what-is-zksnarks >


    - 증명자는 월리가 어디에 있는지 알고있지만 검증자에게 그 사실을 알려주고 싶지 않다. 그러면 어떻게 월리의 위치를 누설하지 않으면서 월리 위치를 안다는 사실을 증명할수 있을까

    - (기초적 방법) 보드판을 별도로 구해서 가운데 작은 구멍을 판다음, 증명자가 검증자에게 월리의 위치를 구멍으로 확인해줄수 있습니다. 그러면 증명자는 월리를 찾았다는 사실을 증명하면서도 월리 실제 위치를 노출시키지 않는다.

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< https://blockgeeks.com/guides/what-is-zksnarks >


    - (기술적 방법) 우선 증명자와 검증자 둘다 월리 그림을 갖고 있는 상태에서, 증명자는 월리만 오려낸 부분들만 검증자에게 건네준다. 그러면 증명자는 월리를 찾았다는 사실을 증명하면서도 월리 실제 위치를 노출시키지 않는다. 다만 이 방법은 증명자가 거짓행위를 할수있는 문제가 있다. 가령, '그림 속 월리'를 오린게 아닌 그림 옆쪽에 소개된 '찾아야하는 월리'부분을 오려서 찾았다고 우길수 있다. 이를 방지하기 위해, 둘다 소지한 그림 뒷면에 특정 패턴을 넣은뒤 검증자가 증명자로부터 건네받은 월리 조각의 뒷면까지 확인하면 될것이다.


   <수도쿠 퍼즐게임>

    - 아래 그림과 같이 수도쿠는 9x9테이블된 퍼즐게임으로, 큰 정사각형과 그 안의 작은 정사각형들에 가로, 세로로 1~9까지 중복되지 않게 숫자를 기입해야하는 게임이다.

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 < https://blockgeeks.com/guides/what-is-zksnarks >


    - 이 게임을 통해, 증명자는 특정 숫자나열패턴에 따라 수도쿠 정답을 알고 있고, 그 패턴의 정답을 알려주지 않으면서 검증자에게 증명하려고 한다.

    - 가령, 검증자는 증명자에게 다 맞춘 9x9퍼즐에서 3번째 행을 보여달라고 하고, 증명자는 그 행을 보여준다.

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< https://blockgeeks.com/guides/what-is-zksnarks >


    - 이후 추가로 검증자는 증명자에게 랜덤으로 다른 행이나 열을 보여달라고 하고, 증명자는 그 행이나 열을 보여준다. 하지만 이게 계속 반복될 경우, 검증자는 증명자가 보여준 부분들을 모아서 증명자의 정답 패턴을 간파할수도 있다. 이를 방지하기 위해, 증명자는 검증자가 특정 행이나 열을 보여달라고 할때마다, 행(또는 열)기준으로 한칸씩 좌우(또는 상하)로 옮기는 등의 사전조치를 보여주기직전에 매번 실시한다. 그 덕분에 증명자는 검증자에게 자신의 정답패턴을 노출시키지 않으면서 정답을 알고있다는 사실을 증명할 수 있다.


  ㅇ '대화형 증명 → 비대화형 증명'으로 전환 필요

    - 앞서 설명한 증명방식은 증명자와 검증자간 대화(소통)을 통하여 영지식증명의 필요충분조건 충족여부를 따진다. 하지만 대화(소통)없이도 영지식증명을 해야하는 경우는 어떠한가. 블록체인 특성상 오프라인으로 전환 등 대화(소통)이 없는 경우에도 영지식증명이 가능하다면 더욱 실용성이 확보될것이다. 따라서, 대화(소통)이 필요없는 '비대화형증명시스템(Non-interactive proof system)'이 나왔고 대표적으로 '슈노(Schnorr Protocol)'가 있다.

    - 원래 '슈노'는 비트코인 세그윗활성화 이후, 블록체인 전체 크기를 가급적 작게 늘어나도록 고안된 서명기법이다. 그래서 '슈노서명(Schnorr signature)'라고도 하는데, 트랜잭션에서 전자서명이 차지하는 비중이 크기때문에 블록체인의 효율적 활용에 중요한 기법이다.

     - 가령, 한 사람의 지갑내 10개의 주소 각각에 1비트코인이 있고 그 모든 비트코인을 송금시 10개주소로부터 발생한 10개의 트랜잭션에 건건이 전자서명을 해야 송금이 되는데 그만큼 트랜잭션 용량이 커지게된다. 하지만 슈노 서명기법을 활용하면, 한 사람의 지갑내 여러주소로부터 코인송금시, 여러 트랜잭션을 모아서 한번의 전자서명으로 송금처리할수 있다.

    - 이런 효율성을 키우는 과정으로부터 얻는 익명성 효과는, 한 트랜잭션안에 여러 서명(Multi-signature)이 혼재하므로 그 트랜잭션의 주인공이 누구인지에 대한 정보가 흐려져 개인정보보호가 강해지게 된다.



□ zk-SNARKs 등장과 확장성 

  ㅇ zk-SNARKs 개요

    - 대화형 증명방식에서 비대화형 증명방식으로 바뀌면서, 증명자가 항상 대화(소통)를 하기위하여 온라인상태를 유지할 필요가 없게 되었으나, 비대화형의 한 예로 든 슈노기법조차 증명을 하는데 소요되는 시간이 적지않다는 단점이 존재한다. 그 이유는 증명자가 던져준 단서들만 가지고 수많은 검증횟수를 거쳐야 영지식증명의 3가지 조건 충족여부를 판단할수 있기 때문이다.

    - 그래서 생겨난게 'zk-SNARKs(zero knowledge Succinct Non-interactive Argument of Knowledges, 이하 '스나크')'로, 이름에서 알수있듯이 기존 비대화형(Non-interactive)에서 간결함(Succinct)이 추가된 개념이다.그 결과, 증명크기는 288bytes정도로 상당히 줄어들었다(자세한 설명은 여기를 클릭 ).

    - 스나크 덕분에 서론에서 언급한 익명성과 확장성을 향상시킬수 있다.

    - 먼저 익명성을 키우는 방식에 대해서 알아보면, 가령 이더리움 송금시 송금트랜잭션이 발생하는데, 이때 송금한다는 사실만 알수있을뿐 거래량과 잔고를 확인하기 어려워 익명성을 키울수 있다. 마치 앞서 설명한 증명자와 검증자와 같다.

    - 또한 확장성 향상도 기대할수 있다. 확장성 향상에 대한 세부적인 설명은 다음과 같다.

    - 첫째로 빠른 블록체인 동기화가 가능하다. 보통 노드로 참여하기 위해 블록체인을 다운받아서 동기화할때 계산능력이 필요하다. 가령 비트코인 블록체인 동기화시, 필요한 계산은 대부분 전자서명을 확인하는 것인데 앞서 설명한것처럼 스나크를 사용하면 트랜잭션 상 서명을 건건이 확인할 필요가 없게 된다.

    - 둘째로 클라이언트 운용을 쉽게 할수 있다. 블록체인에 참여하는 일반적인 클라이언트는 실제로 블록내용을 모르더라도 모든 거래 데이터를 소유 및 관리하는 풀노드에 의해 증명된 사실로부터 블록내용을 참이라고 빠르게 검증할수 있다.

    - 셋째로, 코드와 저장소를 효율적으로 활용할수 있다. 블록체인은 이용과 활용도가 늘어남에 따라 그 데이터 규모가 점차 커지는데 그 모든 데이터를 다 검증하지 않고 프루닝*등을 통해 증명된 사실만 남겨 코드가 차지하는 비중을 줄일수 있다. 가령 이더리움의 경우, EVM(Ethereum Virtual Machine, 이더리움 가상 머신)의 특성상 데이터가 체인에 저장 즉, 스마트컨트렉트 상의 코드와 저장소가 블록체인에 저장되어 이더리움 블록체인 데이터가 계속 커지는데, 스나크를 통해 스마트컨트렉트 스테이트**를 단일 해시로 압축하여 코드와 저장소를 압축할수 있다.(이때 코드와 저장소가 뒤죽박죽되므로 익명성도 강화된다). 즉, 블록체인의 스테이트 변경은 스나크 확인만으로 충분하며, 스나크에 따른 단일해시만 보유해도 신뢰성 측면에서 전체 블록체인을 보유한것과 큰 차이가 없게된다.

    - 이런 이점 덕분에 이더리움의 경우, 블록체인 밖인 '제2레이어' 확장성 도움없이도 처리속도와 저장공간 효율성을 높일수 있다.

      *프루닝(Pruning) : 소위 가지치기를 통하여 저장공간을 줄여주는 방식이다. 이더리움에서 스테이트는 항상 최신상태만 유지하지 않고 과거 일정기간의 히스토리까지 보관한다. 그 이유는, 노드간 합의가 되어 한 블록이 생성되어도 아직 확정되어 있지 않는 경우, 분기(bifurcated)될 가능성이 있고 분기 발생시 스테이트를 되돌려야(rollback)해야 될수도 있기 때문에, 최종 확정되기전까지는 히스토리가 있어야 함. 이후 일정시간이 지나면 프루닝을 통해 히스토리가 삭제되고 저장공간을 줄여줌.

      **스테이트(State) : 이더리움 노드에 저장된 eth, code, contract 등을 모아놓은 데이터


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https://thecurrencyanalytics.com >


□ 영지식증명의 가능성 

  ㅇ 영지식증명의 현주소

    - 화폐의 특성상 거래를 위한 공개적인 매개체로 활용되면서도, 어디에 어떻게 쓰이는지에 대한 개인정보보호 욕구가 내포되어있다. 그렇다보니 법정/신용화폐 등을 사용할때도 가끔은 그 활용처를 숨기고 싶어한다. 암호화폐 역시 화폐의 속성을 갖고있으므로, 이를 사용할때 자금세탁, 불법거래 등의 블랙머니로 꼭 사용하지 않을때조차도 굳이 공개하고 싶지 않을때가 있을것이다. 거기에 암호화폐는 디지털 자산이기에 전산암호기술과 자연스럽게 결합되어 금고속 현금처럼 익명성을 확보하기 위한 움직임이 활발하다.

    - 여기에 추가로 본론에서 알아본대로 확장성 향상이라는 보너스 효과까지 있기때문에, 암호화폐 영역에서의 영지식증명의 중요성을 계속 커지고 있는 실정이다. 실제로 비트코인과 이더리움 개발측면에서는 익명성보다 확장성에 무게를 두면서, 더욱 진보된 영지식증명기법을 발굴하고 적용하기 위해 고군분투하고 있다. 가령, 이더리움의 경우 확장성 문제를 해결하기 위하여 본 체인 밖인 '제2레이어(Second Layer)'에서 플라즈마, 샤딩, 레이든 등의 솔루션이 개발중이지면 진척도가 빠르지 않아 영지식증명의 확장성 향상효과가 단기적 해결책으로서 각광을 받고 있다.


  ㅇ 영지식증명의 한계와 제언

    - 다만 이런 기술적 이점을 온전히 반영시키기에는 아직은 그 한계가 있다. 익명성 코인을 전송시 그것을 이행하는 별도의 중계노드들이 있어야 하는데, 그 노드들이 제 역할을 하려면 상당히 많은 연산능력이 필요하다.

    - 따라서, 현재로서는 영지식증명에서의 증명과정을 보다 단순화하면서도 블록체인 적용에 최적화하는게 최선이며, 그와 동시에 하드웨어의 빠른 발전을 기대해야하는 상황이다.

    - 다시 앞에서 언급한 동굴로 돌아가보자. 검증자를 뒤로하고 동굴로 들어간 증명자는 비밀번호를 지닌채 검증자가 어떤 경로든 나오라는 지시를 내심 기다렸을지도 모른다. 왜냐면 증명자는 동굴속에 비밀문을 열수있는 정보를 가졌기 때문이다. 암호화폐에서도 그런 익명성 기능을 갖고있고 그것을 사용한다면, 동굴속 증명자가 느꼈을 묘한 안도감과 즐거움을 느낄것이다. 이런 인간의 기본욕구를 충족시킬 성능에 대하여, 현실세계의 기득권층에서는 불법거래, 자금세탁 등을 명분으로 차단할수 있을까. 아니, 오히려 힘있는 그들이야말로 익명성을 내심 원하고 있진 않을까. 이런 의문과 기대 덕분에 더욱더 영지식증명의 미래가 기대되는 바이다.



※ 출처 : www.satoshicode.com 


* 여러분의 추천과 댓글 등 피드백은 저에게 큰 힘이 됩니다^^  

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안녕하세요, 코인논객오공입니다.격주로 진행되는 이더리움 개발자 회의(62차)가 있었으며, 그 내용과 분석, 논평을 공유합니다.어김없이 어려운 내용이 담긴 이더 개발자 회의 글이지만, 부담반 설렘반으로 그 내용을 바로 듣고 정리하는 필자를 보면서 힘내시길 바랍니다.*편의상 '~이다/하다'체로 작성하였음을 ...
889 | 116 | 2019.05.25

[오공]익명성 코인 왕좌의 게임, 모네로와 지캐시 v1.0 213

안녕하세요, 코인논객오공입니다.지난 몇 개의 글들로 인하여 옆길로 샜지만 다시 '익명성' 시리즈를 이어가겠습니다.다시 한번, 좀 더 쉬운 개념이해를 위하여 특정 코인들을 소환하였고, 이번엔 '모네로'와 '지캐시'에 대한 비교입니다.*편의상 '~이다/하다'체로 작성하였음을 미리 양해바랍니다.□ 익명성 코인...
939 | 113 | 2019.05.22

[오공]레이븐 개발자 회의 분석 및 논평(May 11, 2019) v1.0 333

안녕하세요, 코인논객오공입니다.개인적으로 특정 암호화폐 또는 프로젝트에 대한 글을 작성하는 것을 지양하지만 제가 관심있는 것에 대해서는 예외입니다.비트코인, 이더리움, 코스모스(아톰) 등이 바로 그 예외사항이며, 작년에 처음 알았지만 올해 들어 관심을 가진 '레이븐(Raven)' 프로젝트도 그 중 하나가...
1,782 | 165 | 2019.05.19

[Insight]역대 주요 코인 거래소의 변천사(2부작) 2부 v1.0 183

안녕하세요, 코인논객오공입니다.이전 1부글에 이어서 '역대 주요 거래소의 변천사' 2부를 소개합니다.소개할 거래소를 더 추가할까 하다가 일단은 지난 3월에 작성한대로 공유해드립니다.*편의상 '~이다/하다'체로 작성하였음을 미리 양해바랍니다. ㅇ 코인베이스(Coinbase) - 2012년 6월 브라이언 암...
671 | 98 | 2019.05.17

[Insight]역대 주요 코인 거래소의 변천사(2부작) 1부 v1.0 195

안녕하세요, 코인논객오공입니다.현재 '익명성' 관련 글을 기고중인데, 잠시 쉬어가는 차원에서 여러분들이 좋아할만한 글을 소개합니다.우리가 트레이딩을 할때 흔히 사용하는 거래소에 대한 내용으로 정확히는 '역대 주요 거래소의 변천사'입니다.이해하기 어렵지 않도록 최대한 기술적 용어는 배제했으며, 지난 3월 ...
881 | 89 | 2019.05.14

[오공]'제61차 이더리움 개발자 회의' 분석 및 개인 논평 v1.0 219

안녕하세요, 코인논객오공입니다.격주로 진행되는 이더리움 개발자 회의(61차)가 있었으며, 그 내용과 분석, 논평을 공유합니다.항상 이더 개발자 회의 글을 올리면서'이걸 다 이해하시는 분이 얼마나 될까'주저하지만, 단 한분이라도 이해하시길 바랄뿐입니다.*편의상 '~이다/하다'체로 작성하였음을 미리 양해바랍...
1,400 | 113 | 2019.05.11

[Privacy]익명성 코인의 아이콘, "모네로(XMR)" 1.1 133

안녕하세요, 코인논객오공입니다.현재 익명성 관련 글을 기고중인데, 너무 이론만 주구장창 서술한점이 어렵게 느껴질수도 있다는 생각을 했습니다.따라서, 이번글에서는 관련 특정코인을 소개하면서 이론도 같이 설명하는 방식을 활용해봤습니다.그럼에도 어렵게 느껴지신다면 양해말씀드리며, 궁금한점은 댓글, 쪽지, 텔레...
729 | 70 | 2019.05.09

[Privacy]'영지식증명'의 진화(zk-SNARK vs. zk-STARK) v1.0 183

안녕하세요, 코인논객오공입니다.지난번 '영지식증명 개론'​ 글을 많이 어려워 하셔서 고민이 많습니다. 왜냐면 이번 글도 쉽지 않기 때문이죠.그래서 '아예 올리지 말까' 진지하게 생각했지만, 혹시 도움될 분이 단 1명이라도 있으리라 기대하며 지속 공유하기로 했습니다.정말 모르는 수준이면 관련 배경지식을 구...
849 | 97 | 2019.05.06

[Privacy]‘영지식증명’ 개론(feat. zk-SNARKs) v1.1 157

안녕하세요, 코인논객오공입니다.포럼초기부터 공유한 '합의프로토콜' 시리즈에 이어 이번엔 '개인정보보호와 익명성' 시리즈를 공유합니다.합의프로토콜보다 더 생소하고 더 어려울수도 있지만, 그 중요성은 결코 떨어지지 않다고 생각합니다.따라서, 블록체인과 암호화폐를 공부하고자 하는 분들은 잘 숙지하여 주시기 바...
840 | 78 | 2019.05.03

[Poem] 코인 헤는 밤(원작: 별 헤는 밤) // Coin Starry Night 174

안녕하세요, 코인논객시인 오공입니다.이번에는 딱딱한 분석글 대신에 저번에 공유한 자작시 '코인판에서의 고해'에 이어서제가 좋아하는 윤동주 시 '별헤는 밤'을 패러디한 시를 공유하오니 가벼운 마음으로 봐주시기바랍니다.< Bitcoin Starry Night// 비트코인이 빛나는 밤>"코인 헤는 ...
875 | 91 | 2019.04.30


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