Celestia 에서 풀고자 하는 문제와 가치평가

(이 글은 2023년 12월 말에 초안이 작성되었고, 데이터는 1월 26일 업데이트 되었습니다.)

최근 Ethereum Layer-2 바람과 함께 Celestia 인기가 높습니다. 이에 공부한 것을 글로 남긴 것이지 투자 조언이 아닙니다.

매우 어려운 내용이었으나 “디사이퍼의 Celestia 분석글”이 특히 도움이 되었고 가격분석은 “The impact of Celestia’s modular DA layer on Ethereum L2s: a first look” 글에서 큰 도움이 되었습니다. 감사 인사를 드립니다.

서문

최근 블록체인 개발팀을 만나보면 Ehtereum Layer-2 로 개발하는 팀이 국내/국외 모두에서 아주 많습니다. 아무래도 Optimism/Arbitrum 의 성공으로 Layer-2 형태를 선호하는 모습이 뚜렷합니다. 이더리움 호환성(Ethereum Compatibility) 측면에서 우수하고 밸리데이터 구성을 하지 않아도 되는 점에서 큰 매력이 있는 것이 사실입니다.

Ethereum Layer-2 라면 항상 갖게되는 Data Availability 문제를 해결해 준다는 Celestia 의 인기는 당연해 보입니다. 이 글에서는 Celestia 에서 강조하고 있는 모듈러 블록체인과 Data Availability 를 설명하고 Ethereum Layer-2 의 구조에 대해 정리해 보겠습니다.

Layer-2 프로젝트가 받는 공통된 질문 “Data Availability Problem”

2023 이스탄불 블록체인 위크에 다녀온 동료가 이야기해 준 것입니다.

정말 많은 곳에서 Layer-2 형태로 준비하고 있었고, 모두 똑같이 받는 질문이(공격으로 봐도 무방하다) “Data Availability Problem” 이었다고 한다. 그리고 Layer-2 프로젝트들의 답변은 “Celestia” 였다고 한다. 아하! 최근 Celestia 가격 급등의 이유가 해결 되었으나 “Data Availability”가 무엇이고 Celestia 는 이를 어떻게 해결했는지 의문이 남는다. 하나씩 살펴보자.

Data Availability

데이터 가용성으로 불리며, 네트워크 모든 참여자가 블록체인 데이터에 접근할 수 있어야 하고 투명하게 검증 할 수 있어야 함을 의미한다. Bitcoin/Ethereum 만 공부하던 우리게는 너무나 상식적인 내용이고 블록체인의 근본 중의 근본인 요구사항이라 우리는 한 번도 의심해 본 적 없었지만, 이것을 구현하는데는 많은 어려움이 있고 큰 비용을 지불해야 한다.

Data Availability — Arbitrum/Optimism

Arbitrum과 Optimism은 모든 Tx(Transantion) 데이터를 Ethereum 에 기록합니다. 신뢰 할 수 있는 Network 에 기록되는 점은 좋지만 저장에 필요한 비용이 상당히 높다.

2024년 1월 기준 (이더리움 가격을 $2,300로 가정)

• Arbitrum : 4.1k ETH (약 $9,430,000)
• Optimism : 1.82k ETH (약 $4,186,000)
• Layer-2 전체 : 10.02k ETH (약 $23,046,000)

https://www.theblock.co/data/scaling-solutions/scaling-overview/ethereum-layer-2-l1-data-fees

Data Availability — Polygon PoS/Omisego

Polygon PoS/Omisego 는 모든 Tx 를 Ethereum 에 올리지 않고 Off chain 에 저장한다. 그리고 위변조 방지를 위해 블록 헤더를 머클 트리로 요약하여 이더리움에 기록하고 있다. 물론, 머클트리로 요약된 Hash 값이 이더리움에 기록되어 있지만, 이를 검증하기 위한 데이터는 Off chain 에서 제공하지 않으면 어렵게 된다. 탈중앙화를 약간 낮추고 비용과 속도를 취했다고 볼 수 있다.

이처럼 Data Availability 문제만 보더라도 블록체인의 트릴레마(Trilemma) 문제가 복잡한 것을 알 수 있다.

하지만 모든 Tx 가 최고 수준의 Data Availability 를 필요로 한 것은 아니고 Tx 의 종류에 따라 신뢰를 중요시 할 것인지 속도와 비용을 중요시 할 것인지 다를 것이다. 이러한 다양한 모델에 적합한 블록체인 구성을 위해 Celestia 에서는 모듈러 블록체인(Modular Blockchain)을 강조하고 있다.

모듈러 블록체인 (Modular blockchain)

블록체인은 분산원장 기술 중 하나다. 원장이라 하면 정보의 기록인데 기록뿐 아니라 블록체인에서는 다양한 작업을 수행하고 있다.

• 연산(Execution)도 해야 하고
  Execution : 트랜잭션 실행을 지원하고 스마트 컨트랙트의 배포 및 상호 작용을 가능하게 합니다.
• 데이터도 제공해야 하고 (Data Availability)
  Data Availability : 네트워크 모든 참여자가 블록체인 데이터에 접근할 수 있어야 합니다.
• 정산(Settlement)도 하며
  Settlement : 거래 마무리, 분쟁 해결, 증명 검증, 다양한 실행 레이어 간의 연결을 위한 레이어를 제공합니다.
• 이 모든 것을 신뢰 있는 방법으로 수행해야 한다. (Consensus)
  Consensus : 트랜잭션의을 검증하고, 블록에 포함되는 대상을 선별과 순서를 결정한다.
  대상 선별과 순서는 MEV 의 핵심이므로 중요한 작업이다.

비트코인과 이더리움은 모든 기능을 한곳에서 수행하지만 모듈러 블록체인은 기능별로 나눠서 수행할 수 있다.

“모듈러 블록체인”을 처음 듣는다면 당연한 것이다. Celestia 를 비롯하여 적극 어필하고 있는 용어일 뿐이고 표준이거나 하지 않는다. 하지만 설명하거나 의미 전달 할 때 “모듈러 블록체인” 용어만큼 적절한 것이 없는 것도 사실이다. (마치, Web3 가 웹의 표준이 아니지만 적절히 사용 되는 것과 같다)

모듈러 블록체인의 장점

확장성

• 블록체인의 성격에 따라 또는 트랜잭션의 특징에 따라 모두 동일한 보안 레벨을 유지할 필요가 없습니다.
• 예를 들어 Execution 에 초첨을 맞춘 블록체인은 Consensus 와 Data Availability 를 이더리움에 의존하여 지나치게 높은 수수료를 납부하지 않아도 될 것입니다.

신규 블록체인의 쉬운 온보딩

• 개발팀은 Execution 레이어에 집중하고 나머지는 모듈러 블록체인의 도움을 받을 수 있습니다.

유연성

• 모듈러 블록체인은 설계 및 구현에 더 큰 유연성을 제공 합니다.

모듈러 블록체인의 단점

보안

• 보안 품질에 대해 결정권이 없습니다. Consensus 와 Data Availability 를 다른 곳에 의존 했는데 문제가 생길 수 있습니다.

복잡성

• 유효성을 강화할 수 있도록 하는 사기 증명 및 유효성 증명과 같은 특정 복잡한 메커니즘이 필요 할 수 있습니다.

다른 모듈의 결정권이 없음

• 모듈간 독립성이 높다 보니 Data Availability 에 소요되는 가스 비용 등의 결정을 할 수 없습니다.

모노리식 블록체인의 장점

보안

• 보안을 주도적으로 해결해 나갈 수 있습니다.

단순성

• 이미 좋은 샘플 프로젝트들이 많고 최적화되어 있어 구현이 더 쉽습니다. 효율적인 모듈러 블록체인을 구성하는 것은 높은 수준의 설계 프로세스와 고려사항이 필요합니다.

모노리식 블록체인 단점

리소스 제한

• 스토리지, 대역폭 증 리소스에 대한 제한으로 인한 효율성 저하

유연성

• 유연성이 매우 낮아 하드포크가 필요할 수 있다.

보안

• PoS 블록체인의 경우 가격 하락으로 인한 공격 비용 감소가 문제가 될 수 있습니다.
• 또한 밸리데이터를 모집 및 운영에 어려움도 있습니다.

모듈러 블록체인 — Celestium

https://blog.celestia.org/celestiums/

Celestium은 Ethereum Layer-2 블록체인이지만 Data Availability 를 Celestia 에 기록하는 블록체인들을 뜻한다.

Arbitrum/Optimism 은 DA(Data Availability)를 Ethereum 에 저장하면서 높은 수수료를 지불하게 된다. 실제로 트랜잭션이 몰리면서 Ethereum 보다 높은 수수료를 지출하는 경우도 있었다.

Celestium 은 DA 와 Consensus를 Celestia 에 맡기면서 이러한 높은 수수료 문제를 피할 수 있다. (하지만 그만큼 신뢰의 크기는 줄어든다)

이더리움 레이어-2 종류에 따른 분류

중간 요약

• 이더리움을 포함한 많은 블록체인의 구성은 Data Availability / Consensus / Settlement / Execution 으로 나눌 수 있다.
• Ethereum Layer-2 블록체인들은 이 중에서 Execution 영역을 분리함으로써 신뢰를 약간 낮추고 이득(수수료/확장성/속도)를 챙긴다.
• Celestia 는 Data Availability와 Consensus 를 제공함으로써 이들에게 더 많은 선택지를 줄 수 있다.

Celestia 의 가치평가 기준

암호화폐의 가치평가에는 여러 가지 기준이 적용되지만 Celestia는 가장 큰 특징인 DA에 초점을 맞춰서 살펴보는 것이 합리적으로 보인다. Celestia 의 DA 를 이용하여 블록체인을 구성하면 Celestia 에 Gas Fee 를 TIA(Celestia 네이티프 토큰) 로 지불해야 한다. DA 사용이 많아지면 그만큼 TIA 의 수요도 많아지는 것으로 볼 수 있다. (Celestia 자체로는 직접적인 DeFi 서비스를 제공하지 않는다. 그래서 TIA 의 용도가 제한적이다)

이더리움 레이어-2 블록체인에 인기가 있고 얼마나 많은 블록체인에서 Celestia 를 채택하는지는 중요한 기준이 된다. 채택 후 DA를 위한 TIA 를 얼마나 많이 사용하는지가 중요하다 하겠다.

중요한 기준

• Celestia 를 채택하는 프로젝트들
• DA 사용량에 따른 TIA 소비량

트랜잭션 비용 구조 — Layer-2 의 RollUp Tx

참고 문서 : https://forum.celestia.org/t/ethereum-rollup-call-data-pricing-analysis/141

고정 비용

• Proof costs : zk 롤업의 경우 발생
• State 쓰기 비용 : 20,000 gas
• 이더리움 기본 Tx 비용 : 21,000 gas

가변 비용

• L2 데이터를 callData 에 담아서 저장하는 비용 : 트랜잭션들의 데이터 바이트 x 16 gas
• L2 가스 요금

https://forum.celestia.org/t/ethereum-rollup-call-data-pricing-analysis/141

결국 Layer-2 의 rollup 트랜잭션 비용은 대부분 RollUp 되는 내용이 많을 수록 비싸진다. L2 트랜잭션이 급증하면 따라서 높아지게 된다.

데이터 크기(바이트)에 따라 비용이 증가하는 것은 Celestia 에서도 같은 원리지만 L2 에서는 아래의 이유로 그 비용이 훨씬 크다.

• L1 의 블록 공간에서 다른 Tx 들과 경쟁해야 한다.
• Byte 당 가스 비용이 16 gas 로 고정되어 있다.
• Byte 당 가스 비용을 L2 에서 조정 할 수 없다.

참조 : EIP-4488 에 따라 바이트당 16 gas 비용을 3 gas 로 낮추는 논의가 있다. (단, 블록 크기를 1.4MB 로 제한)

이로 인해 상황에 따라 AWS 에 데이터를 저장하는 것에 비해 약 천만 배 비쌀 수 있는 금액이다.

• 단순 저장으로는 AWS 보다 10억 배 비싸다.
• 저장된 데이터를 10년간 유지 한다면 유지비용 때문에 1천만 배 비싸다. (하지만, 이더리움은 AWS 저장과 다르게 영구 보관 된다)

https://forum.celestia.org/t/ethereum-rollup-call-data-pricing-analysis/141

트랜잭션 비용 구조 — Celestia

고정 비용

• PayForBlob Tx 비용 : 65,000 gas

가변 비용

• 저장되는 데이터의 바이트에 따른 Share 의 개수에 따라 결정된다.

저장되는 데이터의 크기(바이트)에 따라 비용이 결정되는 것은 Layer-2 의 Rollup 과 같다. 하지만 Layer-2 에서는 바이트당 가스비용을 조정 할 수 없는 반면, Celestia 에서는 거버넌스를 통해 충분히 낮은 비용으로 조정 할 수 있다.

이렇게 적은 비용으로 큰 용량의 데이터를 저장 할 수 있는 것에는 Celestia 의 Light Node 에서 가지고 있는 Data Availability Sampling 기술이 가지고 있는 효율성도 영향을 끼친다.

callData 비용 비교 : Layer-2 vs. Celestia

이부분은 다음 글을 참조 하였습니다. — https://medium.com/@numia.data/the-impact-of-celestias-modular-da-layer-on-ethereum-l2s-a-first-look-8321bd41ff25

지난 6개월 동안의 지출을 Layer-2와 Celestia 로 비교하였다.

https://medium.com/@numia.data/the-impact-of-celestias-modular-da-layer-on-ethereum-l2s-a-first-look-8321bd41ff25

위 표는 아래 사항을 가정한다.

• TIA 가격 : $12
• Gas 가격 : 0.002 utia (0.000000002 TIA)

따라서 혼잡이 발생할 경우 TIA 가격과 Gas 가격이 상승하여 비용이 증가할 것이다.

DA 사용량에 따른 TIA 소비량

블록체인의 특징은 누구나 모든 데이터를 쉽게 접근하고 검증 할 수 있다는 것이다. DA 사용량에 따른 TIA 소비량은 당연히 Celestia 블록체인에 기록되어 있을 것이고 All That Node 에서 제공하는 Celestia 노드를 이용하여 모든 블록을 열어서 조사해 보았다.

데이터 요약

2024.01.26일. TIA $15.64 기준

• 1일 최대 소비된 TIA : 19.26 TIA
• 88일 평균 : 3.02 TIA ($47)
• 88일 총합 : 266.35 TIA ($4,168)

아쉽게도 현재 사용량이 없는 것이 맞다. 아직 메인넷 나온 지 얼마 되지 않아 어쩔 수 없는 부분이 있다. 폭발적인 사용량이 보였다면 지금의 가격 움직임의 설명이 되는데 아쉬운 부분이다.

그렇다면, Celestia 를 채택한 프로젝트들을 살펴보자

Celestia 도입을 검토 중인 프로젝트들

현재까지 알려진 프로젝트는 아래와 같다.

• Celo
• Orbit
• Polygon Chain Development Kit
• Movement Labs
• Saga
• Manta Network
• Eclipse Foundation
• Dymension
• Hyperlane

Celestia 를 적용 했거나 검토 중인 프로젝트 목록이다. 아무래도 DA 문제를 이렇게 해결하는 프로젝트는 현재까지 Celestia 가 유일하기에 인기가 있는 모습이다.(Celestia 이외에 Polygon avail 이 있지만 아직 Mainnet 서비스는 하지 않아. 현재로서는 Celestia 가 유일하다.)

Celestia 의 경쟁 프로젝트 — Avail

2020년 말에 Polygon Avail 프로젝트로 시작 하였고, 2021년 중반에 공개 되었습니다. 그 후 Polygon Labs 에서 분리되어 Avail 별도 법인으로 분리 되었습니다.

2022년 Testnet 이 시작 되었고 2024년 1Q 메인넷 런칭을 목표로 하고 있습니다.

Celestia 의 경쟁 프로젝트 — Ethereum, Dank Sharding

이더리운의 당크샤딩은 Celestia 의 직접적인 경쟁 프로젝트는 아니지만, 문제의 본질은 비슷하기에 비교 된다.

당크샤딩은 이더리움에 샤딩 체계를 만들고 Blob Transaction 을 도입하여 L2 에서 부담해야 하는 가스비용을 월등히 낮출 수 있게 된다. L2 에서 부담하는 가스비용 절감이 Celestia 의 큰 장점 중 하나이기 때문에 영향이 받게 된다.

하지만, 아직 구체적인 적용 시점은 정해지지 않았다.

Dank Sharding 업그레이드 이전에 해결해야 하는 숙제들

• Proto Dank Sharding : 2024 1Q on Testnet (예상)
• SSF(Single Slot Finality)

Celestia 는 어떻게 저렴한 저장 비용을 유지할 수 있는가? 사용량이 많아져도 저렴한 비용을 유지 할 수 있는가?

위 자료의 Celestia 이 Gas Price 는 “0.002 utia (0.000000002 TIA)” 로 가정되었다. 블록의 Tx 경쟁이 심해지면 가격이 오를 것이다. (지금은 비어 있으므로 최저 Gas fee 지불이 가능 한 것) 결국, 블록 내의 Tx 경쟁까지 고려한다면, 블록에 많은 Tx 를 담을 수 있고 경쟁이 없어지면서 Gas fee 또한 낮아지게 된다.

낮은 가스비 유지를 위한 해결책

• Solana, SEI 의 해결 방법 : 블록 생성 주기를 빠르게 하여 많은 Tx 를 담을 수 있도록 구현 했다. 상단한 기술이 요구되는 부분이며 실제로 엄청난 Tx 를 처리하고 있지만 낮은 Gas Fee 를 유지하고 있다. 결국 빠른 스피드로 많은 블록을 생성하여 블록의 영역을 넓혀 경쟁을 없앴다.
• Celestia 의 해결 방법 : Celestia 는 스피드가 아니고 블록의 크기를 늘렸다. 블록이 크면 많은 Tx 를 담을 수 있고 경쟁은 낮아진다. 현재 블록사이즈는 1MB 이고, 합의를 통해 8MB 까지 늘릴 수 있다. Celestia 팀에서는 궁극적으로 1GB 까지 늘릴 수 있다고 한다. (현실적으로 1GB 블록을 생성하는 것은 현재 기술로 불가능하지만, 블록의 사이즈를 늘려도 네트워크가 안정적일수 있는 기술을 갖고 있다는 표현으로 보인다.)

마무리

당신이 새로운 블록체인을 준비한다면 아래 질문에 맞닥뜨리게 된다.

• 이더리움 호환성이 중요한가? → Layer-2 가 최선이다.
• 훌륭한 검증인(Validator)을 자체적으로 모집하고 운영 할 수 있는가? → 없다면 Layer-2 를 고려해 보자
• 검증된 SDK 가 준비되어 있어서 개발이 용이한가? → Tendermint SDK 를 이용하자
• Data Availability 문제로부터 자유로운가? → Celestia 를 이용하자
• 지금 바로 사용 가능한가? → Celestia 이외에 Mainnet 런칭된 것이 없다.

Celestia 는 위 5가지 질문의 해법이 될 수 있다. 정말 지금 트랜드에 딱 맞는 프로젝트라 할 수 있다.

다만, 지금 까지는 실제 사용 사례가 없고, 미래 기대 가치만 있는 것이 아쉽다. 또한 신뢰의 크기가 낮아지는 점과 이더리움의 당크샤딩이 예정되어 있는 것도 Celestia 활용에 큰 변수로 작용할 것이다.

추신 : Celestia 다음 메타는 무엇일까?

모듈러 블록체인에는 4가지 Layer 가 있다고 했다.

• Execution Layer : Arbitrum/Optimism 에서 Gas fee 절감을 이뤄 냈다.
• Data Availability : Celestia 가 해결책을 제시하고 있다.
• Settlement : 저의 짧은 지식으로는 문제가 안보인다.
• Consensus : 문제가 많다. MEV 등 많은 이권도 담겨 있는 부분이지만 뾰족한 해결책이 없다.

신규 Layer-2 프로젝트를 만나면 Data Availability Problem 에 이어서 Consensus Problem 에 대해 물어보자. 좋은 질문이 될 것이다.