IOBC Capital: 왜 옵티미스틱 롤업의 보안성이 제로지식(Zero-Knowledge, ZK)보다 낮은가?
비탈릭은 2021년에 다음과 같이 말했습니다:
일반적으로 제 생각에는 단기적으로는 Optimistic Rollup이 일반적인 EVM 계산 분야에서 우세할 가능성이 높고, ZK Rollup은 간단한 결제, 거래 및 기타 애플리케이션 특화 사용 사례에서 승리할 가능성이 있지만, 중장기적으로는 ZK-SNARK 기술의 발전과 함께 모든 사용 사례에서 ZK Rollup이 결국 우위를 점할 것이라고 봅니다. (총괄적으로 저의 견해는 단기적으로 Optimistic Rollup이 범용 EVM 컴퓨팅 분야에서 승리할 가능성이 높으며, ZK Rollup은 간단한 지불, 교환 및 기타 특정 목적의 애플리케이션 시나리오에서 승리할 가능성이 있다는 것입니다. 그러나 장기적으로 ZK-SNARK 기술이 향상됨에 따라 ZK Rollup이 모든 분야에서 최종적으로 승리하게 될 것입니다.)
현재 가장 주목받는 ZK Rollup 프로젝트들은 아직 토큰을 발행하지 않았습니다. 예를 들어 zkSync, StarkEX, StarkNet, Aztec 등입니다. 반면 Optimistic Rollup의 양대 산맥 중 하나인 Optimism의 토큰은 이미 주요 거래소에서 유통되고 있으며, 최근 금리 인상 종료, ETH2.0 도입 임박, OP 에어드랍 물량 소화 완료 등의 영향으로 OP 가격도 좋은 흐름을 보이고 있습니다. 이러한 강력한 가격 흐름 앞에서 많은 사람들은 자연스럽게 "OP가 도대체 ZK에 비해 무엇이 부족하냐?"는 질문을 하게 됩니다.
먼저 Optimistic Rollup과 ZK Rollup의 몇 가지 핵심 차이점을 정리하겠습니다:
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첫째, 보안성 면에서 ZK Rollup이 Optimistic Rollup보다 우수합니다. ZK Rollup은 L1에 제출하는 새로운 상태와 함께 증명(Proofs)을 제공하여 L1의 보안성을 그대로 계승합니다. 반면 Optimistic Rollup은 L1에 새로운 상태를 제출할 때 별도의 증명을 첨부하지 않기 때문에 TVL이 일정 수준 이상으로 증가하면 마이너들이 뇌물에 유혹되어 오류 발생 후 제출되는 사기 증명(Fraud Proof)을 블록에 포함시키지 않을 위험이 있으며, 이로 인해 자산 도난 위험이 발생할 수 있습니다.
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둘째, 확장성 측면에서도 ZK Rollup이 Optimistic Rollup보다 뛰어납니다. Optimistic Rollup의 실제 처리량 상한은 약 500TPS인 반면, ZK Rollup은 2000TPS를 넘어서며, StarkEx는 최대 9000TPS까지 도달할 수 있습니다.
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셋째, 검증 가능성 및 최종성 측면에서도 ZK Rollup이 더 낫습니다. ZK Rollup의 최종 결정 시간은 매우 짧아서 예를 들어 zkSync는 약 10분 정도입니다. 반면 Optimistic Rollup은 최소 1주일의 확인 기간을 필요로 하므로 두 방식 사이에는 자본 효율성에서 큰 차이가 발생합니다.
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넷째, EVM 호환성에서는 Optimistic Rollup이 ZK Rollup보다 우세합니다. Optimistic Rollup은 EVM과 호환되기 때문에 기존 이더리움 L1 상의 다양한 DApp들을 빠르고 쉽게 가져올 수 있어 현재 TVL 순위에서 Optimistic Rollup 기반 L2 프로젝트들이 상위권을 차지하고 있습니다. 다만 zkVM 기술 개발이 진행됨에 따라 이 점 역시 점차 무색해질 전망입니다.
Optimistic Rollup이 왜 ZK보다 보안성이 낮고 자본 효율성이 떨어지는지를 이해하기 위해서는 Optimistic Rollup의 작동 원리를 알아야 합니다. 다음은 Arbitrum Rollup을 예로 설명하겠습니다:
Arbitrum Rollup은 Optimistic Rollup의 한 형태입니다. 그 기본 아키텍처는 아래 그림과 같습니다:
Arbitrum은 이더리움의 Layer2 프로토콜로서, EthBridge는 Arbitrum 체인 내에서 발생하는 모든 사건의 최종 권위자이며, 체인의 Inbox/Outbox도 관리해야 합니다. Arbitrum의 실행 환경은 AVM인데, AVM은 EVM을 설계 기반으로 하여 많은 부분에서 변화 없이 유지되고 있으므로 EVM 기반으로 작성되거나 컴파일된 프로그램을 지원합니다. Offchain Labs가 Arbitrum을 위해 개발한 운영체제는 ArbOS이며, ArbOS는 스마트 계약에 EVM과 호환되는 실행 환경을 제공하므로 EVM과 호환되는 DApp을 실행할 수 있고, 결과적으로 이더리움 메인넷의 다양한 DApp을 바로 이식할 수 있게 됩니다.
Arbitrum에서는 Arbitrum Rollup 체인에서 발생하는 모든 트랜잭션이 롤업 체인 자체에 기록됩니다. Arbitrum에서 트랜잭션을 실행하려면 ETH 가스 요금이 필요하지만, L1보다 훨씬 저렴합니다. 이더리움 메인체인에 제출되는 것은 원시 트랜잭션 데이터이며, 계약의 연산 처리와 저장은 Arbitrum Rollup 체인에서 이루어집니다. L2의 비용 절감과 처리량 향상을 위해서는 트랜잭션 압축을 통해 이더리움 메인넷에 게시해야 할 내용을 최소화하는 것이 중요합니다. Calldata를 포함하지 않는 단순 송금 거래의 경우 벤치마크 결과에 따르면 Arbitrum은 초당 최대 4500건의 송금 거래를 처리할 수 있습니다.
어떻게 합의를 이루는가?
Arbitrum Rollup은 Optimistic Rollup으로, 먼저 모든 참여자가 정직하다고 가정합니다. 따라서 새로운 상태를 주장할 때 그 유효성을 증명하는 정보를 제출하지 않습니다. 대신 사기 증명(Fraud Proof) 메커니즘을 통해 L2 네트워크의 올바른 합의를 보장합니다.
Arbitrum의 사기 증명(Fraud Proofs): 주장(Assertion)이 체인에 게시되면 해당 주장의 검증자는 보증금을 맡기고, 일정 기간 동안 누구든지 그 주장이 잘못됐다고 판단되면 자신도 보증금을 맡기고 이의를 제기할 수 있습니다. 도전 기간 동안 주장자와 도전자 간에 상호작용 프로토콜이 진행되며, L1 스마트 계약이 이 프로토콜의 심판 역할을 수행합니다. 최종적으로 어느 한쪽이 거짓 주장을 했다고 판정되면 그 측의 보증금이 몰수됩니다.
그렇다면 Arbitrum은 도전 기간 중 발생하는 분쟁을 어떻게 해결하는가?
핵심은 상호작용 증명(Interactive Proving)입니다. 이는 분쟁을 세밀하게 분석하여 핵심 쟁점까지 좁혀내고, L1의 심판(L1 Referee)이 이를 판단하도록 하는 방식입니다.
예를 들어 설명하겠습니다: Alice가 "93이 정답"이라는 주장을 제출했고, Bob이 이에 동의하지 않아 "95가 정답"이라며 도전한다고 가정합시다. 만약 Alice의 주장이 N개의 실행 단계를 포함한다면, 그녀는 초기 N단계 주장을 구성하는 두 개의 N/2 크기 주장을 발표하며, Bob은 이 중 하나를 선택해 도전합니다. 이렇게 함으로써 논쟁의 범위가 절반으로 줄어듭니다. 이 과정을 반복하면서 각 단계마다 논쟁 규모를 절반씩 줄이다 보면 결국 하나의 실행 단계에서 의견이 충돌하게 됩니다. 이때 L1 심판은 해당 명령어의 실제 실행 결과와 Alice의 주장이 맞는지를 검토하여 분쟁을 해결합니다.
Arbitrum의 상호작용 증명 방식과 이더리움 L1의 트랜잭션 재실행(Re-executing Transaction) 방식의 차이는 다음과 같습니다: 재실행은 전체 트랜잭션을 시뮬레이션해야 하지만, 상호작용 증명은 Alice와 Bob이 스스로 논쟁을 하나의 단계까지 좁히기 때문에 L1 심판은 단 한 번의 명령어 실행만 시뮬레이션하면 됩니다. Arbitrum과 Optimism의 차이점 또한 여기서 드러납니다. Optimism은 문제가 있는 트랜잭션 전체를 EVM에서 다시 실행합니다.
따라서 Optimistic Rollup이 ZK보다 보안성이 낮고 자본 효율성이 떨어지는 핵심 이유는 증명 메커니즘의 차이 때문입니다.
확장성이라는 본래의 목적에 돌아와 보면, 이더리움 L1 성능 대비 Optimistic Rollup은 사실상 확장성의 주요 목표를 이미 달성했으며, EVM 호환성이라는 장점 덕분에 잘 발전해 왔습니다. L2 프로젝트들의 TVL 순위에서 Optimistic Rollup의 양대 산맥인 Arbitrum과 Optimism은 각각 24.8억 달러, 10.4억 달러의 TVL로 1, 2위를 차지하고 있습니다. Arbitrum 생태계에는 21개 카테고리의 249개 애플리케이션 프로토콜이 입주해 있으며, Optimism 생태계에도 179개의 프로젝트가 존재합니다.
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