암호화증명방식과 롤업비교를 중심으로-이더리움 레이어2.0 솔루션의 혁신과 메인넷 경제에 미치는 영향
TL;DR
1. 모놀리틱 블록체인의 한계를 해결하기 위한 움직임으로 모듈러 블록체인이 등장했다.
2. 이더리움 레이어2는 대표적인 모듈러 블록체인으로 트랜잭션 실행, 보안, 데이터 가용성 세 가지 작업을 각기 다른 레이어가 분담하고 있다. 특히 이더리움2.0에서 채택한 실행 레이어 ZK 롤업이 가장 유망하다
3. 그럼에도 불구하고 확장성 개선으로 제시된 롤업 체인이 메인넷의 활성도 하락에 기여할 것이라는 우려의 목소리가 있다
들어가며
이더리움은 하나의 메인 체인에서 트랜잭션을 실행하고 보안을 책임지고 데이터 가용성 작업을 수행하는 대표적인 모놀리틱 블록체인이다. 하지만 최근 블록체인 사용자 수가 급격하게 늘어나고 블록체인 서비스가 증가하면서 모놀리틱 블록체인의 한계가 드러나기 시작했다. 이더리움의 경우만 해도 트랜잭션 속도가 매우 느린데다 가스비는 100달러를 훌쩍 넘기 때문에 이는 블록체인 트릴레마로부터 자유롭지 못함을 보여주고 있다. 이에 업계에서는 실행, 보안, 데이터 가용성을 모두 담당하는 모놀리틱식 브록체인 대신 3가지 작업을 각각 다른 레이어에서 수행하는 모듈러 블록체인을 통해 기존의 한계를 해결하려는 움직임을 보이고 있다.
1. 모듈러 블록체인
1.1 이상적인 블록체인
이상적인 블록체인은 다음 세 가지 요소를 모두 충족해야 한다.
- 확장성 : 데이터 처리속도로 TPS (Transaction Per Second) 지표를 이용해서 성능 평가
- 탈중앙화 : 네트워크가 분산 노드 간 자율적으로 운영. 노드 수로 계산
- 보안성 : 데이터 조작 방지 및 무결성 보장 정도
* 블록체인 종류에 따른 TPS(Transaction Per Second)
비트코인(BTC) 약 7
이더리움(ETH) 약 10~20
리플(XRP) 약 1,000
이오스 약 4,000
비자 약 24,000
(출처 : xangle.io)
현존하는 모든 블록체인은 기술적인 한계로 인해 트릴레마의 세 가지 요소 중 두 가지 밖에 충족하지 못한다. 일례로 비트코인/이더리움은 노드 수가 많아 (네트워크 활성도가 높아) 보안과 탈중앙화 측면에서 뛰어나지만 그만큼 데이터 검증에 소요되는 시간이 많아 확장성이 미흡하다. 반면에, 솔라나/BSC는 초당 트랜잭션 처리 속도가 빠르나 중앙 집권화된 구조를 가지고 있다는 단점이 있다.
1.2 블록체인 트릴레마 해결
블록체인 트릴레마를 해결한다는 것은 다음 세가지 작업을 완벽히 수행한다는 것을 뜻한다.
- 트랜잭션 실행 : 블록체인 내 모든 트랜잭션을 실행하고 처리하는 작업.
- 보안 : 데이터의 보안을 유지하는 작업. 현재까지 충분한 수준의 보안을 구축한 블록체인은 비트코인과 이더리움이 대표적임.
- 데이터 가용성 : 누구나 블록체인에 기록된 데이터를 언제든지 확인할 수 있도록 트랜잭션을 영구적, 비가역적으로 기록하는 작업
1.3 모놀리틱 블록체인
모놀리틱 블록체인은 트랜잭션 실행, 보안, 그리고 데이터 가용성 작업을 하나의 레이어1에서 모두 처리하는 블록체인을 뜻한다 하지만 앞서 언급했듯이 하나의 레이어에서 블록체인 트릴레마 해결 조건 세가지 작업을 완벽히 수행하는 것은 실질적으로 불가능하다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 나온 대책이 모듈러 블록체인이다.
1.4 모듈러 블록체인
모듈러 블록체인은 트랜잭션 실행하는 레이어 따로 보안을 담당하는 레이어 따로 그리고 데이터 가용성을 담당하는 레이어를 따로 두는 방법이다. 이렇게 서로 다른 레이어를 두어 각기 다르게 처리하면 효율적인 블록체인을 이룰 수 있게 된다. 이더리움은 이러한 모듈러식 블록체인을 채택하여 기존 이더리움 메인넷의 확장성 문제를 해결하고 있다. 모듈식 블록체인 롤업을 통해 네트워크의 실행, 합의, 결제, 데이터 가용 등 다양한 기능을 수행할 수 있게되며 궁극적으로는 가스 비용을 저렴하게 하되 메인넷의 성능을 향상 시킬 수 있게됩니다.
2. 레이어2 솔루션
2.1 레이어2 솔루션
레이어2는 기존 이더리움 메인넷(레이어1)의 느린 데이터 처리속도를 해결하기 위해 둔 별도의 레이어를 말한다. 레이어1과 레이어2로 구분되어 있는 모듈형 블록체인 구조를 채택함으로써 TPS가 수천에서 수만까지 증가했다. 레이어1이 블록체인의 데이터 가용성을 맡고 레이어2는 트랜잭션 수행을 맡게 되어 확장성을 해결했다. 흔히 레이어2는 레이어1과 스마트컨트랙트 브릿지로 연결된 트랜잭션 수행 레이어라고 불린다.
2.2 이더리움 2.0 솔루션
이더리움의 창시자 비탈릭 부테린도 이더리움에 있어서, 레이어2 확장이 중요하다고 언급하고 있다. 레이어2 확장으로 전환은 수수료 절감을 위해 필요하다. 레이어2가 활성화 되지 않는다면, 트랜잭션당 3.75달러의 수수료가 계속 소비되기 때문에 이더리움이 성장하는데 장애가 될 것이라 예측하고 있는 것이다. 그래서 더욱 레이어2가 부각될 수 밖에 없다.
이더리움 2.0은 메인 체인 외에 별도의 레이어2를 둔 완벽한 모듈러 블록체인 모습을 띄고 있다. 이더리움 2.0은 다음의 레이어를 이루고 있다.
- 컨센서스 레이어 : 레이어1, 비콘 체인
- 샤드 레이어 : 데이터 가용성 레이어
- 롤업 체인 : 레이어2, 트랜잭션 실행 레이어
2.2.1 컨센서스 레이어
컨센서스 레이어는 이더리움의 근간을 이루는 레이어1 체인이자 보안과 탈중앙화를 담당하고 있다. 기존 PoW에서 지분증명(PoS)기반의 비콘체인과의 결합으로 검증자가 되기 위한 진입장벽을 낮춰 주고 보안성 뿐만 아니라 확장성 개선에 도움을 주고 있다.
2.2.2 샤드 레이어
샤드 레이어는 샤딩 즉, 조각내는 작업으로 데이터 가용성을 높이는 것을 담당하는 레이어이다. 이더리움 네트워크를 여러 개의 샤드로 쪼개어 트랜잭션 분할 처리 및 저장을 통해 확장성을 개선한다. 샤딩으로 네트워크에 참여하는 노드를 분산시킬 수 있었고 노드가 증가해도 확장성이 증가할 수 있도록 양의 상관관계를 가질 수 있게 되었다.
2.2.3 롤업 체인
롤업체인은 대표적인 레이어2이다. 유저들이 제출한 모든 트랜잭션을 실행하고 처리하는 작업에만 신경쓰며 그 밖에 보안과 데이터 가용성은 관여하지 않는다. 롤업은 별도의 체인에서 트랜잭션을 실행하고 그 결과값들을 하나의 배치로 묶은 뒤 해당 배치의 state root(트랜잭션이 성사 된 후의 merkle root)만을 레이어1에 저장하는 기술이다. 다양한 레이어2 솔루션 중에서 트랜잭션 실행 레이어로 롤업 체인이 선택된 이유는 무엇일까? 본격적으로 레이어2 솔루션을 비교해보겠다.
3. 다양한 레이어2 솔루션
3.1 스테이트 채널
스테이트 채널은 특정 트랜잭션에 사용되는 임시 오프체인 네트워크다로 사용자들이 2번의 온체인 트랜젝션으로 n번의 거래를 처리할 수 있게 해주는 레이어2 솔루션이다. 스테이트 채널을 사용하는 유저는 스테이트 채널을 열 때 거래하고자 하는 ETH를 채널에 전송하고 트랜젝션 수수료를 한 번 지불해야 한다. 채널을 연 이후에는 닫을 때까지 채널에 참가한 다른 사용자들과 n번의 거래를 할 수 있다. 거래가 끝난 이후에는 각자 프라이빗 키로 디지털 서명을 한 뒤 트랜젝션 수수료를 다시 한 번 내고 (총 2번) 채널을 닫으면 된다. 스테이트 채널은 장기간 지속되는 온체인 자금 거래에 있어 매우 효과적이지만, 채널에 참가하지 않은 대상과 거래를 할 수 없으며 단순 자금 거래 외 다른 목적으로 사용하고자 하면 막대한 양의 자금을 채널에 묶어놔야 한다는 단점이 있다.
3.2 사이드 체인
사이드체인은 이더리움 메인 체인에 연결된 독립적인 블록체인이다. 사이드체인의 2-way peg는 L1에서 사이드체인으로 자산을 보내는데, L1에 있는 코인을 동결시킨 뒤 같은 양의 코인을 사이드체인에서 사용할 수 있게 해준다. 다만 사이드체인은 별도의 컨센서스 알고리즘, 블록 생성 규칙, 그리고 검증자 노드를 보유하고 있어 보안이 취약할 수 있다. 같은 이유로 사이드체인을 L2 솔루션으로 취급하지 않는 사람들도 많다.
4. 다양한 레이어2 솔루션중에서도 왜 ZK 롤업이어야 하는가
앞서 언급했듯이 이더리움은 확장형 솔루션으로 레이어2 실행레이어로 롤업 체인을 선택했다고 했다. 왜 롤업이어야 하는가? 또 ZK 롤업이 가져온 희망은 무엇인가? 롤업은 레이어2에서 수많은 트랜젝션을 실행 혹은 처리하고 그 결과값들을 배치(batch)로 롤업하여(묶은 뒤) 레이어1에 저장하는 기술이다. 롤업은 가장 유망한 레이어2 솔루션으로, 여러 트랜잭션을 묶어 이더리움 메인 체인에서 단일 트랜잭션으로 처리할 수 있다. 비탈릭 부테린은 “이더리움 생태계는 중장기적 확장성 개선 전략 차원에서 롤업에 올인하게 될 것”이라고 언급한 바 있을 정도로 롤업은 향후 이더리움의 생태계에 핵심적인 역할을 하게 될 것으로 예상되며 그만큼 업계 내에서 주목받고 있는 레이어2 솔루션 중 하나이다.
4.1 암호화 증명방식
4.1.1 유효성 증명
데이터를 직접 보여주지 않고도 검증자에게 해당 정보가 이상 없음을 알려주는 방식이다. 유효성 증명은 유저들의 트랜젝션을 포함하고 있는 state가 업데이트될 때마다 해당 데이터가 이상 없음을 증명하는 수학적 증거를 제시한다. 특히 유효성 증명은 L2에 포함되는 모든 트랜젝션들이 정확하다는 것을 수학적으로 검증하기 때문에 데이터에 대한 신뢰도가 높다. ZKP는 다시 ZK-SNARK와 ZK-STARK으로 나뉘는데, 사기 증명 대비해서 기술적으로 매우 복잡하고 구현하기 어렵다는 단점이 있다.
4.1.2 사기 증명
사기 증명은 트랜젝션이 이상 없다는 것을 기본 전제로 하여 별도의 검증 절차를 거치지 않는다. 다만, state transition이 일어나기 전, 부정확한 트랜젝션에 대해 이의를 제기할 수 있는 DTD (dispute time delay) 유예 기간이 주어진다. 만약 해당 트랜젝션이 부정확하다는 것이 밝혀지면 L2는 기존 state로 롤백하고 해당 트랜젝션을 통과시킨 검증자를 처벌한다. 기술적으로 구현하기가 쉽다는 장점이 있으나, 유예 기간 동안에는 사용자들이 자신의 자금을 출금하지 못한다는 단점이 있다.
4.2 데이터 저장 방식
4.2.1 오프체인
calldata 및 state data를 블록체인 외부(오프체인)에 처리 및 기록하는 방식. 온체인 저장에 비해 확장성 측면에서 더 우수하다는 장점이 있으나, 보안성이 떨어지고 중앙화된 방식이라는 단점이 존재한다.
4.2.2 온체인
모든 트랜젝션의 calldata (스마트 컨트랙트 호출, 토큰 거래, 디지털 서명 데이터를 저장하고 있는 위치)를 포함한 state data가 블록체인(온체인)에 저장 및 기록되어 블록체인 상에서 데이터를 확인하고 검증할 수 있다. 롤업은 모두 온체인 저장방식이지만, 사용하는 암호화 증명 방식에 따라 Optimistic 롤업과 ZK롤업으로 나뉜다.
4.3 롤업 분류
4.3.1 Optimistic 롤업
Optimistic 롤업은 사기 증명 기반의 롤업을 뜻한다. 기본적으로 모든 트랜젝션이 이상 없다고 가정하기 때문에 레이어2 솔루션 관리자(operator)는 별도의 검증 절차 없이 merkle root에 유저들의 트랜젝션을 담아 state root를 업데이트한다.
Optimistic 롤업의 최대 장점은 구축하기가 비교적 쉽고 EVM호환이 가능하다는 점이다. 스마트 컨트랙트 호출과 같이 EVM에서 가능한 건 Optimisitc 롤업에서도 모두 가능하다.
옵티미스틱 롤업은 트랜잭션이 기본적으로 유효하다고 가정하지만 논쟁이 있는 경우 이의를 제기할 수 있다. 이 방식은 처리 시간을 빠르게 하지만 유효성 검사기에 대한 더 많은 신뢰가 필요하다.
4.3.2 ZK 롤업
ZK롤업이란 유효성 증명을 사용하는 롤업이다. ZK롤업 내 모든 배치는 *ZK-STARK와 *ZK-SNARK 기반의 ZKP를 포함하고 있어 트랜젝션에 대한 검증이 완료된 상태로 state root가 레이어1에 반영이 된다. 따라서 ZK롤업은 신뢰도가 매우 높은 편이며, Optimistic 롤업과 달리 자금 인출이 자유로운 편이다. 무엇보다 Optimistic 롤업과 달리 트랜젝션이 아무리 몰려도 가스비가 비싸지지 않는다.
ZK롤업은 거의 모든 면에서 Optimistic 롤업 대비 우수하나, 기술 자체가 너무 복잡하고 개념이 출시된 지 얼마 되지 않아 ZK롤업을 구축하기가 매우 어렵다는 단점이 있다. 또한, 여태까지 출시된 ZK롤업은 모두 EVM 호환이 되지 않아 사용성이 제한적이었지만, 최근에 Starkware, Matter Labs, 그리고 Polygon이 EVM호환이 가능한 ZK롤업 개발에 성공했다는 소식이 들리면서 업계를 떠들썩거리게 했다.
4.3.3 ZK 롤업 — ZK Stark이 살아남은 이유
ZK Snark는 개발자 라이브러리, 코드, 프로젝트, 개발자 수 등 리소스가 ZK Stark에 비해 훨씬 더 많다. 검증 크기가 비교적 작아 스토리지 비용이 낮다는 장점도 있다. 하지만 검증 복잡성이 증가할수록 높은 연산 처리능력이 필요하며 검증시간이 길어진다는 한계가 있다. 반면, ZK Stark의 경우 ZK Snark에 비해 높은 확장성을 갖고 있어 검증 복잡성이 증가해도 연산처리능력의 변동이 미미하다는 점과 증명 시간은 2.3초에서 1.6초로 검증 시간은 0.01초에서 0.016초로 줄일 수 있다는 장점이 있다.
4.3.4 Optimistic 롤업과 ZK 롤업 비교
Optimistic롤업 대신 ZK 롤업이 선택된 이유도 알아보자. 보다시피 ZK 롤업의 경우 다음과 같은 성질에 우수하다.
- 자금 인출 속도 : 매우 빠름
- Tx당 온체인 거래 수수료 : 비교적 낮음
- 기타 공격(프로토콜 조작) : 낮음
- 거래 속도 : 매우 빠름
- 스마트 컨트랙트 사용성 : 유연함
- L2 자체 보안 강화 기능 : 강함
5. 레이어2 솔루션이 이더리움 경제에 미치는 영향
5.1 레이어2 활성도와 이더리움 트랜잭션 활성도는 반비례할 것이라는 주장이 제기됨
레이어2 솔루션은 이더리움의 확장성을 개선하고자 탄생한 혁신적인 기술이다. ZK 롤업의 경우 새로운 기술이 도입되고 EVM 호환이 가능해지면서 가장 유망하고 기술적 완성도가 높은 솔루션임을 인정받았다. 하지만 확장성 이슈를 해결하여 이더리움을 성장시킬 핵심 열쇠가 아닐 수 있다는 우려의 목소리가 높아지고 있다.
역설적으로 이더리움 경제를 축소시킬 수 있으며 레이어2 메인넷 수수료를 자체 토큰으로 지불하게 만들 경우 사용자들은 ETH를 보유할 필요성이 줄어들게 되기 때문이다. 따라서 L2의 성장은 이더리움 블록체인의 성능 향상과 별개로 단기적으로는 네트워크 운용에 악영향을 끼칠 수 있을 것으로 보인다.
이더리움 경제 규모의 성장은 ETH 경제 규모를 나타내는 중요한 지표인 활성 지갑 수 및 트랜잭션 수와 상관관계를 나타내고 있기에 가치 평가의 유의미한 변동이 있어 보인다.
5.2 레이어2 토큰이 출시되면 메인넷 경제 축소 현상은 더욱 심화될 것
레이어2 토큰들이 출시되어 트랜잭션 수수료로 사용된다면 이더리움의 매출(가스비) 뿐만 아니라 활성 지갑 수도 현저히 낮아질 것이다. 레이어2 메인넷 수수료를 자체 토큰으로 지불하게 만들 경우 end-user들은 궁극적으로는 이더리움 네트워크 이용함에도 ETH를 보유할 필요가 아예 없어진다. 모두가 기다리고 있는 레이어2 토큰이 출시하게 되면 자연스레 해당 레이어2 로 자본 쏠림 현상이 일어날 것이다. 결론적으로, 레이어2 활성화와 함께 이더리움이 B2C → B2B (이더리움-사용자 → 이더리움-레이어2-사용자) 모델로 전환하게 되면서 최소한 단기적으로는 메인넷 트랜잭션 활성도에 위협을 받을 수 있을 것으로 보인다.
5.3 걱정하지마라 모든 경제 활동이 레이어2에서 일어나지 않는다
우려의 목소리가 있긴하나 매출이 블록체인의 가치를 판단하는 유일한 요소는 아니라는 것을 명심하자. 이더리움은 NFT시장에서도 이미 지배적인 지위를 차지하고 있으며, 이더리움이 아닌 타 메인넷에서 발행된 NFT는 디스카운트를 받거나 외면받고 있는 상황이다. 레이어2 NFT도 마찬가지로 이더리움 메인넷 NFT과 확실히 구별될 가능성이 높기 때문에 향후에도 수많은 NFT 프로젝트들이 레거시 때문에 이더리움 레이어1에서 NFT를 발행하지 않을까 싶다.
마무리하며
아직까지는 이더리움만큼 확실한 네트워크 효과를 구축한 블록체인은 없기 때문에 레이어2 활성화가 ETH 가격에 악영향을 끼칠 것이라고 단정 짓기에는 아직 이르다고 판단된다. 물론 레이어2는 이더리움의 확장성을 비약적으로 증가시켜 주지만, 반대로 구조적으로 활성 지갑 수나 트랜잭션 수와 같은 활성도 지표를 끌어내리기 때문에 L1토큰 가치를 훼손할 수 있다는 리스크가 존재한다는 것은 확실하다. 따라서 유망한 ZK롤업 출시 이후에도 각종 레이어2 솔루션의 추이를 꾸준히 지켜볼 필요가 있다고 판단된다.
