블록체인에서의 합의 알고리즘

암호화폐 네트워크는 작업 조직 방식에서 서로 다릅니다. 탈중앙화가 존재하므로 분산 원장을 구현할 필요가 있습니다. 이는 추가 비용을 피하면서 거래를 조정하기 위해 필요합니다.

이 글에서는 널리 사용되는 블록체인 알고리즘에 초점을 맞춰, 그 기능과 성능 및 보안에 영향을 미치는 요인을 살펴보겠습니다.

블록체인 합의 알고리즘이란?

합의 메커니즘은 네트워크의 모든 피어가 분산 원장의 현재 상태에 대해 전반적인 합의에 도달하는 절차입니다. 따라서 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크에서 신뢰성을 보장하고, 분산 컴퓨팅 환경에서 서로 모르는 참여자들 간에 신뢰할 수 있는 관계를 구축합니다. 협상 프로토콜은 블록 체인에 추가되는 각 새 블록이 해당 체인의 모든 노드가 동의한 유일한 진실의 버전이 되도록 보장합니다. 블록체인의 합의 모델은 합의 도달, 협력, 노드 평등, 그리고 협상 과정에 각 노드의 필수 참여와 같은 몇 가지 구체적인 목표로 구성됩니다. 따라서 합의 알고리즘은 전체 네트워크에 이익이 되는 공통의 합의를 찾는 것을 목표로 합니다. 또한 이 알고리즘은 다음을 구현합니다:

• 블록 생성 빈도;
• 추가 자금이 차감될 위험 방지;
• 블록 내 데이터 검증.

쉽게 말해, 합의 알고리즘은 분산 네트워크에서 오류를 방지합니다. 또한 이 메커니즘의 과제는 모든 참여자에게 상호 이익이 되는 조건을 구현하는 것입니다.

합의 알고리즘: 종류

디지털 코인은 다양한 블록체인 위에서 개발됩니다. 합의 알고리즘 또한 각 블록체인마다 다릅니다.

암호화폐 시장의 90% 이상은 다음 세 가지 주요 표준화된 알고리즘을 기반으로 합니다:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

그러나 우리는 핵심 메커니즘뿐 아니라, 비록 많은 프로젝트에서 채택되지는 않았지만 매우 흥미롭게 살펴볼 수 있고 미래에 중요한 역할을 할 수 있는 다른 몇 가지 알고리즘도 함께 살펴보겠습니다.

1. Proof of Work (PoW)

이 합의 알고리즘은 체인에서 다음 블록을 생성할 채굴자를 선택하는 데 사용됩니다. Bitcoin, Litecoin, 그리고 블록체인 산업의 다른 많은 거물들도 작업 방식에서 PoW를 사용합니다. 이 알고리즘의 핵심 아이디어는 블록체인에 의해 생성된 복잡한 임의의 수학 문제를 해결하고 그 해답을 전파하는 것입니다. 이 알고리즘의 특징은 문제 해결의 복잡성이지만, 쉽게 재검증할 수 있다는 점입니다. 이 수학 퍼즐은 많은 연산 능력을 요구하므로, 나머지보다 먼저 퍼즐을 푼 노드가 다음 블록을 생성하게 됩니다. PoW는 네트워크에 대한 공격이 지나치게 비싸고 높은 에너지 비용을 필요로 하도록 하여, 채굴자들이 계량 및 네트워크 보안 서비스를 제공하기 위해 에너지를 소비하게 만듭니다. 이 메커니즘의 단점으로는 제한된 확장성과 낮은 처리량이 꼽힙니다.

2. Proof of Stake (PoS)

아마도 이것은 PoW의 가장 일반적인 대안일 것입니다. 심지어 Ethereum도 최근 PoW에서 PoS 합의로 전환했습니다. 이 유형의 합의 알고리즘에서는 복잡한 퍼즐을 풀기 위해 값비싼 장비에 투자하는 대신, 이른바 검증자들이 네트워크 코인에 투자하여 일정 부분의 코인을 베팅(staking)으로 잠급니다. 그 후 모든 검증자들은 블록을 검증하기 시작하고, 자신이 체인에 추가될 수 있다고 믿는 블록에 베팅합니다. 실제로 블록체인에 추가된 블록을 기반으로 모든 검증자는 자신의 지분에 비례한 보상을 받고, 그들의 지분도 그에 따라 증가합니다. 결국 새 블록을 생성할 검증자는 네트워크 내 경제적 지분을 기준으로 선택됩니다. 따라서 PoS 알고리즘은 인센티브 메커니즘을 통해 검증자들이 합의에 도달하도록 유도합니다. 이 메커니즘의 장점으로는 기본 수준에서의 확장성 향상과 PoW에 비해 잠재적인 에너지 절감이 있습니다. 단점으로는 중앙화 위험이 있으며, 이는 곧 보안 저하로 이어집니다. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX, 그리고 기타 블록체인들이 PoS로 운영됩니다.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

DPoS 메커니즘은 PoS의 발전형이지만, 투표 시스템에 기반한 다른 유형의 합의 알고리즘입니다. 개별 노드를 무작위로 선택해 검증을 수행하게 하는 대신, 토큰 보유자 커뮤니티는 자신의 지분(베팅)을 사용해 신뢰할 수 있는 소수의 선택된 노드, 흔히 대리인(delegate)이라 불리는 노드들에 투표합니다. 이들은 거래를 검증하고 네트워크를 유지하는 역할을 하며, 그 대가로 교환 수수료의 일부를 보상으로 받습니다. DPoS는 대의 민주주의에 비유할 수 있습니다. 참여자들은 자신들을 대신해 네트워크를 보호할 신뢰할 수 있는 대표자에게 투표합니다. 유권자들은 대리인이 다수 이해관계자의 이익에 반하는 행동을 할 경우 이를 교체할 수 있습니다. DPoS 알고리즘은 Dan Larimer가 발명했으며, BitShares, Steem, EOS와 같은 프로젝트에 사용되었고, Tezos 및 Ark 같은 다른 네트워크에서도 수요가 있습니다. DPoS의 장점은 높은 확장성과 더 넓게 분산된 인플레이션(새로 발행된 토큰이 검증자들 사이에 더 고르게 분배됨)이며, 단점은 불충분한 보안과 네트워크의 지속적인 중앙화 경향입니다.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET는 정직한 방법만을 사용해 다음 블록을 선택하는 가장 공정한 합의 알고리즘 중 하나입니다. 이는 많은 프라이빗 및 기업용 블록체인, 특히 Hyperledger에서 널리 사용됩니다. 이 알고리즘에서는 네트워크의 각 검증자가 자신의 블록을 생성할 실제 기회를 얻습니다. 모든 노드는 무작위 시간만큼 기다린 뒤 그 대기 사실을 블록에 추가함으로써 이를 수행합니다. 생성된 블록은 나머지 참여자들의 검토를 위해 네트워크로 전송됩니다. 승자는 증명 부분에서 가장 작은 타이머 값을 가진 검증자입니다. 승리한 검증자의 노드 블록은 블록체인에 추가됩니다. 특정 노드가 항상 선거에서 승리해 가장 낮은 타이머 값을 생성하는 것을 방지하기 위한 추가 검증도 알고리즘에 포함되어 있습니다. 장점으로는 높은 효율성과 낮은 자원 소모를 들 수 있고, 단점으로는 낮은 수준의 보안과 프로세서용 명령어 세트를 개발하는 제3자에 대한 의존성이 있습니다.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA는 블록 검증자의 신원과 평판의 가치를 활용하는 평판 기반 합의 알고리즘입니다. 2017년 3월, Gavin Wood가 이끄는 Ethereum 개발팀은 Ethereum의 Ropstein 테스트 네트워크에 대한 스팸 공격 해결책으로 PoA를 제안했습니다. PoA는 PoS와 비슷하지만, 검증자들이 코인 대신 자신의 평판을 내건다는 점이 다릅니다. 신뢰할 수 있는 노드/검증자는 네트워크 리더가 선택하므로, PoA는 프라이빗 블록체인에만 유용합니다. VeChain Thor, Microsoft Azure 등에서 사용됩니다. 장점: 높은 거래 속도, 확장성, 낮은 네트워크 유지 비용. 단점: 탈중앙화의 포기와 네트워크 참여자의 악의적인 행위 가능성으로, 이를 막기는 거의 불가능합니다.

6. Proof of Capacity (PoC)

Proof of Capacity 합의에서는 검증자들이 값비싼 장비에 투자하거나 코인을 소각하는 대신 하드디스크 공간을 투자합니다. 하드드라이브의 공간을 검증하는 수단이 많을수록 다음 블록을 채굴하고 블록 보상을 받을 가능성도 높아집니다. ASICS로 계산하는 대신 저장 공간을 사용하므로, PoC 기반 블록체인은 훨씬 더 에너지 효율적입니다. PoC를 사용하는 프로젝트로는 Filecoin, Storj, Burstcoin 등이 있습니다. 이 접근 방식의 가장 분명한 장점은 에너지 효율성이며, 단점은 공격 노출로 인한 불충분한 보안에 있습니다.

그 외에도 다음과 같은 합의 알고리즘이 있습니다:

• Proof of Activity;
• Proof of Space and Time;
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

하지만 현재 이들의 사용은 주로 특수 사례와 혁신에 해당하며, 이는 별도의 글에서 다룰 수 있는 주제입니다.

요약

제시된 각 알고리즘은 각자의 강점과 약점, 그리고 가능한 활용처를 가지고 있습니다. 이러한 관점에서 보면, 이들 사이에 경쟁 관계가 있다고 보기보다는 합리적으로 하나를 선택하는 것이 중요합니다. 비즈니스 네트워크의 요구 사항에 맞게 하나를 적절히 선택하는 것이 중요합니다. 

PoW의 구현은 안전하고 탈중앙화되어 있습니다. PoW는 암호화폐에 매우 훌륭한 합의 메커니즘입니다. 그러나 소셜 네트워크나 블록체인 게임에는 전혀 적합하지 않습니다. 

이제 막 태동하는 블록체인 산업에서는 새로운 블록체인 아키텍처를 발견하기 위해 연구를 계속하는 것이 중요합니다. 새로운 합의 메커니즘은 특히 블록체인과 암호화폐 기술을 활용할 새로운 선택지를 열어줄 것입니다.