이더리움의 업그레이드 과정을 한눈에 이해하기
글: 버섯
이더리움은 세계 컴퓨터를 지향하고 있으며, 이 목표를 달성하기 위해 개발자들은 초기부터 프론티어(Frontier), 홈스테드(Homestead), 메트로폴리스(Metropolis), 세레니티(Serenity)의 네 단계로 구성된 업그레이드 경로를 계획했다.
현재 네트워크는 이미 세 번째 단계까지 진입했으며, 앞의 세 단계는 모두 이더리움 1.0에 속한다. 마지막 단계인 세레니티가 우리가 흔히 들어왔던 이더리움 2.0이다(혼동을 피하기 위해 이더리움 공식에서는 '이더리움 2.0'이라는 표현을 더 이상 사용하지 않지만, 본문에서는 관례상 이 용어를 계속 사용하겠다).
이더리움 2.0 업그레드는 이더리움 발전 과정에서 발생한 네트워크 전반의 성장을 제약하는 몇 가지 문제들을 해결하기 위한 것이다. 주요 문제는 다음과 같은 세 가지다:
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첫째, 채굴로 인한 높은 에너지 소비. PoW(작업증명, Proof of Work) 합의 메커니즘을採용함에 따라, 이더리움은 노드들이 컴퓨팅 파워를 제공하여 채굴을 수행해야 하며, 다양한 채굴 장비의 연산 과정은 막대한 전력을 소모한다. 따라서 이더리움 네트워크는 종종 친환경적이지 못하다는 비판을 받아왔다.
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둘째, 성능 문제. 현재 이더리움 체인의 블록 생성 속도는 약 12~15초당 하나이며, TPS(Transaction per second, 초당 처리 가능한 거래 수)는 약 15 정도이다. 이러한 처리 속도는 일반적인 상업 애플리케이션 하나를 지원하기에도 부족하며, 이더리움 네트워크가 가끔 발생하는 정체 현상 또한 그 발전을 제약하고 있다.
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셋째, 사용 수수료 문제. 이더리움 네트워크 이용 시 네트워크 유지 보수를 담당하는 채굴자에게 가스 요금(gas fee)을 지불해야 한다. 이는 보통 몇 달러에서 수십 달러 수준이며, 네트워크 혼잡 상태에 따라 변동되며, 최대 수백 달러까지 치솟기도 한다. 높은 가스 요금으로 인해 일부 프로토콜은 솔라나(Solana), 니어(Near) 등의 경쟁 공개 블록체인으로 이동하고 있다.
이러한 문제들에 대응하기 위해 개발자 커뮤니티는 이더리움 2.0 업그레이드를 위한 여러 단계를 계획했다. 다음은 이더리움 2.0 업그레이드 로드맵에 대한 설명이다.
이더리움 2.0 로드맵
이더리움 2.0 로드맵은 크게 평행 체인인 비콘 체인(Beacon Chain), 머지(Merge), 샤딩(Sharding)의 세 단계로 구성된다. 처음 두 단계는 네트워크의 합의 메커니즘을 PoW에서 PoS(지분 증명, Proof of Stake)로 전환하는 것이 목적이고, 마지막 단계는 전체 이더리움 네트워크의 성능과 확장성을 향상시키기 위한 것이다.
1. 평행 체인 – 비콘 체인
합의 메커니즘의 원활한 전환을 위해, 2020년 12월 1일 이더리움은 기존의 PoW 메인넷이 계속 운영되는 가운데 병렬로 작동하는 새로운 체인인 비콘 체인(Beacon Chain)을 먼저 출시했다. 비콘 체인은 PoS를 합의 메커니즘으로 채택하며 메인넷과 독립적으로 운영된다. 참여자는 스마트 계약에 32ETH를 스테이킹하여 지분을 증명하고, 심사를 통과하면 검증자 목록에 등재되어 비콘 체인의 검증자가 된다. 이 체인에서 검증자는 채굴자의 역할을 대체하여 블록을 생성하는 주체가 된다.
PoW 메커니즘 하에서는 노드가 계산 작업을 통해 다음 블록을 생성하지만, PoS 기반의 비콘 체인에서는 다음 블록 생성자가 검증자들 사이에서 무작위로 선택된다. 이 선택은 특정 검증자에 의해 결정되지 않으며, 탈중앙화의 특성을 반영한다. 검증자가 양호한 행동을 할 경우 보상을 받고, 악의적인 행위를 할 경우 스테이킹한 32ETH 중 일부가 차감된다. 스테이킹한 ETH가 16개 미만으로 줄어들면 검증자 명단에서 제외된다.
머지 이전, 즉 현재 단계에서는 이더리움이 PoW와 PoS가 병렬로 작동하는 상태이다. PoS 평행 체인을 사전에 가동한 이유는 두 가지다. 첫째, 기존 PoW 체인에 미치는 영향을 최소화하고 합의 전환이 네트워크에 주는 충격을 줄이기 위함이며, 둘째, 새로운 PoS 네트워크가 충분한 스테이킹 ETH를 모아 네트워크 보안을 확보할 수 있도록 시간을 주기 위해서이다.
2. 머지(Merge)
이더리움 2.0을 언급할 때 자주 나오는 '머지(Merge)'란 PoW 메인넷(이더리움에서 거래를 처리하는 실행 계층)과 PoS 기반의 비콘 체인(공식적으로 합의 계층이라 함)을 통합하는 것을 의미한다. 이더리움의 머지는 먼저 테스트넷에서 실험하게 되며, 테스트 도중 문제가 발견되면 노드 운영자들이 이를 수정하게 된다.
현재 이더리움 테스트넷인 Ropsten과 Sepolia는 각각 6월 9일과 7월 6일에 머지를 완료했다. 나머지 Goerli 테스트넷도 곧 머지될 예정이다. 모든 것이 순조롭게 진행된다면 이더리움 메인넷은 9월 중하순경 머지를 완료하게 된다. 이후 PoW 메커니즘은 폐기되고, 전체 네트워크는 PoS 방식으로 새 블록을 생성하게 된다.
합의 메커니즘 전환을 확실히 하기 위해, 이더리움 개발자들은 난이도 폭탄(Difficulty Bomb)을 도입했다. 난이도 폭탄은 2015년 이더리움 코드에 포함되었으며, 특정 블록 번호에 도달하면 PoW 알고리즘의 난이도를 급격히 높여 블록 생성 시간을 늘리고 채굴을 어렵게 만들어 채굴자의 보상을 감소시킴으로써 그들의 의욕을 꺾는 것이 목적이다. 난이도 폭탄이 시행되면 채굴자들은 수익을 낼 수 없게 되고, 기존 PoW 네트워크는 더 이상 운영될 수 없게 된다.
3. 샤딩(Sharding)
합의 메커니즘의 전환만으로는 이더리움의 성능을 향상시킬 수 없으며, 성능 향상은 샤딩을 통해 이루어져야 한다.
샤딩은 데이터베이스 분할 개념으로, 저장 공간을 최적화하고 신속한 처리를 가능하게 한다. 네트워크를 작은 구역으로 나누어 수평적으로 데이터베이스를 분할하고, 부하를 분산시킨다. 각 샤딩은 독립된 데이터를 가지며, 여러 샤딩이 동시에 작업을 처리함으로써 네트워크 혼잡을 줄이고 TPS를 증가시켜 확장성을 실현한다.
이더리움의 초기 샤딩 계획은 메인넷을 64개의 샤딩으로 나누는 것이었다. 각 샤딩은 독립적인 블록 제안자와 위원회를 가지며, 제안자와 위원회는 무작위로 선택 및 배정된다. 블록 제안자는 트랜잭션 풀에서 블록에 포함할 트랜잭션을 선택하고, 위원회의 3분의 2 이상의 동의를 얻으면 블록이 체인에 추가된다.
이 초기 샤딩 방안은 이더리움 메인체인의 성능을 확장하려는 것이었으나, 구현이 매우 복잡했고, 몇 년간 Layer2 기술이 급속도로 발전하면서 롤업(Rollup) 기술이 다양하게 등장했다. 이에 비탈릭 중심의 이더리움 개발자들은 기존 방안을 점차 포기하고 새로운 기술 방향으로 전환하게 되었다. 즉, 메인넷에서 직접 샤딩을 통해 더 많은 거래를 처리하려는 접근을 버리고, 롤업 중심의 아키텍처로 전환한 것이다. 여기서 메인체인은 롤업에 대해 데이터 가용성(data availability)만 제공하는 밑바탕 역할을 하고, 실제 확장은 롤업이 담당하게 된다.
새로운 방안에서 이더리움의 목표는 확장 가능한 데이터 가용성 계층으로서, 궁극적으로는 결제 및 장부 기록의 역할을 하는 것으로 간단히 이해할 수 있다. 메인체인의 확장은 체인 상의 계산 효율 향상보다는 블록 내 데이터 용량 확대에 집중한다. 즉, 이더리움 샤딩은 롤업을 지원하기 위해 더 많은 데이터 blob(이진 대용량 객체) 공간을 제공하는 것을 목표로 하며, 이더리움은 해당 데이터를 해석하지 않고, 롤업의 계산 결과와 증명만 수집하여 데이터 가용성을 보장한다. 보다 구체적으로 말하면, 롤업이 거래의 계산과 검증을 수행하고, 여러 건의 검증 완료된 거래와 증명 결과를 하나의 패키지로 묶어 제출하면, 메인체인의 블록은 이 패키지들만 기록하게 된다.
한 블록이 여러 롤업이 생성한 패키지를 포함할 수 있기 때문에, 앞으로 이더리움에는 다양한 종류의 롤업이 등장하여 전체 네트워크의 확장을 담당할 것이다. 현재 주류를 이루는 것은 zkRollup과 옵티미스틱 롤업(Optimistic Rollup)이며, 각각 유효성 증명과 사기 증명이라는 두 가지 증명 방식에 대응한다.
이더리움 2.0 업그레이드의 영향
에너지 소비 감소
PoS 메커니즘으로 전환하면, 더 이상 막대한 전력을 소모하는 채굴자 노드에 의존하지 않게 되므로 환경 친화적 네트워크가 된다. PoS 기반의 노드는 PoW 대비 에너지 효율성이 99% 이상 높기 때문에, PoS 네트워크의 에너지 효율은 크게 향상된다. PoW 방식에서는 채굴자들이 복잡한 수학 계산을 수행하기 위해 강력하고 고전력 장비가 필요하며, 누가 먼저 계산을 완료하느냐에 따라 블록 생성과 보상 획득 자격이 결정된다. 이 경우 채굴자는 최대 수익을 얻기 위해 24시간 내내 장비를 최대 부하로 가동해야 하며, 이러한 고전력 장비의 전력 수요는 막대하다.
PoS 네트워크에서는 블록 제안자가 무작위로 선택되기 때문에, 더 이상 많은 채굴 장비를 통해 블록 생성권을 경쟁할 필요가 없으며, 따라서 거대한 전력 소비도 불필요하게 된다.
ETH 발행량
이더리움이 PoW에서 PoS 합의로 전환하면서 더 이상 채굴자 보상이 발생하지 않으며, 이에 따라 스테이킹 보상이 대신 도입된다. 따라서 ETH의 발행률은 약 90% 감소하게 된다. 이를 사람들은 ‘트리플 할빙(Triple Halvening)’이라고 부르는데, 마치 비트코인의 반감이 세 번 동시에 발생한 것과 같다는 의미이다. 이더리움은 발행량의 급격한 감소를 겪게 되며, 동시에 스테이킹된 ETH는 시장에 유입되지 않기 때문에 ETH는 통화긴축 상태에 진입하게 된다.
ETH 스테이킹
머지 완료 후에는 더 많은 사용자들이 거의 무위험 수익을 얻을 수 있는 스테이킹에 자신의 ETH를 참여시키고자 할 것이다. 추산에 따르면, 스테이킹한 ETH의 연간 수익률은 약 4% 정도이다. 크라켄(Kraken)이 발표한 《2022년 1분기 스테이킹 현황》 보고서에서는 이더리움 머지 완료 후 스테이킹 사용자의 연간 수익률이 8.5%~11.5%에 이를 것으로 예측했다.
또한 스테이킹 수요가 증가함에 따라, 스테이킹 서비스 시장도 큰 성장세를 보일 것으로 예상된다. 현재 비콘 체인에는 1300만 개 이상의 ETH가 스테이킹되어 있으며, 전체 이더리움 공급량의 10%를 넘는다. 총 41만 명의 검증자가 스테이킹에 참여하고 있다.
네트워크는 최소 32ETH 스테이킹을 요구하며, 노드 장비를 직접 운영하는 데는 일정한 기술적·자금적 장벽이 존재한다. 따라서 직접 스테이킹보다는 스테이킹 서비스 제공업체를 이용하는 것이 훨씬 매력적으로 느껴진다. 현재 스테이킹 시장의 선두주자인 Lido(이전 글 stETH 할인 판매 이야기: stETH의 가격 책정, 유동성 및 리스크 참조)는 유동성 스테이킹 시장에서 이미 90% 이상의 점유율을 차지하고 있다.
채굴자
이더리움 머지 이후 기존의 PoW 체인은 점차 폐기될 것이며, 기존 채굴자들의 향후 행보도 중요한 관심사가 되고 있다. 암호화폐 세계에서 두 번째로 큰 채굴 생태계로서, 이들은 어떤 선택을 할 것인가? 기존 체인을 포크할 것인지, 아니면 ETC(이더리움 클래식)로 전환해 계속 채굴할 것인지? 이더리움의 포크 체인인 이더리움 클래식은 이더리움 채굴 장비를 사용해 채굴할 수 있지만, ETC가 감당할 수 있는 해시파워는 제한적이다. ETC 가격 자체가 낮아 채굴 비용과 수익의 균형을 맞추기 어려우며, 게다가 머지 이후 대규모 해시파워가 몰릴 경우 경쟁이 심화되어 채굴 수익이 더욱 줄어들게 된다. 또한 기존 체인을 포크하는 방안 역시 난이도 폭탄의 설계상 실현이 어렵다고 볼 수 있다.
맺음말
이더리움 머지는 이제 아주 가까이 다가왔다. 업그레이드 계획은 여러 차례 변경되었지만, 지금까지 진행 상황은 대체로 순조롭다. 블록체인 세계에서 가장 큰 영향력을 가지고 있으며 가장 많은 개발자를 보유한 공개 블록체인인 만큼, 이더리움의 업그레이드는 분명히 거대한 파장을 일으킬 것이다. 이더리움 2.0의 도래와 함께 공개 블록체인의 발전도 새로운 장을 맞이하게 될 것이며, 오랫동안 이더리움 사용자들을 괴롭혀온 낮은 성능, 높은 수수료, 높은 에너지 소비 문제는 일련의 업그레이드를 통해 해결될 전망이다. 다가올 미래에 우리는 기대를 품고 있다.
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