블록체인 확장성 문제 설명

블록체인 기술을 만들 때 개발자들은 디지털 화폐의 프라이버시와 익명성에 기대를 걸었습니다. 이 목표는 피어투피어 시스템의 원칙을 도입함으로써 달성되었습니다. 즉, 각 사용자는 동등하며 은행과 같은 관리 시스템이나 자금 통제 기관이 없습니다.

이제 암호화폐는 하나의 기술로서 다음 과제에 직면해 있습니다. 바로 Visa와 MasterCard에 비견될 만큼 높은 거래 처리 속도를 달성하는 것입니다. 확장성 문제는 블록체인 기술의 대규모 도입을 가로막는 주요 장애물 중 하나로 남아 있습니다. 점점 더 많은 블록체인 프로젝트 팀이 네트워크 성능을 개선할 수 있는 해결책을 찾고 있습니다. 많은 이들이 이 문제를 이미 해결했거나 거의 해결했다고 주장하지만, 그러한 발언은 회의적으로 받아들여야 합니다.

주요 목표

10년 전만 해도 Bitcoin은 사용자들에게 인기가 없었습니다. 하지만 시간이 지나면서 시스템 내 사용자 수가 증가해 기술의 연산 능력에 문제가 생겼습니다. 초당 처리 가능한 결제 수에 제한이 있어 긴 대기열이 발생하면서 암호화폐 사용은 더 어려워졌습니다. 그 결과 확장성 문제는 악화되었습니다.

개발자들은 작업을 안정화할 최적의 메커니즘을 적극적으로 찾기 시작했습니다. 그 이후로 코인은 정기적으로 업데이트되거나, 타협이 없을 경우 분리되었습니다. 그러나 문제를 하나씩 살펴보겠습니다.

확장성 문제: 과제의 본질

모든 Bitcoin 거래는 거래 데이터를 수신하는 블록에 담겨 처리됩니다. 하나의 블록은 1 MB의 정보를 담을 수 있으며, 처리 속도는 평균 초당 4건의 결제입니다. 한편, 채굴자의 처리 능력은 자금의 이동과 작업의 안정성을 담당합니다. 이는 코인과 암호화된 거래 기록을 생성할 때 알고리즘을 계산하는 데 필요합니다. 각 거래마다 디지털 화폐 채굴자는 수수료를 받습니다.

거래 수가 증가하면 각 거래의 속도도 감소합니다. 이로 인해 블록체인이 대량의 흐름을 감당하지 못하게 됩니다. 모든 암호화폐 이체는 긴 대기열에 쌓입니다. 수수료가 높아야만 대기열에서 우선권을 얻을 수 있습니다. 이 현상은 코인의 유동성(가격 급등)에 영향을 미칩니다. 익명성과 프라이버시를 희생하더라도 구매자는 현금이나 은행 카드를 사용하는 것이 더 쉽습니다.

이런 경우 사용자들은 화폐에 대한 관심과 신뢰를 잃고, 이어서 채굴자도 이탈합니다. 그 결과 투자자들은 투자 위험을 보게 되고 자산을 최고 가치와 인기도에서 내려놓으며, 트레이더들은 가격 변동을 이용해 수익을 냅니다.

확장성 문제는 어떻게 나타나는가

Bitcoin의 대중화와 함께 네트워크 혼잡으로 인해 암호화폐 확장성 문제가 드러났습니다. 따라서 코인을 사용하는 것이 더 어려워졌습니다. 2017년 5월에는 거래 대기열이 최대 5일에 이르렀습니다. 그때 거래의 속도와 보안 사이의 균형 문제가 제기되었습니다.

실제 예로 문제를 분석할 수 있습니다. 예를 들어, 사전 안전 점검과 단위당 적재 시간이 2시간인 1톤 적재량의 화차로 500톤의 화물을 운송해야 한다고 가정해 보겠습니다. 그러나 운송 서비스 비용은 화물의 순위에 내림차순으로 영향을 미칩니다. 그 결과, 배송료를 가장 적게 낸 수취인이 최종 제품을 받기까지 최소 2주가 걸립니다. Bitcoin도 마찬가지로 은행 카드처럼 빠르게 결제할 수는 없습니다.

이를 바탕으로 확장성 문제의 정의를 구분할 수 있습니다. 즉, 특정 시간 내에 처리되는 거래 수를 제한하는 것입니다. 다만 유료 수수료를 선택하는 기능은 블록체인 대기열에서 해당 작업의 우선순위를 높일 수는 있지만, 문제 자체를 해결하지는 못합니다.

가장 먼저 떠오르는 것은 블록 크기와 추가 조치 없이 처리되는 결제 수를 늘리는 것입니다. 불행히도 이 접근법은 보안을 낮춥니다. 정보의 단계적 처리는 DDoS 공격의 높은 위험을 피하게 해주기 때문입니다(사기 목적으로 의도적으로 네트워크를 혼잡하게 만드는 것). 블록 크기는 신중한 데이터 검증을 위해 정해집니다. 그럼에도 가능한 해결책을 자세히 분석할 필요가 있습니다.

확장성을 어떻게 해결할 것인가

개발자, 활동가, 학자들은 Bitcoin의 확장성 문제를 해결할 방법을 찾기 시작했습니다. 그 정점이자 대표적인 사례가 2017년의 긴 대기열 사태였습니다. 바로 그때 이 과제는 암호화폐 커뮤니티에서 널리 논의되었습니다. 이 블록체인 결함을 바로잡기 위한 세 가지 개념이 제시되었습니다.

• 블록 크기를 늘려 결제 수수료를 줄이고 초당 거래 처리 속도(TPS)를 높이는 방법입니다. 단점은 두 가지로, 코인의 중앙화와 DDoS 공격 성공 위험으로 이어질 수 있습니다;
• 분할 정보 처리, 즉 샤딩입니다. 일부 정보는 셀 바깥에 표시됩니다. 이렇게 하면 블록체인이 서로 다른 거래 그룹을 담당하는 두 개 이상의 세그먼트로 나뉩니다. 샤드를 처리하는 데 필요한 채굴 능력이 적기 때문에 해킹 공격의 위험도 존재합니다. 여러 부분으로 나뉘기 때문에 보안 검증에는 가벼운 알고리즘이 필요합니다. 따라서 사기꾼이 네트워크에 가짜 거래를 추가할 수 있으며, 그 예가 51 ％ 공격입니다;
• 확장성 문제를 해결하는 L2 솔루션 그룹입니다. 이 접근법은 블록체인 위에서 작동하는 프레임워크, 즉 기존 네트워크의 부담을 덜어주는 프로그램입니다. 이러한 개념은 중개자의 개입이 있다는 점에서 온체인(코인 시스템 내부의 해결책)과 다릅니다.

첫 번째 방법은 네트를 분리하고 새로운 코인을 만들어야 합니다. 따라서 원래 체인에 대한 하위 호환성 지원이 사라집니다. 즉, 이런 경우 통화는 더 이상 동질적이지 않습니다. 암호화 환경에서는 이를 hardfork라고 부릅니다. Bitcoin Cash가 이 경로를 따랐습니다. 분리의 결과로 2017년 8월 최초의 암호화폐에서 분리되었고 블록 크기는 8 MB로 증가했습니다.

두 번째 해결책은 블록의 일부 정보를 그 범위 밖으로 이동시켜 별도의 서브넷을 만드는 것입니다. 이 경우 코인을 분리하지 않고 소프트웨어 프로토콜만 변경하는 softfork가 발생합니다. 컴퓨터 게임에 추가 콘텐츠가 포함된 패치를 배포하는 것과 비슷합니다. 예로 Segregated Witness 업데이트가 있습니다. 메인 거래 체인 밖에 일부 정보를 저장하면서 블록 크기는 2 MB로 증가했습니다.

이 해결책에는 단점이 있습니다. 각 샤드는 사이버 공격의 위험에 노출됩니다. 각 세그먼트마다 단위당보다 적은 연산 능력이 사용됩니다.

2차 레벨 솔루션

초기 블록체인, 특히 Bitcoin과 Ethereum의 구조는 많은 수의 거래와 사용자를 고려해 설계되지 않았기 때문에 대역폭이 낮습니다. 예를 들어 Bitcoin은 초당 5~7건의 거래(TPS)를 처리하며, Ethereum은 약 15 TPS입니다.

sharding과 같은 기능을 사용해 블록체인 프로토콜 코드를 변경하면 확장성을 높일 수 있습니다. 하지만 많은 시간이 걸리고 수년이 소요될 수도 있습니다. 또한 이러한 개선은 아키텍처의 근간을 바꾸기 때문에 프로젝트 커뮤니티가 항상 이에 동의하는 것은 아닙니다.

L2 솔루션은 메인 블록체인의 코드를 건드리지 않고도 낮은 대역폭과 높은 이체 수수료 문제를 적어도 부분적으로 해결할 수 있게 해줍니다. 이들의 가장 큰 장점은 "1차 레벨" 주소 사이에서 자산을 이전하면서 "2차 레벨"을 사용할 수 있다는 점이며, 이는 별도의 오프체인 프로토콜이거나 별도의 블록체인일 수 있습니다.

Bitcoin에는 어떤 Layer 2 솔루션이 있는가?

최초의 암호화폐를 위한 대표적인 L2 프로젝트는 Lightning Network(LN)입니다. 이 프로젝트는 스마트 계약과 이른바 상태 채널을 사용하는 프로토콜 위에서 작동합니다. Lightning Network는 2015년에 출시되었으며 이후 적극적으로 발전해 왔습니다. 2022년 5월 말 기준 LN 채널의 총 용량은 3,900 BTC에 도달했습니다.

LN의 주요 기능은 Bitcoin 보유자가 장부에 정보를 기록하지 않고 직접 교환할 수 있게 하는 것입니다. 이를 위해서는 단일 온체인 거래를 사용해 특별한 채널을 열고 그 안에 Bitcoin을 넣어야 합니다.

활성화 후 결제 채널을 통해 오프체인, 즉 메인 네트워크 밖에서 훨씬 더 빠르고 낮은 수수료로 이체할 수 있습니다. 온체인 거래와 달리 Lightning Network 채널 내 거래는 해당 사용자에게만 보입니다. 메인 블록체인에는 거래의 초기 상태와 최종 상태만 기록됩니다.

이 접근 방식은 메인 Bitcoin 네트워크의 부하를 크게 줄입니다. Lightning Network는 시스템 보안을 높은 수준으로 유지하면서 초당 수천 건의 작업을 처리할 수 있습니다.

Ethereum에는 어떤 Layer 2 솔루션이 있는가?

낮은 속도에도 불구하고 Ethereum 생태계는 분산형 애플리케이션에 가장 많이 수요가 있는 곳입니다. 탈중앙화 금융(DeFi)과 대체 불가능한 토큰(NFT) 분야의 많은 인기 프로젝트가 이 위에서 작동합니다. 따라서 확장성 문제는 Ethereum에 특히 심각합니다.

현재 여러 주요 L2 솔루션이 동시에 개발되고 있습니다.

• Polygon(MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

이들의 핵심 기술은 Rollups이며, 주요 유형은 두 가지입니다.

• Optimistic Rollups. 이 솔루션에서는 거래가 L2 네트워크에서 이루어진 다음, 큰 묶음으로 결합되어 압축된 블록이 되고, 검증자에 의해 메인 Ethereum 네트워크에 포함됩니다. Optimistic Rollups는 Arbitrum과 Optimism에서 사용됩니다.
• ZK-Rollups. 2차 레벨 네트워크의 거래도 패킷으로 결합되어 Ethereum 네트워크로 전송되지만, 그 확인은 특수한 검증자의 도움을 통해 이루어지며 이는 작업의 유효성을 입증하는 암호학적 증명입니다. Polygon은 ZK-Rollups를 기반으로 구현됩니다. 이 Ethereum 확장 기술은 플랫폼의 주요 공동 창립자인 Vitalik Buterin도 검토하고 있습니다.

어떤 L2 솔루션이든, Ethereum은 "1차 레이어"로서 거래 검증 및 블록 생성 기능, 최종 상태가 기록되는 장부, 그리고 합의 메커니즘을 맡습니다. 따라서 프로젝트는 자체 인프라를 만들 필요가 없습니다.

다른 Layer 2 프로젝트도 있습니다. 예를 들어 2022년 7월 스타트업 Matter Labs는 zkSync 2.0 출시를 발표했습니다. 한 달 뒤에는 Cairo 언어로 작성된 자체 프로토콜을 사용한 StarkWare 프로젝트가 가동되었습니다.

정리해 보자

Bitcoin 프로토콜에서 네트워크 자원이 비효율적으로 사용된다는 점은 쉽게 알 수 있습니다. 각 노드는 새로운 블록에 대한 데이터를 아주 짧은 시간 동안만 처리하고 전송합니다. 네트워크 대역폭은 몇 초 동안만 완전히 사용됩니다. 나머지 시간 동안 이 노드는 미확인 거래와 지원 데이터를 전송합니다. 이러한 관찰은 연구자들에게 네트워크 보안과 탈중앙화를 해치지 않으면서 시스템 처리량을 크게 개선할 수 있는 더 효율적인 프로토콜 구조를 찾도록 영감을 주었습니다.

현재 암호화폐 커뮤니티는 하나의 해답에 도달하지 못했습니다. 논쟁은 여전히 이어지고, 새로운 코인이 만들어지며, 프로토콜 업데이트가 배포됩니다. 효과적인 해결책은 이미 개발되었지만, 여전히 사람의 개입이라는 위험이 남아 있습니다. 이 문제는 거래의 중개자로서 인공지능이 발전함으로써 해결될 것입니다.