스케일링 솔루션: 레이어-1 및 레이어-2 프로토콜이란 무엇인가?

지난 몇 년간 암호화폐와 블록체인 산업은 진정한 붐을 맞았고, 사용자 수와 거래량도 크게 증가했습니다. 이 기술의 혁신성을 누구도 부인할 수는 없지만, 시스템이 수요 증가에 맞춰 성장할 수 있는 능력인 확장성 문제에 직면하기 시작했습니다.

스케일링 솔루션은 무엇을 위한 것인가?

탈중앙화는 연산 능력과 합의가 네트워크 전반에 분산되어 있음을 의미하며, 보안은 블록체인이 악의적인 행위자와 해커 공격으로부터 얼마나 잘 방어되는지를 보여줍니다. 이 두 가지 특성은 블록체인 네트워크에 필수적인 요소로 간주됩니다. 

보안성이 높은 탈중앙화 시스템은 종종 거래 처리량에서 문제를 겪는데, 이는 블록체인 트릴레마라고 불리는 문제를 낳았습니다. 이는 보안성, 탈중앙화, 확장성을 동시에 높은 수준으로 달성하는 것은 거의 불가능하며, 현실적으로 블록체인 네트워크는 세 가지 요소 중 최대 두 가지밖에 달성할 수 없다는 점을 말합니다. 

하지만 이 문제를 해결하기 위해 노력하는 많은 개발자들이 있으며, 그들은 이미 상당한 성과를 거두었습니다. 블록체인 네트워크의 확장성 개선은 레이어-1과 레이어-2 솔루션으로 구분할 수 있습니다. 각각은 서로 다른 메커니즘과 고유한 장단점, 그리고 복잡성을 가지고 있습니다. 

스케일링 솔루션의 중요성

블록체인은 돈을 소유하고 관리하는 더 공정하고 안전한 방식이지만, 중앙화된 금융 기관은 처리량 측면에서 훨씬 더 효율적입니다. 예를 들어 Visa는 초당 6만 5천 건의 거래를 자랑하는 반면, Bitcoin은 7건, Ethereum은 15건에 불과합니다. 

중앙화된 결제 처리 시스템과 경쟁하려면, 블록체인 네트워크는 늘어나는 사용자, 거래, 데이터를 수용할 수 있도록 더 높은 확장성을 갖춰야 합니다. 아무 조치도 취하지 않으면 블록체인은 거래가 차례차례 밀려 막히게 될 것입니다. 시스템은 모든 거래를 한꺼번에 처리할 수 없고, 이는 사용자 경험의 불균형을 초래할 것입니다. 

레이어-1 블록체인이란?

레이어-1 스케일링 솔루션은 온체인 개선에 초점을 맞춥니다. 이들은 기본 프로토콜과 네트워크 아키텍처를 수정해 더 나은 처리량을 제공합니다. 예를 들어 Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain, Litecoin은 레이어-1 블록체인 네트워크입니다. 레이어-1 스케일링 솔루션은 기반 레이어, 즉 프로토콜 자체를 강화합니다.

샤딩

샤딩은 분산 데이터베이스에서 차용되어 가장 인기 있는 레이어-1 스케일링 솔루션이 되었습니다. 샤딩에서는 전체 블록체인 네트워크를 샤드라고 불리는 조각이나 데이터셋으로 나누어, 노드가 전체 네트워크보다 샤드를 유지 관리하기 쉽게 만듭니다. 모든 샤드는 동시에 처리되므로 다수의 거래를 순차적으로 처리할 수 있습니다. 

각 노드도 서로 다른 샤드에 할당됩니다. 개별 샤드는 메인체인에 증명을 제공하고, 크로스 샤드 통신 프로토콜을 통해 서로 상호작용하며 주소, 전체 상태, 잔액을 공유합니다. 

Ethereum 블록체인의 새로운 버전인 Ethereum 2.0은 스케일링 솔루션으로 샤딩을 구현합니다.

샤딩을 사용하는 또 다른 레이어-1 블록체인은 Elrond입니다. Elrond는 Adaptive State Sharding과 안전한 Proof-of-Stake 합의 메커니즘을 통해 초당 100,000 TPS(초당 거래 수)의 처리량을 달성했습니다. 

Harmony 블록체인 네트워크는 샤드를 적용해 더 높은 확장성을 달성한 또 다른 프로젝트 사례입니다. 이 프로젝트는 zero-knowledge proof와 Decentralized Autonomous Organisations 사용에 중점을 둡니다. 

합의 메커니즘 개선

일부 합의 메커니즘은 다른 것보다 더 효율적입니다. 예를 들어 Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge 등이 사용하는 Proof-of-Work는 높은 수준의 탈중앙화와 보안을 제공합니다. 하지만 동시에 상당히 느리기 때문에, 많은 개발자들이 네트워크를 개발할 때 Proof-of-Stake를 선택합니다. 

기존 블록체인도 합의 메커니즘을 바꿀 수 있으며, 가장 좋은 예는 Ethereum입니다. Ethereum은 블록체인의 용량과 탈중앙화를 높이는 동시에 높은 수준의 보안을 유지하기 위해 Proof-of-Stake 합의 메커니즘으로 전환할 계획입니다. 

일반적으로 오늘날 가장 개선된 레이어-1 및 레이어-2 블록체인은 Proof-of-Stake 합의 메커니즘 또는 그 변형을 채택합니다. 이는 컴퓨터가 검증을 위해 경쟁할 필요를 없애므로, PoS는 이미 확장성을 위한 더 많은 여지를 갖고 있습니다.

Kava 블록체인은 EVM 코체인에서 거래를 개선하기 위해 Tendermint Proof-of-Stake 합의 알고리즘을 사용해 확장성을 달성하는 레이어-1 네트워크의 좋은 예가 될 수 있습니다. 

Solana는 새로운 세대의 레이어-1 블록체인 프로토콜로 간주되며, 새롭고 유망한 Proof-of-History 합의 메커니즘을 사용해 초당 3000건이 넘는 거래를 통해 처리량을 크게 높였습니다. 

암호화폐에서 사용되는 다른, 다소 덜 인기 있는 레이어-1 솔루션으로는 재매개변수화와 대체 Data Structures 생성이 있습니다. 이러한 방법들의 가장 큰 장점은 대규모 개선을 가장 효과적으로 제공한다는 점입니다.

레이어-1 솔루션의 문제점 

레이어-1 솔루션의 주요 문제 중 하나는 네트워크 검증자들이 하드 fork를 통해 변경에 동의해야 한다는 점입니다. 그리고 이는 항상 쉬운 일이 아닙니다. 경우에 따라 수익이 줄어들 수 있기 때문입니다. 예를 들어 블록체인이 Proof-of-Work에서 Proof-of-Stake로 전환하면 채굴자들은 수입을 잃게 되고, 확장성의 필요성을 거부할 수도 있습니다. 

레이어-2 블록체인이란?

레이어-2 솔루션은 병렬 블록체인을 실행하거나 원래 체인 위에 제3자 네트워크를 구축함으로써 오프체인 솔루션을 만드는 데 초점을 맞춥니다. 이 두 번째 레이어는 달리 계산 레이어라고도 불리며, 메인 또는 상위 네트워크의 혼잡을 완화하는 데 사용됩니다. 이는 블록체인의 확장성을 개선하는 가장 쉽고 빠른 방법입니다.

프로토콜의 일부 거래는 인접한 블록체인 아키텍처로 이동하며, 이곳에서 거래가 처리되고 결과를 최종 확정할 때만 부모 체인으로 다시 참조됩니다. 레이어-2 솔루션은 종종 레이어-1 솔루션과 결합됩니다. 

가장 좋은 레이어-2 솔루션에는 레거시 체인과 탈중앙화 애플리케이션 간의 확장 가능한 브리지와, Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS 등 새로운 PoS 변형을 낳은 기술들이 포함됩니다. 

레이어-2 솔루션을 적용하는 주요 방식은 Nestchains, Rollups, State Channels, Sidechains입니다. 

중첩 블록체인 

중첩 블록체인은 보통 다른 블록체인 위에 얹힌 추가 네트워크를 말합니다. 이는 일반적으로 더 넓은 네트워크의 파라미터를 설정하는 기본 블록체인이 필요하며, 거래와 smart contracts 실행은 서로 연결된 하위 체인에서 이루어집니다. 여러 네트워크를 메인 체인 위에 자식 체인으로 구축할 수 있습니다. 메인 체인은 작업을 자식 체인에 위임하고, 자식 체인은 이를 메인 체인과 독립적으로 처리한 뒤 부모 체인으로 반환합니다. 메인 체인의 참여는 분쟁 해결이 필요할 때만 요구됩니다.  

사이드체인 

사이드체인은 메인 체인에 연결된 추가 체인입니다. 보통 대량 거래에 사용됩니다. 사이드체인은 메인 체인과 다른 독립적인 합의 알고리즘을 사용하며, 처음부터 독립적으로 구축됩니다. 이 메커니즘은 속도와 확장성에 맞게 최적화될 수 있습니다. 여기서 메인 체인은 보안을 유지하고, 거래 묶음을 확인하며, 충돌을 해결합니다. 

사이드체인과 상태 채널의 차이점은 통합 방식의 수입니다. 모든 거래는 공개 원장에 기록되며 모든 참여자에게 보입니다. 중요한 점은 사이드체인의 침해가 메인 체인에 영향을 주지 않는다는 것입니다. 

Plasma 네트워크는 Ethereum을 위한 사이드체인 레이어-2 솔루션의 예입니다. 이는 트리 구조로 연결된 작은 블록체인들로 구성됩니다. 

상태 채널

상태 채널은 블록체인의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 구현됩니다. 또한 블록체인과 오프체인 거래 채널 간의 양방향 통신도 개선합니다. 상태 채널은 레이어-1 노드의 검증이 필요하지 않으며, 대신 멀티시그 또는 스마트 계약 메커니즘을 사용합니다. 완료된 거래는 기반 네트워크에 기록됩니다. 

상태 채널의 예로는 Celer, Bitcoin Lightning, 그리고 Ethereum의 Lightning Network가 있습니다. 이 방식의 주요 문제는 더 높은 확장성을 얻기 위해 어느 정도의 탈중앙화를 잃는다는 점입니다. 

롤업 

롤업은 메인 블록체인 밖에서 거래를 처리하지만 관련 데이터를 레이어-1에 게시하여 기본 레이어에서 거래를 안전하게 보호합니다. 오프 레벨에서 실행되므로 수수료가 낮아집니다. 스마트 계약은 레이어-1에서 실행되지만, 메인 블록체인의 데이터를 사용해 레이어 2에서 거래를 수행합니다. 옵티미스틱 롤업은 거래가 기본적으로 올바르다고 가정하며, fraud-proof를 통한 챌린지로만 계산을 수행합니다. zero-knowledge 롤업은 오프체인에서 계산을 수행하고 유효성 증명을 메인 체인에 제출합니다. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism, Boba는 옵티미스틱 롤업을 사용하는 레이어-2 블록체인입니다. Loopring, Immutable X, Starkware, Polygon Hermez는 zero-knowledge 롤업을 사용하는 레이어-2 솔루션입니다. 

레이어-2 솔루션의 문제점

암호화폐에서 레이어-2의 주요 문제는 여기서는 보안을 잃을 가능성이 훨씬 더 크다는 점이며, 따라서 사용자들은 보안 기록이 검증된 Bitcoin이나 Ethereum 같은 탄탄한 프로젝트를 더 쉽게 신뢰합니다. 하지만 이제는 거래 속도와 비용 때문에 점점 더 레이어-2 네트워크로 이동할 것입니다. 그래서 전문가들은 레이어-2의 미래는 특정 분야에 있으며, 더 큰 블록체인들은 여전히 보안을 중심으로 우위를 유지할 것이라고 봅니다. 

결론 

확장성은 글로벌 암호화폐 채택으로 가는 길에서 가장 큰 장애물입니다. 해결책은 구현 단계에서부터 확장성 트릴레마를 감당할 수 있는 블록체인을 구축하는 것이며, 동시에 병목 현상을 피하기 위해 기존 네트워크를 개선하려는 노력을 병행하는 것입니다. 현재 가능한 모든 솔루션은 레이어-1과 레이어-2로 나눌 수 있습니다. 레이어-1과 레이어-2 솔루션을 비교하는 것은 둘 다 장단점이 있기 때문에 어렵지만, 미래는 두 방식의 결합에 있을 가능성이 있습니다.