LD Research: 이더리움 확장성 솔루션 전반을 한 문장으로 설명
출품: LD Capital Research
작성자: 0xRJ_eth (Twitter: @0xRJ_eth)
오늘은 상향식 접근과 시간적 발전 흐름을 결합해 이더리움 확장 방안들을 정리합니다. 내용에는 시장에서 더 이상 언급되지 않는 오래된 방안들도 포함되어 있으며, 일부는 들어보지 못한 개념일 수도 있습니다.
하지만 전체 구조와 논리적 연결을 명확히 하는 것이 중요하다고 생각합니다. 이를 통해 확장 기술의 혁신과 조합 과정, 직면한 문제점, 각 시기별 시장 관심사, 그리고 롤업(Rollup) 방안이 승리하게 된 이유를 이해할 수 있습니다. 이러한 통찰은 큰 그림을 파악하는 데 도움이 됩니다.
저는 연구를 진행하면서 이 주제에 대해 포괄적으로 정리하고 비교한 온라인 자료가 거의 없다는 점을 발견했습니다.
처음엔 확장을 전혀 몰랐고, 다양한 방안들이 각각 장단점을 지니며 유사하기까지 해서 왜 이런 차이가 있는지 이해할 수 없었습니다. 그래서 여러 시기의 문서를 깊이 있게 탐색하는 데 많은 시간을 투자했습니다.
그러나 지난 두 주간 시간 흐름에 따라 정리한 덕분에 큰 도움이 되었음을 실감했습니다.
다만 오늘 내용은 기술 및 개념 설명이 많아 정보량이 방대할 수 있습니다. 끝까지 읽어주시면 확장 프로젝트 전체의 틀과 논리를 이해하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
1. 배경
이더리움 1층 블록체인에서는 네트워크 사용 수요 증가로 인해 트래픽이 혼잡해지고 거래 비용이 급등했습니다.
저장 용량, 네트워크 속도, 처리량(throughput) 향상은 이더리움의 대규모 채택을 위한 핵심 기반입니다.
따라서 확장(Scaling)이 필요합니다.
2. 목적
확장의 핵심 목적은 탈중앙화와 보안성을 유지하면서 거래 속도(빠른 거래 확정)와 처리량(TPS 초당 거래수)을 높이는 것입니다.
3. 확장 방안
확장 방안은 크게 두 가지로 나뉩니다 — On-Chain(1층)과 Off-Chain(사이드체인 + 2층)
On-chain, 체인 내 확장
블록체인 자체의 성능 향상으로, 1층 메인넷 또는 이더리움 프로토콜 변경이 필요: 이것이 바로 "Layer 1"입니다. Layer 1 네트워크란 기본 블록체인을 의미합니다. 이더리움(ETH) 외에도 비트코인(BTC), 솔라나(Solana), 폴카닷(Polkadot), 니어(Near), 코스모스(Cosmos), 아프토스(Aptos), 스위(Sui) 등 모두 Layer 1 프로토콜에 해당하며, 각 생태계의 주요 네트워크 역할을 합니다. Layer 1 프로토콜은 자체 블록체인에서 거래를 처리·완료할 수 있으며, 거래 수수료 지불용 고유 토큰을 내장합니다.
(이더리움 업그레이드의 중요한 일환인 Layer 1 확장은 추후 별도의 글에서 다루겠습니다. 오늘은 간략히 개념만 정리합니다.)
On-Chain Layer 1 확장의 선택 가능한 방안:
a. 합의 메커니즘 변경: 이더리움 업그레이드가 채택한 방안입니다. 최근 비컨 체인과 메인넷의 성공적인 머지(Merge)는 작업증명(PoW)에서 지분증명(PoS)으로의 전환을 완료한 것입니다.
b. 샤딩(Sharding) 도입: 샤딩은 일반적인 Layer 1 확장 해결책으로, 주로 거래 처리량을 늘리는 데 사용됩니다. 컴퓨터 과학의 데이터베이스 분할 기술로, 네트워크와 노드가 여러 샤드(shard)로 나뉘어 부하를 분산시키고 거래 속도를 높입니다. 각 샤드는 전체 네트워크 활동의 일부를 처리하며, 자신만의 거래, 노드, 독립된 블록을 가집니다.또한 검증자의 부담을 줄여주며(모든 거래를 처리·저장할 필요 없음), 각 노드는 작업 결과를 메인체인에 기록하고 로컬 데이터를 실시간 공유합니다. 이는 기존 ETH 2.0 업그레이드 계획의 핵심이었으나, 현재 댕크샤딩(Danksharding)으로 대체되었습니다.
c. 블록 크기 확대: 각 블록이 더 많은 거래를 처리할 수 있도록 함(현재 이더리움 업그레이드의 proto-danksharding도 유사한 방안입니다. 이후 별도 설명 예정).Layer 1 확장은 복잡한 작업입니다. 많은 경우 모든 네트워크 사용자가 동의하지 않으며, 커뮤니티 분열이나 하드포크 발생 가능성도 있습니다.(2017년 비트코인 캐시(Bitcoin Cash) 분리는 하드포크의 결과입니다.)
Off-chain, 체인 외 확장
모든 오프체인 확장은 1층 메인넷과 분리되어 수행되며, 기존 이더리움 프로토콜을 변경할 필요가 없습니다.
롤업(Rollup)은 대략 두 가지로 나뉩니다: Ⅰ. 사이드체인(Side Chain); Ⅱ. 레이어2(Layer2) 해결책.
Ⅰ. 사이드체인(Side Chain)
사이드체인은 독자적으로 운영되는 블록체인으로, 보안은 자체 프로토콜 메커니즘에 의존합니다. 이는 사이드체인과 현재 주류인 오프체인 확장 방법인 레이어2의 가장 큰 차이점입니다.
사이드체인은 다른 레이어1 공개체인과 비교해, 이더리움의 과잉 처리 수요를 전담하며 이더리움 전체와 경쟁하지 않습니다. 이 생태계는 이더리움 커뮤니티와 밀접하게 연결되어 보완적인 방식으로 이더리움 애플리케이션을 호스팅합니다.
이 분류에 관해 저는 많은 온라인 자료들이 혼란스럽고, 사이드체인을 레이어2에 포함시키는 경우가 많다는 것을 알게 되었습니다. 본 글은 이더리움 재단과 사이드체인 백서의 정의를 주로 참고하였습니다.
https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/sidechains/
두 번째 오프체인 확장은 앞서 언급했고 흔히 듣는 레이어2(Layer2) 해결책입니다: 기본 아이디어는 체외에서 계산/실행하고 결과를 체인에 올리는 것으로, 오프라인에서 거래를 집약 처리하며, 직접 1층 이더리움 합의로부터 보안을 얻습니다. 다양한 레이어2 방안들은 보안성, 확장 효율, 탈중앙화 정도, 범용성 사이에서 균형을 모색합니다.
먼저 사이드체인부터 살펴보겠습니다:
사이드체인(Side Chains) 는 이더리움 메인넷과 병렬적이며 독립적으로 작동하는 개별 블록체인입니다.
주로 거래를 효율적으로 처리하도록 설계되었습니다. 레이어2 해결책과의 가장 큰 차이점은 사이드체인이 상태 변경 및 거래 데이터를 이더리움 메인넷에 다시 게시하지 않는다는 점이며, 따라서 이더리움의 보안 속성을 계승하지 못합니다.
사이드체인은 일반적으로 높은 처리량을 위해 탈중앙화나 보안성을 일부 희생합니다.
사이드체인은 주로 양방향 교차연결(two-way pegged cross-chain bridge)을 통해 메인넷과 연결되고 상호 운용됩니다(이 개념은 곧 설명하겠습니다).所谓 '양방향 교착'은 주로자산의 양방향 교착을 지원한다는 의미로, 즉 자산이 메인체인과 사이드체인 사이를 오갈 수 있다는 뜻입니다. 그러나 실제로는 자산이 진정한 의미로 이동하는 것이 아니라, "한 체인에서 잠그고, 다른 체인에서 동일한 금액의 자산을 발행(mint)"하는 방식으로 '교차체인'을 구현합니다. 양방향 교차연결 브릿지를 구축한 모든 프로젝트는 사이드체인으로 간주될 수 있습니다.
먼저 양방향 교차연결 브릿지(two-way pegged cross-chain bridge)가 무엇인지 알아봅시다:
이 개념은 BlockStream이 2014년 발표한 사이드체인 백서에서 제안되었습니다. 양방향 교착은 메인체인의 특정 자산(예: 10 ETH)을 특정 주소에 잠그는 것을 말합니다. 동시에 사이드체인에서는 이 '잠금 거래'가 발생했다는 증거를 제공하고, 같은 금액의 디지털 자산이 wrapped 토큰 형태로 사이드체인에서 발행됩니다(예: 사이드체인에서 10 wETH 발행). 이제 이 10 wETH는 사이드체인에서 자유롭게 거래할 수 있습니다. 반대로 사용자가 메인체인에서 ETH를 인출하고 싶을 때는, 사이드체인에서 동일 금액의 남은 wrapped ETH를 소각(burn)하면 됩니다.
메인체인에서 토큰을 잠그고(lock), 사이드체인에서 토큰(wrapped)을 발행(mint). 사이드체인에서 토큰을 소각/소멸하고, 메인체인에서 토큰을 인출.
https://medium.com/techskill-brew/layer-2-blockchain-scaling-solutions-channels-sidechains-rollups-and-plasma-part-16-79819e058ef6
사이드체인은 메인체인과 동일한 실행 환경을 가지며, EVM(이더리움 가상 머신) 기반입니다. 하지만 자체 원장 시스템, 합의 알고리즘(예: 권위 증명 PoA, 위임지분 증명 DPoS, 비잔틴 장애 허용 BFT), 스크립트 계약 등을 갖추고 있습니다. 다양한 목표를 달성하기 위해 보안 확보 방식도 다릅니다.
몇 가지 예시:
1. 중앙화 모델 (Centralized, 기본 제3자 기관): 블록체인 간 디지털 자산 이동의 가장 단순한 방법으로, 사용자는 메인체인의 자산을 단일 기관(예: 거래소)에 보내고, 기관은 이를 확인한 후 사이드체인에서 동일 금액의 자산을 활성화하여 사이드체인에서 유통되도록 합니다. 가장 큰 단점은 지나치게 중앙화되었다는 점입니다.
2. 연합 모델 Federation - multisig federation: 단일 보관기관을 공증인 연합(federation of notaries)으로 대체하여 다중 서명을 통해 사이드체인의 자산 이동을 승인합니다. 이 방식에서는 메인체인의 동결 자산을 훔치려면 더 많은 기관을 공격해야 하지만, 사이드체인 보안은 여전히 공증인 연합의 성실도에 달려 있습니다. 이 역시 중앙화된 방식입니다.
3. SPV(Simple Payment Verification) 모델: 위 두 방안은 모두 중간자를 통해 보안을 확보하므로 중앙화된 방식입니다.
SPV(Simplified Payment Verification, 간편 지불 검증)는 더 높은 보안을 제공하는 탈중앙화 방식입니다.
SPV는 나카모토가 <비트코인 백서>에서 언급한 개념으로, 비트코인 기반 기술의 핵심 요소 중 하나입니다. (
SPV는 특정 블록에 거래가 존재하는지를 증명하는 방법으로, 적은 데이터만으로도 해당 블록 내 거래 존재 여부를 검증할 수 있다는 특징이 있습니다.
SPV 모델에서:
1. 사용자는 메인체인에서 자산을 특수 주소로 보내 메인체인의 자산을 잠급니다.
2. 메인체인에서 확인 기간(confirmation period)을 기다립니다. 이는 부모체인에서 자산이 잠긴 후 사이드체인으로 이체되기 전의 기간으로, 충분한 작업량을 생성하여 다음 대기기간 동안 서비스 거부 공격을 어렵게 만듭니다. 일반적으로 하루에서 이틀 정도입니다.
부모체인에서 특수 출력이 생성되면, 사용자는 확인 기간 종료 후 사이드체인에서 해당 출력을 참조하는 거래를 생성하고, 부모체인에서 충분한 작업량으로 커버되었다는 SPV 증명을 제공합니다. 확인 기간은 사이드체인에 따라 달라지는 보안 매개변수로, 교차체인 거래 속도와 보안 사이의 균형을 고려해야 합니다.
3. 메인체인에서 자산이 잠겼다는 것이 확인되면, SPV 증명을 생성하여 사이드체인에 전송합니다. 그러면 사이드체인에 이 SPV 증명을 포함한 거래가 나타나며, 동일 가치의 사이드체인 토큰 자산이 생성됩니다.
4. 생성된 사이드체인 자산은 먼저 잠김 상태가 되며, 사용자는 경쟁 기간(competition period)을 기다려야 합니다. 이 기간 동안 새로 이체된 코인은 사이드체인에서 사용할 수 없습니다. 이 기간의 목적은 리오더(Reorganization) 시 이중 지불을 방지하는 것입니다. 리오더 중에 이전에 잠근 코인이 이체된다면, 이 변환이 무효로 간주됩니다. 우리는 이를 리오더 증명이라 부르며, 경쟁 기간을 기다려 이중 지불을 방지합니다. 경쟁 기간 중 사용자가 메인체인의 잠근 코인을 이체하면, 다른 사용자가 최신 SPV 증명을 제출하여 사이드체인의 민팅 거래가 무효가 되도록 할 수 있습니다.
가능한 한 모든 사이드체인 사용자들은 잘못된 증명을 인정함으로써 모든 코인 가치가 희석되는 것을 방지하기 위해 리오더 증명을 제출할 동기를 가집니다.
5. 일반적인 경쟁 기간도 하루에서 이틀 정도입니다. 경쟁 기간이 끝나면 사이드체인 토큰이 생성되어 사이드체인 내에서 자유롭게 이전 가능하며, 부모체인과 추가 상호작용이 필요하지 않습니다. 그러나 여전히 부모체인 코인의 정체성을 유지하며, 원래 있던 체인으로만 되돌릴 수 있습니다.
6. 사용자가 사이드체인에서 코인을 부모체인으로 되돌리고 싶을 때는 위 과정을 반복합니다: 사이드체인에서 SPV로 잠근 출력으로 코인을 보내고, 이 출력이 완료되었음을 입증하는 충분한 SPV 증명을 생성한 후, 이를 사용하여 메인체인에서 이전에 잠근 동일 금액의 출력을 해제합니다.
(중요하지 않음) 드라이브체인 모델(Drivechain): 드라이브체인 개념은 Bitcoin Hivemind 창시자 Paul Sztorc가 제안했습니다. 드라이브체인에서는 광부들이 '알고리즘 에이전트 보호자'로서 사이드체인의 현재 상태를 감시합니다. 광부는 자금의 보관자 역할을 하며, 드라이브체인은 잠긴 자산의 관리권을 광부에게 부여하고, 언제 해제하고 어디로 보낼지 투표할 수 있게 합니다. 광부는 사이드체인 상태를 관찰하며, 사이드체인의 요청을 받으면 요구의 진실성을 확인하기 위한 조정 프로토콜을 실행합니다. 드라이브체인에서 성실한 광부의 참여가 높을수록 전체 시스템 보안성이 커집니다.
(중요하지 않음) 혼합 모델: 드라이브체인 + 공증인/사이드체인: 혼합 모델은 위 양방향 교착 방식을 효과적으로 결합한 방식입니다. 메인체인과 사이드체인이 구현 메커니즘에서 본질적으로 다르기 때문에, 대칭적인 양방향 교착 모델은 불충분할 수 있습니다. 혼합 모델은 메인체인과 사이드체인에서 서로 다른 해제 방법을 사용하며, 예를 들어 사이드체인에서는 SPV 모델을, 메인체인에서는 드라이브체인 모델을 사용합니다.
데이터 가용성(Data Availability, DA):
데이터 유효성 측면에서, 사이드체인은 데이터를 자체 체인에 저장하고 다시 잠그지 않기 때문에, 사이드체인 자신의 검증자들만이 보장하며 보안성이 크게 약화됩니다.
사이드체인 프로젝트:
Polygon - 초기 마티크 네트워크(Matic Network)라는 단일 레이어2 플라즈마 해결책에서 시작해 현재는 이더리움과 호환되는 블록체인 네트워크 및 확장 해결책을 만들 수 있는 확장 프레임워크로 성장했습니다. (이는 단일 해결책보다는 하나의 프로토콜에 가깝습니다.) 목표는 이더리움이 고가치 거래 및 가치 저장의 주도 블록체인으로 남고, 일상 거래는 Polygon의 저비용 블록체인으로 이전되는 다각형처럼 다양한 체인 네트워크를 구축하는 것입니다. 현재 7가지 확장 방안(zk-rollup, 사이드체인, SDK 등)을 개발 중이며, Polygon POS 사이드체인이 시장 선두입니다. Polygon 팀은 Polygon POS 사이드체인이 이더리움 메인넷과 시장을 직접 경쟁하기보다는, 이더리움 확장을 지원함으로써 가치를 제공한다고 봅니다.
Gnosis Chain - 원래 xDai 사이드체인으로, 이후 Gnosis와 합병하여 개발된 Gnosis Chain입니다. 낮은 비용과 이더리움 호환성이 두 가지 주요 강점입니다.
Skale - 이더리움의 '탄력적 사이드체인 네트워크'로 포지셔닝되며, 수천 개의 독립 블록체인, 사이드체인, 스토리지 체인 및 기타 하위 체인을 지원할 수 있습니다. 이 블록체인들은 모두 이더리움 메인넷에 연결되며 이더리움 생태계와 완전히 호환됩니다.
Palm - 이더리움 공동 창시자 Joseph Lubin, ConsenSys 창립자, 영화 제작사 Heyday Films 소유자 David Heyman, 예술 기술 그룹 HENI Group 창립자 Joe Hage가 참여한 NFT를 만들 수 있는 이더리움 사이드체인입니다.
Ronin - 블록체인 게임 Axie Infinity 개발사 Sky Mavis가 출시한 게임 중심 사이드체인입니다. 게임은 빠른 상호작용과 낮은 수수료가 필요하며, 매일 수십만에서 수백만 건의 거래를 확장하고 촉진해야 하므로 사용자 경험은 매끄럽고 친숙해야 합니다. 그래서 팀이 직접 나섰습니다.
샤딩 체인 - 원래 ETH 업그레이드 방안(ETH 2.0)에 포함된 샤딩 체인도 이더리움 자체의 사이드체인 변종에 해당합니다.
장단점:
+ 장점:
1) 사이드체인의 호환성은 매우 좋으며, 일반 컴퓨팅, EVM 호환, 스마트 계약을 지원합니다.
2) 규모가 크고 복잡한 거래에서도 사이드체인의 TPS는 매우 높을 수 있습니다. 사이드체인 설계 자체가 탈중앙화나 보안 조치를 일부 희생하여 고처리량을 실현하기 때문입니다(블록체인 삼각형 이론 참조).
3) 사이드체인의 설계 목적은 메인체인의 혼잡을 줄이고, 모든 사람의 비용을 낮추며, 이더리움 생태계의 이용 가능성과 확장성을 높이는 것입니다.
4) 개발자는 사이드체인을 사용해 메인체인에서는 사용할 수 없는 새로운 기능과 사례를 탐색하고 실험할 수 있습니다. 예를 들어 사이드체인 개념은 어떻게 등장했을까요? 2012년 비트코인 핵심 개발팀이 안전하게 비트코인 프로토콜을 업그레이드해 새로운 기능을 추가하는 방법을 고민하면서 시작되었습니다. 하지만 새로운 기능이 실제 적용 중 소프트웨어 오류를 일으킬 경우 기존 비트코인 네트워크에 심각한 영향을 미칠 수 있다는 우려와, 비트코인 네트워크 구조상 대규모 수정을 위해서는 다수의 광부 동의가 필요하다는 점에서 어려움을 겪었습니다. 이때 비트코인 핵심 개발자들이 사이드체인 방안을 제안했습니다.
따라서 사이드체인은 개발자가 새로운 기능을 다른 블록체인에 탐색적으로 부착하고, 이를 기존 비트코인 블록체인에 연결함으로써 부모체인 네트워크를 보호하는 것을 가능하게 했습니다.
- 단점:
1) 롤업과 채널과의 주요 차이점은 롤업과 채널이 이더리움 메인넷의 보안성을 계승하지만, 사이드체인은 자체 합의 메커니즘을 사용하기 때문에(특정 유형의 거래를 위해 설계됨: 거래를 더 빠르고 저렴하게 하기 위함) 일반적으로 이더리움의 보안 속성을 계승하지 않는다는 점입니다.기술적으로 사이드체인은 레이어2에 속하지 않습니다.
2) 탈중앙화 정도가 낮습니다.
3) 채널 방안과 비교해 사이드체인의 프라이버시가 약합니다. 사이드체인에서는 모든 거래가 사이드체인에 게시되며, 거래 상대방이 누구인지와 관계없이 사이드체인의 모든 참여자가 해당 거래를 수신하기 때문입니다.
Ⅱ. 레이어2(Layer2) 해결책
기본 아이디어는 체외에서 계산/실행하고 결과를 체인에 올리며, 데이터는 오프라인에서 집약 처리하는 것입니다. 이 방식은 직접 1층 이더리움 합의로부터 보안을 얻으며, 방안은 다음과 같습니다:
A. 채널(Channel)
매우 초기부터 존재한 블록체인 확장 방안으로, 가장 유명한 사례는 비트코인의 라이트닝 네트워크입니다. 가용성보다 보안성을 중시합니다.
참여자는 이더리움의 일부 상태(예: ETH 예금)를 멀티시그 계약에 잠가야 합니다. 초기 상태 잠금이 첫 번째 거래이며 채널을 엽니다. 이후 참여자들은 체외에서 빠르고 자유롭게 거래할 수 있습니다. 상호작용이 끝난 후 최종 상태를 체인에 제출하여 채널을 닫습니다.
이를 더 세분화하면 두 가지로 나눌 수 있습니다: 지불 채널(Payment Channel)과 상태 채널(State Channel):
지불 채널(Payment Channel): 먼저 메인체인에 멀티시그 계약 주소를 생성합니다. A와 B가 이러한 멀티시그 계약을 생성하고, 자금은 둘의 공동 동의 하에만 이전 가능합니다. 각자 10 ETH를 예금하면, 이 초기 상태가 채널을 오픈한 것으로 간주됩니다. 이후 체외에서 수십에서 수천 건의 거래를 하며, 각 거래마다 서명과 타임스탬프가 필요합니다. 최종적으로 A가 5 ETH, B가 15 ETH를 갖게 됩니다. 하지만 블록체인에 수많은 거래를 기록할 필요 없이 초기 자금 거래와 최종 잔액 배분 두 건만 기록하면 됩니다. 최종 잔액을 메인체인에 업로드하면 채널이 닫힌 것으로 간주됩니다.
A와 B에게 있어 체외 거래는 수수료가 없으며 거의 즉시 완료됩니다. 채굴 수수료를 지불하거나 블록 승인을 기다릴 필요가 없습니다.
상태 채널(State Channel): 이는 지불 채널의 파생형으로, 이름에서 알 수 있듯이 '상태'에 중점을 둡니다. 즉 거래 상태뿐만 아니라 게임 상태, 활동 상태 등도 포함됩니다. 예를 들어 오목 게임을 시작할 때, 먼저 새로운 '심판' 프로그램을 생성하고 초기 베팅을 제공하면 상태 채널이 열린 것으로 간주됩니다. 돌을 놓는 과정은 블록체인에 거래로 제출되지 않습니다. 하지만 매번 돌을 놓을 때마다 양측은 서명하고 타임스탬프를 붙여야 하며, 다음 수로 넘어갑니다. 프로그램이 규칙에 따라 승자를 결정하면 게임이 종료되며, a와 b는 게임 결과에 따라 베팅을 배분하는 상태 업데이트를 서명합니다. 이는 상태 채널이 닫혔음을 의미합니다.
데이터 가용성 Data Availability(DA):
모든 데이터는 Layer2에 존재하며, 채널 양측이 DA를 보장합니다(송금 또는 게임 전체 과정은 a와 b 같은 참여자가 자체적으로 유지관리해야 함).
상태 유효성(State Validity, SV):
채널 종료 후 어느 한쪽도 최종 상태를 Layer1에 제출할 수 있지만, Layer1은 검증하지 않고 먼저 제출자에게 담보를 요구합니다.
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