모듈형 블록체인: 이더리움이 '세계 컴퓨터'가 되기 위한 공학적 해결책
글: 0x1
블록체인의 모듈화 트렌드
2022년 현재 시점에서 암호화폐(Crypto)의 발전 방향을 살펴보면, 이 시기에 새로운 L1 퍼블릭 블록체인을 만들려는 것은 다소 무리가 있으며, 모듈형 블록체인에 대한 논의는 간과할 수 없다.
The Merge 이후, 이더리움(Ethereum)의 발전 로드맵은 점점 더 모듈형 블록체인(Modular Blockchain) 방향으로 기울고 있다.
모듈형 블록체인과 단일형 블록체인(Monolithic Blockchain)의 주요 차이점은 다음과 같다. 단일형 블록체인은 하나의 기본 합의 계층에서 실행, 결제, 합의, 데이터 가용성이라는 네 가지 기능을 동시에 수행하는 반면, 모듈형 블록체인은 이러한 기능들을 여러 개의 모듈로 분리하여 각각 담당하게 된다.
사실상 이더리움만이 모듈화 아키텍처를 계획하고 있는 것은 아니다.
- 최초로 모듈형 블록체인 개념을 제안한 Celestia는 Cosmos 생태계를 기반으로 롤업(Rollups)을 위한 데이터 가용성 계층을 구축 중이다.
- Tezos 역시 롤업 중심의 로드맵을 추진하고 있다.
- NEAR 또한 데이터 가용성 샤딩 설계를 진행 중이다.
본문은 주로 이더리움의 모듈화 추세에 대해 논의한다.
이더리움의 혼잡 현상은 단일형 블록체인의 문제점을 명확히 보여주고 있다. 즉 확장성 부족, 맞춤화 불가, 비용 과다 등이 그것이다.
단일형 블록체인의 문제점은: 합의 계층에서 다양한 작업을 동시에 수행해야 하며, 그 중 한 가지 기능만 최적화한다고 해서 블록체인 전반의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 없다는 것이다.
비유하자면, 단일형 블록체인은 4개의 나무판으로 만들어진 통과 같으며, 그 용량(성능)은 가장 짧은 판의 길이에 의해 결정된다. 어떤 속성이라도 한 가지가 부족하면 전체 성능이 저하되며, '불가능한 삼각형'이라는 제약 때문에 모든 속성을 동시에 극대화하는 것도 불가능하다. 따라서 단일형 블록체인 기반의 단순 확장만으로는 이더리움의 난관을 해결할 수 없다.
모듈형 하이브리드 확장: layer1(data sharding) + layer2(rollups)
사실상 모듈형 블록체인은 본질적으로 하이브리드 확장 방식에 해당한다. 제6회 블록체인 글로벌 서밋에서 비탈릭(Vitalik)의 강연 주제는 '이더리움 2단계 프로토콜 생태계의 부상'이었으며, 이 자리에서 비탈릭은 이더리움 생태계가 단순히 Layer1 또는 Layer2 확장만을 추구하는 것이 아니라 하이브리드 확장을 채택하고 있다고 언급했다.
모듈형 블록체인의 본질도 Layer1과 Layer2의 하이브리드 확장과 유사하다.
이더리움의 모듈화 아키텍처
이더리움의 모듈화 아키텍처 설계는 크게 네 가지 계층으로 나뉜다: 실행 계층(Execution Layer), 결제 계층(Settlement Layer), 합의 계층(Consensus Layer), 데이터 가용성 계층(Data Availability Layer).
현재 많은 경우 업계에서는 실행 계층과 결제 계층을 통합해 실행 계층이라고 부르며, 합의 계층과 데이터 가용성 계층도 통합하여 합의 계층이라고 부른다.
실행 계층(Execution Layer): 체인 상의 거래 처리, 오더 실행, 송금 및 스마트 컨트랙트 실행 검증을 담당하며, 주로 롤업(Rollup) 형태로 구성된다. 모듈형 블록체인이 일정 단계에 도달하면 사용자는 일반적으로 실행 계층을 통해 블록체인과 상호작용하게 되며, 여기에는 거래 서명, 스마트 컨트랙트 배포, 자산 이동 등이 포함된다. 실행 계층은 블록체인의 확장성 문제를 해결한다.
결제 계층(Settlement Layer): 롤업 등의 실행 계층 결과를 검증하고 분쟁을 해결하며 상태 커밋을 완료하는 역할을 한다.
합의 계층(Consensus Layer): 전체 노드 네트워크를 통해 블록 내용을 다운로드하고 실행하며 상태 전환의 유효성에 대해 합의를 이루고, 순서 정렬과 최종 확정성을 제공하며 PoS 메커니즘을 통해 블록 생성을 검증한다.
데이터 가용성 계층(Data Availability Layer): 거래 데이터가 사용 가능하도록 보장(저장되어 있고 검증 가능하며 접근 가능함)하는 계층이다. 상태 전환 유효성을 검증하기 위해 필요한 데이터를 게시하고 저장하며, 악의적인 블록 제안자가 거래 데이터를 은닉하는 사태 발생 시, 이 계층의 데이터를 검증에 활용할 수 있다.
The Merge 이후 예측 가능한 단기 및 중기 단계에서 이더리움의 결제 계층, 합의 계층, 데이터 가용성 계층은 통합된 상태로 유지될 것이다.
미래의 Danksharding은 이더리움 L1의 데이터 샤딩(Data Sharding)을 데이터 가용성 엔진으로 전환하고, 비콘 체인(Beacon Chain)을 합의 계층으로, 기존 이더리움 메인넷을 하나의 실행 계층으로 만들며, 더 많은 실행 계층은 L2의 롤업들이 맡게 될 것이다.
또한 현재의 L2 기반에서 업계는 맞춤형 L3 역시 실행 계층의 확장 형태로 탐색하고 있다.
현 시점의 이더리움이 여전히 이론상의 '월드 컴퓨터'라면, 모듈형 블록체인은 이더리움이 진정한 '월드 컴퓨터'가 되기 위한 공학적 해결책이라 할 수 있다.
이더리움의今後 계획
众所周히 알려진 바와 같이, The Merge는 PoW에서 PoS로의 전환과 비콘 체인(Beacon Chain)과 원래의 이더리움 메인체인의 병합을 의미한다.
The Merge 외에도 이더리움은 실제로 The Surge, The Verge, The Purge, The Splurge를 병행하여 추진하고 있다.
이러한 업그레이드들의 출시 순서는 아직 확정되지 않았으며, 서로 독립적이며 병렬로 진행되기 때문이다.
- The Surge는 샤딩 도입과 관련된 것으로, 이를 통해 이더리움 네트워크가 샤딩을 통해 대규모 확장을 실현할 수 있게 된다.
- The Verge는 Verkle 트리 도입과 관련되며, 이더리움 상의 저장 공간을 최적화하고 노드 크기를 줄이는 데 도움을 준다. 이번 업그레이드는 Merkle 트리의 개선 버전인 Verkle 트리를 통해 저장 공간을 최적화하는 것을 목표로 하며, 검증자가 컴퓨터에 저장해야 하는 데이터 양을 줄임으로써 노드 규모를 축소하고 더 많은 사용자가 검증자로 참여할 수 있도록 한다. 이는 네트워크의 탈중앙화를 더욱 촉진하고 보안성을 높인다.
- The Purge는 과거 데이터와 기술 부채를 제거함으로써 검증자가 필요로 하는 하드디스크 공간을 줄인다. 이는 저장 구조를 단순화하여 네트워크 혼잡을 감소시키는 것을 의미한다.
- The Splurge는 이더리움 네트워크에 대한 일련의 미세 조정으로, 다양한 소규모 업그레이드를 포함하여 이더리움 네트워크를 보다 원활하게 만든다.
비탈릭은 위의 다섯 가지 핵심 단계를 완료한 후 이더리움이 10만 TPS를 달성할 수 있을 것이며, 마침내 그가 처음 꿈꿨던 '월드 컴퓨터'가 될 수 있을 것이라고 밝혔다.
위의 다섯 가지 병렬적이고 중요한 단계들은 이름이 운율을 이루지만, 앞으로 3~4년간의 이더리움 구체적 로드맵을 이해하기엔 여전히 어렵다. 그 중에서도 특히 핵심적이고 구체적인 업그레이드 사항들에 초점을 맞춘다면 이더리움의 모듈화 트렌드를 더 명확히 파악할 수 있을 것이다.
1. 프로토팽크샤딩 (Proto-danksharding, EIP-4844)
프로토팽크샤딩(Proto-danksharding)은 완전한 덱크샤딩(Danksharding) 사양의 대부분의 로직과 기본 규칙(예: 거래 형식, 검증 규칙 등)을 구현하는 제안이지만, 이 단계에서는 아직 샤딩을 실현하지 않는다. 이 단계에서 모든 검증자와 사용자는 여전히 전체 데이터 가용성을 직접 검증해야 한다.
프로토팽크샤딩이 도입하는 주요 특징은 “Blob을 포함하는 거래”라는 새로운 거래 유형이다. Blob을 포함하는 거래는 일반 거래와 유사하지만, 추가적으로 Blob이라 불리는 부가 데이터를 함께 전송한다는 점이 다르다. Blob은 약 128KB 크기로, 비슷한 크기의 Calldata보다 훨씬 저렴하다. 하지만 EVM 실행 과정에서는 Blob 데이터 자체에 접근할 수 없으며, EVM은 Blob에 대한 커밋 값만 확인할 수 있다.
현재 이더리움의 블록 크기는 가스(Gas) 용량에 의해 결정되지만, EIP-4844가 시행되면 Blob의 수량이 블록 크기를 결정하는 또 다른 요소가 된다. Blob은 약 128KB 크기의 이진 데이터 구조이며, 이더리움 블록은 블록 당 포함 가능한 Blob 수를 제한한다. 목표 Blob 수는 8개이며, 최대 16개까지 가능하므로 각 블록은 추가로 1~2MB(128*8 ~ 128*16)의 저장 공간을 갖게 된다.
Blob은 주로 Layer2 데이터 저장을 위해 사용되며, 이전까지는 Layer2 데이터 저장이 Calldata를 통해 이루어졌다. Blob 도입 이후 블록 내 저장 공간이 크게 증가하지만, Blob 데이터가 크기 때문에 매 블록마다 1MB의 Blob 데이터가 추가된다면 이더리움 블록체인은 한 달 만에 수 TB의 데이터를 추가하게 된다. 데이터 급증 문제를 해결하기 위해 이러한 Blob 데이터는 오프라인 저장 방식으로 처리되며, 30일 후 자동 삭제된다.
Blob 데이터는 기존 이더리움 거래의 가스 사용량과 경쟁하지 않기 때문에 여전히 상당한 확장 효과를 얻을 수 있다. Proto-Danksharding의 EIP-4844 제안을 간단히 설명하면 다음과 같다. 이더리움 L1은 기존 1MB 블록 크기를 유지하면서, Blob 형태로 L2 데이터를 30일간의 단기적, 오프라인 저장 방식으로 저장함으로써 확장 효과를 실현한다.
2. 덱크샤딩(Danksharding)
덱크샤딩(Danksharding)은 이더리움을 위한 새로운 샤딩 설계이다. 과거에는 상태 샤딩(State Sharding)이 계획되었으나, 이후 롤업 중심 로드맵으로 전환되면서 L1(데이터 샤딩)+L2(롤업)의 모듈형 하이브리드 확장 방안이 채택되었다. 이는 데이터 샤딩(Data Sharding)을 의미하며, 본질적으로 모듈형 블록체인의 아이디어를 반영한다. 이더리움을 여러 개의 데이터 샤딩으로 나누고, 각 데이터 샤딩은 하나 이상의 롤업과 연결되며, 롤업은 실행 계층으로 작동하고 이더리움은 합의 계층과 데이터 가용성 계층으로 작동한다.
덱크샤딩이 도입하는 핵심 메커니즘은 주로 PBS와 DAS이다.
PBS(Proposer-Builder Separation)란 블록 생성 시 블록 제안자(Proposer)와 블록 생성자(Builder)의 역할을 분리하는 것을 의미한다. Proposer가 블록을 제안하고, Builder가 거래 순서권을 입찰하며 블록 헤더를 계산한다. Proposer는 Builder의 계산 결과를 기반으로 거래를 패키징하고 블록 헤더를 블록에 기록하여 블록 생성을 완료한다. PBS 이전의 블록 제안자(Merge 이전에는 Miner, 이후에는 Validator)는 mempool에 어떤 거래가 있는지 확인하고 MEV(최대 추출 가치) 기회를 포착하여 채굴 수익을 극대화할 수 있었다. PBS 도입 후 이러한 역할 분리와 Builder의 순서권 입찰 메커니즘은 어느 정도 MEV 문제를 완화하며, 결국 MEV 수익은 전 네트워크 검증자들과 공유되는 형태가 된다. 또한 PBS는 샤딩과 비콘 체인의 동기화 문제, 이더리움 네트워크의 검열 저항성 문제 해결에도 기여한다.
DAS(데이터 가용성 샘플링, Data Availability Sampling)는 블록체인 상태 폭발을 해결하기 위한 효과적인 방법이다. 검증 노드가 블록 가용성을 검사할 수 있도록 하며, DAS를 사용하면 경량 클라이언트(light client)가 일부 무작위 선택된 데이터만 다운로드하여 블록이 올바르게 게시되었는지 검증할 수 있다. DAS는 블록 데이터를 병렬로 검증할 수 있기 때문에 향후 데이터 샤딩 수가 많아져도 개별 검증 노드의 부담이 증가하지 않으며, 오히려 더 많은 검증 노드의 참여를 유도하여 충분한 탈중앙화를 유지할 수 있다.
결국, 덱크샤딩은 PBS를 통해 이더리움의 중앙집중적 블록 생성을, DAS를 통해 탈중앙화된 검증을 실현하며, 일정 수준의 검열 저항성을 갖추어 이더리움이 확장 가능한 합의 계층 및 데이터 가용성 계층이 되고, 더 많은 실행 계층 롤업들을 수용할 수 있게 된다. (참고: 중앙집중적 블록 생성과 탈중앙화된 검증은 비탈릭이 Endgame 문서에서 이더리움 미래에 대해 제시한 비전이기도 하다.)
결론
나는 항상 이더리움 창립 팀이 이상을 가지고 있으며, 여러 세부 사항들을 통해 그들이 초심을 잃지 않고 계속 전진하고 있다는 느낌을 받는다.
이더리움의 여러 차례 업그레이드 중에서 특히 기억에 남는 세 번의 업그레이드가 있다. 바로 437만 블록 높이에서의 비잔틴 하드포크, 728만 블록 높이의 콘스탄티노플 하드포크, 그리고 906.9만 블록 높이의 이스탄불 네트워크 업그레이드이다.
흥미롭게도 비잔틴, 콘스탄티노플, 이스탄불은 모두 같은 도시이다. 이 도시는 유럽과 아시아를 가로지르며 북쪽으로는 금각만, 남쪽으로는 마르마라해, 동쪽으로는 소아시아 반도와 바다를 사이에 두고 있으며, 서쪽만 육지와 연결되어 있다. 나폴레옹은 이 도시에 대해 이렇게 말했다. "세상이 하나의 국가라면 그 수도는 반드시 이스탄불이어야 한다." 이 고대 도시는 이더리움 덕분에 블록체인 세계와 미묘한 연관성을 가지게 되었으며, 세 번의 업그레이드 명칭은 이더리움이 항상 일관성을 지키고 있다는 메시지를 전달한다.
아마도 이더리움의 모듈형 블록체인 여정은 그리 빠르게 진행되지는 않을 것이다. 그러나 큰 주제인 The Merge, The Surge, The Verge, The Purge, The Splurge 등 10만 TPS 달성을 위한 다섯 단계이든, 혹은 프로토팽크샤딩, 덱크샤딩과 같은 구체적인 핵심 업그레이드이든, 궁극적인 목적은 모두 이더리움이 '월드 컴퓨터'라는 초기 비전을 실현하기 위한 것임을 분명히 알 수 있다.
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