앞서 소개 된 바 있던 이더리움 더머지에서 가장 중요한 이슈는 PoW(Proof-of-Work, 작업 증명)에서 PoS(Proof-of-Stake, 지분 증명)로의 전환이었습니다. 이번 아티클에서는
1. PoW, PoS의 원리에 대해 비교를 통해 자세히 알아보고
2. Staking이 과연 어떻게 거래을 증명해주는지
3. PoS에서 Validator의 역할과 보상에 대해 알아보도록 하겠습니다.
블록 체인
PoW, PoS에 대해 이야기해보기 전에 블록체인의 정의를 한번 더 살펴보겠습니다.
Google에 what is blockchain이라는 검색어를 입력하면 공통적으로 나오는 것은 블록체인은 ledger(원장)라는 것입니다.
여기서 원장이란? 은행·사업체 등에서 거래 내역을 적은 장부를 말합니다.
따라서, 블록체인은 하나의 장부 즉, 거래 기록 모음이라고 할 수 있겠습니다.
기술적 관점에서 블록은 하나의 데이터베이스라고 할 수 있습니다. 쉽게 말해서는 하나의 거래 내역이라고 볼 수 있습니다. 물론 블록이 데이터가 동치는 아니고, 데이터 외에도 블록 유효성 검증을 위한 다양한 정보들도 포함되어 있습니다.
블록 체인의 중요한 특징은 2가지로 정리할 수 있습니다.
- 블록 체인의 블록(데이터)은
추가만 가능하고편집, 삭제는 불가능합니다. 블록에는 ‘진실(true)’로증명된 데이터만 추가가 가능합니다. 네트워크내 모두가 정확히 동일한DB 복제본을 가지고 있기 때문에 특정 개인이 DB를 관리할 수 없습니다.(물론, 모든 컴퓨터를 동시에 종료할 수 있다면 위협이 될 수 있겠습니다.)
이제 블록체인이 편집, 삭제가 불가능한 거래 기록 모음이라는 것은 알겠는데, 그럼 블록으로 추가되는 데이터는 어떻게 증명되는 것일까요?
PoW와 PoS가 등장할 차례입니다.
PoW? PoS?
PoW(Proof-of-Work)
원리
PoW에서는 채굴자(Miner)가 블록 체인에 들어오는 데이터를 증명합니다.
체인에 들어온 데이터(거래 내용)를 확인하고, 블록 안에 넣고, 블록체인에 보내는 역할을 합니다.
- 확인(check) : 거래 내용을 확인하고 체인 내 과거 모든 거래 내역을 확인
- 넣기(input) : 확인된 데이터를 블록에 넣기
- 보내기(send) : 완료된 블록을 체인에 올리기
이런 과정들로 블록체인에 올라가야하는 데이터를 모두 증명하는 것입니다. 누구든지 채굴 과정을 통해서 데이터를 검증에 참여할 수 있습니다.
한 가지 예를 들어보겠습니다. 가령 A가 B에게 돈을 송금했다는 기록을 증명해야 합니다. 기존에는 은행 등의 중앙에서 해당 데이터를 증명하고 관리했다고하면, 블록체인 상에서는 어떤 기록이 네트워크에 올라왔다하면 모든 채굴자들이 달려들어 해당 기록이 본 네트워크 상에서 발생했음을 확인하고 확인된 데이터를 블록에 넣어 네트워크에 보내고, 이렇게 모두가 해당 데이터를 관리하는 것입니다.
보상(Miner는 돈을 어떻게 버는가?)
이렇게 검증을 마치고 거래(transaction)을 완료하면, 그 과정에 대한 보상으로 코인을 받게됩니다. 일종의 수수료라고 할 수 있죠. 매우 간단한 과정처럼 보이지만 블록을 체인에 올리는 과정은 매우 어렵습니다.
전체 네트워크에 공통의 질문(Puzzle)이 던져지고 각 Miner들은 그 질문에 대한 해답을 제시해야만 블록을 올릴 수 있습니다. 그리고 블록 올리기를 완료한 이후에야 보상으로 수수료(Commission)와 코인을 받을 수 있습니다. 이 보상을 화폐처럼 사용할 수 있는 것입니다.
자주 들어 익숙하지만 정확히는 모르는 단어 논스(nonce)가 바로 이 과정에 등장하는 개념입니다. 네트워크가 던진 질문에 대해 답변하기 위해서 즉, 데이터가 담긴 블록을 체인에 올리기 위해서 Miner가 바꿀 수 있는 값이 바로 nonce입니다. 채굴는 nonce 외의 블록 내 다른 정보들은 하나도 바꿀 수 없습니다. nonce 변경을 통해서 질문에 답변할 수 있는 것입니다.
이런 일련의 과정들을 가리켜 채굴이라고 합니다.
문제점
- 엄청난 에너지 소비량
이런 질문 답변의 과정은 컴퓨터로 하여금 막대한 연산을 수행하게 합니다. 우리가 상상할 수 없을 정도로. 이 연산을 위해서 수 많은 Miner들이 그래픽 카드를 사용해 이 연산을 수행하고 있는데, 보통 컴퓨터라고 하면 떠올리는 CPU 대신 GPU를 이용하는 이유는 사실 이 답변을 찾는 과정이 단순 연산의 과정이기 때문입니다. 따라서 복잡한 연산보다 단순한 연산에 특화되어 있는 GPU를 소모해 해답 숫자를 찾고 있습니다. 단순 노가다 과정에 가깝기 때문에 이를 채굴이라고 하는 것이 아닐까 생각되네요.
- 가장 먼저 답변을 찾은 Miner에게만 이루어지는 보상
한 Miner가 답변을 찾는다면 똑같은 연산을 수행하고 있던 다른 Miner들의 노력은 물거품이 되어 버립니다. 불특정 다수가 모두 해답을 찾기 위한 노가다를 수행하기 때문에 엄청난 발열이 어떠한 보상도 없이 휘발되어 버리는 것이죠.
이러한 문제들이 합쳐져서 엄청난 에너지가 소비되며 발생하는 발열, 이산화탄소도 엄청납니다. Bitcoin Energy Consumption Index에 따르면 실제로 비트코인 채굴에 드는 연간 에너지 소비량이 네덜란드의 연간 에너지 소비량과 맞먹는다고 합니다.
이에 대한 대안으로 제시된 방법 중 하나가 바로 PoS입니다.
PoS(Proof-of-Stake)
채굴을 통한 데이터 검증의 과정은 이제 알겠는데, 지분 증명을 통한 검증은 어떻게 이루어질까요?
원리
앞서 살펴본 PoW의 일련의 과정을 통해 데이터를 검증하고 또 이를 통해 네트워크에 대한 공격으로부터 블록체인을 보호합니다. 트랜잭션을 검증하고, 블록을 생성하는 과정 자체가 네트워크를 보호하는 행위인 셈입니다. 그리고 블록체인을 보호하기 위해 수 많은 Miner들이 필요하게 됩니다. 특정 한 사람에게만 검증의 역할을 맡긴다면 이는 탈중앙화와 반대되는 방향성일 것이기 때문입니다. 그렇기에 질문에 대한 답변 과정이 매우 어렵도록 만들어 놓았습니다. 그런데 앞서 이야기했듯이 이 과정은 엄청난 양의 전력과 컴퓨팅 파워를 소모합니다.
단순 ‘보상’만을 위해 ‘믿음’ — 여기서의 ‘믿음’이란 해당 프로젝트(비트코인, 이더리움 등)에 대한 ‘믿음’ — 없이 네트워크를 보호하게 되는 것이죠. 단순 채굴의 과정은 ‘보상’만 있고 프로젝트에 대한 ‘믿음’은 부재한 상태의 투자가 이루어 집니다.
여기에서 지분 증명 방식의 PoS와의 차이가 명확해집니다.
PoS 시스템에서는 검증자(Validator) 혹은 채굴자(Miner)가 되기 위해서는 해당 프로젝트의 코인을 소유해야만 합니다. PoW에서는 누구라도 채굴 과정에 참여할 수 있었던 것과는 다른 점이죠. 소유만이 아니라 스테이킹(Staking) 즉, 네트워크에 고정적으로 맡기는 행위가 필요합니다.
Staking?
간단히는 coin holding이라고 말할 수 있습니다. 달리 말하자면 네트워크를 보호하기 위해 암호화폐를 잠그고 그에 대한 이자를 받는 행위입니다.
그렇다면 스테이킹이라는 행위는 어떻게 네트워크를 보호하는 것이며, 이자를 보장해주는 것일까요?
PoW는 블록체인이 고성능 컴퓨팅 장치를 사용하도록 강제했습니다만 PoS는 암호화폐를 스테이킹(위임)하도록 요구합니다. 스테이킹된 금액은 트랜잭션 확인을 담당하는 노드(검증자)가 본인들의 돈이 걸려 있으므로 청렴하게 행동하도록 해서 증명 역할을 수행합니다. 결국 스테이킹이 네트워크를 보호하는 것입니다. 추가적으로 공격이 발각된다면 해당 네트워크에서 방출되고 자산(코인)도 네트워크에 영원히 가두어지는 조치도 있습니다.
Validator?
보상
Validator는 결국 PoW의 Miner 역할을 수행함으로써 블록을 검증하고 체인에 올리며 이 과정에서 보상을 받습니다. 다만, Staking을 통해 해당 프로젝트에 참여한 지분에 대한 이자 개념이라는 점이 차이라 할 수 있습니다.
물론 스테이킹을 한다고 해서 검증자로 무조건 선택되는 것은 아닙니다. 네트워크에 ‘지분’이 얼마나 있는가에 따라 검증자로 선택되게 됩니다. 지분에 비례하여 검증자로 선택되게 되는 것이죠. 따라서 해당 네트워크에 지분이 많이 있다면 그만큼 자주 검증자로 선택되어 이에 따른 보상을 받게됩니다.
이런 조치를 통해서 PoS는 PoW처럼 전력을 많이 소비하지 않습니다. 스테이킹한 사람만 가능하기 때문에 불특정 다수가 채굴에 몰리는 일이 방지되는 것이죠. 이더리움 더머지에 따르면 이 전환을 통해 무려 99.95%만큼의 에너지 소비 감소를 이루었다고 합니다.
하나의 PoS 방식 안에서 증명을 수행하는 방법은 1. 가장 지분이 많은 사람에게 보상을 주는 방식, 2. 가장 오랜 기간 지분을 소유한 사람에게 보상을 주는 방식 등 여러가지일 수 있습니다.
한계 및 문제점
- 안정성 문제
가장 크게 대두되는 한계는 PoS가 PoW만큼 오랜 기간 테스트되지 않았다는 점입니다. 아직 많은 공격을 견뎌본 적이 없는 것이죠. 그래서 아직 PoS씬에서는 비트코인만큼 가치가 높은 코인이 없습니다.
- 돈이 많을 수록 유리 or 코인을 빨리 소유할 수록 유리
PoW는 ‘가장 빠른’ 사람에게 보상을 주는 것처럼 PoS는 ‘가장 지분이 많은’ 일종의 ‘부자’에게 보상을 준다고 할 수 있습니다. 또한 가장 코인을 오래 소유한 사람일수록 더 싼 가격에 많은 코인을 구매했을 확률이 높기 때문에 새로운 사람에게 불리한 면이 있습니다.
나가며
처음 Validator에 관한 리서치 제안을 받으며 기존 은행 등 금융업에서의 예금주, 주주와 다른 게 무엇인지 잘 와닿지 않았습니다. 하지만 블록체인의 원리와 증명 원리들을 학습하며 탈중앙화 하에서 신용이 발생하는 원리에 대해 좀 더 이해하게 됐고, staking에 내포된 보다 적극적인 프로젝트 지지와 이를 통한 수익 모델에 대해 다시 한 번 이해하는 시간이 됐습니다.
References
https://www.youtube.com/watch?v=Ca7Meu4z-F4
https://www.youtube.com/watch?v=ElGBP90XZWE
https://www.banksalad.com/contents/쉽게-설명하는-블록체인-지분증명이란-lr7RH
https://medium.com/@crypto_stake/what-is-the-difference-from-miners-and-validator-3d565f25b0c5
https://ethereum.org/ko/upgrades/merge/
https://www.ledger.com/ko/academy/암호화폐-스테이킹
https://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption
