데이터 가용성 트랙의 현재 발전 현황: L1, L2, 모듈화의 삼각편대
데이터 가용성(Data Availability)은 전 노드(full node)에 비해 경량 클라이언트 노드(light client node) 맥락에서 주로 논의된다. 경량 클라이언트 노드의 데이터 가용성 문제에 대해서는 업계 내에서 이미 합의가 이루어졌으며, 이 문제를 해결하기 위해 소거 부호(erasure codes)를 사용하는 것이 일반적이다.
경량 클라이언트 노드뿐 아니라 Layer1 + Layer2 아키텍처나 모듈형 블록체인(modular blockchain) 구조에서도 데이터 가용성 문제가 발생한다.
현재 업계에서는 데이터 가용성 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 세 가지 방향의 솔루션이 주목받고 있다.
1. L1 체인 상에서 데이터 저장 비용을 낮추는 방안 — EIP-4488과 EIP-4844
이더리움에서 롤업(Rollup)을 통한 확장성을 실현할 때 거래 하나를 처리하는 데 드는 비용은 크게 세 가지로 나뉜다. 실행 비용(네트워크 내 모든 노드가 트랜잭션을 실행하고 유효성을 검증하는 비용), 저장/상태 비용(새 상태를 갱신하는 비용), 그리고 데이터 가용성 비용(L1에 데이터를 게시하는 비용)이다.
이 중 데이터 가용성 비용이 가장 큰 비중을 차지한다.
현재 롤업이 L1에 데이터를 업로드할 때는 Calldata 형식을 사용하는데, 이 방식은 매우 비용이 많이 든다. 따라서 이를 개선하기 위해 제안된 것이 EIP-4488이며, 이는 0이 아닌 각 바이트의 Calldata 비용을 기존 16Gas에서 3Gas로 낮출 수 있다. 그러나 여전히 비용이 다소 높다는 한계가 있다.
이후 더 발전된 EIP-4844 제안, 즉 프로토-단크샤딩(Proto-Danksharding)이 등장했다. 이는 Blob carrying Transactions이라는 새로운 트랜잭션 형식을 도입하는데, 기존 트랜잭션보다 추가로 Blob 영역을 두어 L2의 데이터를 저장할 수 있게 한다. 중요한 점은 Blob 데이터는 한 달 후 노드에 의해 삭제되므로 장기적인 저장 공간 절약 효과가 크다.Blob 형식의 트랜잭션은 Calldata보다 훨씬 저렴한 데이터 가용성을 제공할 수 있다.
그 이유는 주로 두 가지다.
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첫째, Calldata는 Execution Payload 내에 존재하지만, Blob 데이터는 Prysm 또는 Lighthouse 노드에 저장되며(Geth에는 저장되지 않음), Calldata는 스마트 계약에서 읽어야 할 경우 더 많은 자원을 소모한다.
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둘째, Blob 데이터는 단기 저장되며, 한 달 후 노드에서 자동 삭제된다.
결론적으로, 이는 이더리움이 L1에서 데이터 가용성 비용을 줄이기 위한 방안으로 볼 수 있다.
또한, 데이터 가용성을 검증하는 보완적 방안으로 데이터 가용성 샘플링(DAS, Data Availability Sampling)이 제안되었다. DAS를 통해 노드는 전체 블록을 다운로드하지 않고도 무작위로 선택된 일부 데이터 조각만 다운로드하여 블록 데이터가 모두 공개되었는지 확인할 수 있다. DAS는 블록 데이터를 병렬로 검증할 수 있기 때문에, 향후 데이터 샤딩(data sharding) 수가 증가하더라도 개별 검증 노드의 부담은 늘어나지 않는다. 오히려 더 많은 검증 노드가 참여하게 되어 충분한 탈중앙화를 유지할 수 있다. DAS를 실현하기 위해 소거 부호(erasure coding) 기술이 도입되었으며, 소거 부호가 올바르게 인코딩되었는지를 보장하기 위해 KZG 다항식 커밋(KZG Polynomial Commitments)도 함께 사용된다.
이러한 일련의 솔루션을 통해 이더리움 노드(또는 경량 클라이언트)는 일부 데이터 블록만 무작위로 다운로드함으로써 모든 데이터가 가용하다는 것을 검증할 수 있게 된다.
2. 실행 계층 롤업들이 제시한 데이터 가용성 방안
현재 주요 실행 계층 롤업들도 자체적인 데이터 가용성 솔루션을 보유하고 있으며, 대표적으로 StarkEx, zkSync2.0, Polygon zkEVM 등을 들 수 있다.
StarkEx
StarkEx는 허가형, 애플리케이션 특화형 확장 솔루션을 구축하기 위한 프레임워크이다. 현재 dYdX, Immutable, Sorare, DeversiFi, Reddio 등의 프로젝트가 StarkEx 기반 솔루션을 채택하고 있다.
StarkEx는 여러 가지 데이터 가용성 모드를 제공하는데, Rollup, Validium, Volition 세 가지가 있으며, 모두 유효성 증명(validity proof) 기반으로 동작한다.
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Rollup 모드에서는 모든 데이터가 체인 상에 기록된다(data on-chain).
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Validium 모드에서는 데이터가 체인 외부(off-chain)에 보관되고, 최신 상태에 대한 커밋 및 그 유효성 증명만 체인 상에 제출된다.
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Volition 모드는 혼합형으로, 사용자가 개별 트랜잭션 단위에서 데이터 저장 위치를 체인 상 또는 체인 외부 중 선택할 수 있다.
Validium은 체인 외부에 데이터를 보관하고 최신 상태의 커밋과 증명만 체인에 올리기 때문에 거래 수수료가 더 낮고 TPS도 높지만, 대신 StarkEx Validium 운영자(Operators)가 사용자의 자금을 동결할 수 있다는 위험이 있다. 이를 완화하기 위해 허가된 데이터 가용성 위원회(DAC, Data Availability Committees)가 도입되었다. DAC는 상태 갱신마다 법정 수를 충족하는 서명을 통해 데이터 수령을 확인해야 한다. 현재 StarkEx의 DAC는 8명의 구성원으로 이루어져 있다.
zkSync
zkSync 2.0은 새로운 통합 아키텍처를 도입하여 zkRollup과 zkPorter라는 두 가지 유형의 계정을 혼합하여 제공한다. 두 시스템은 독립적이지만 서로 조합 가능하며 상호 운용도 가능하다. zkRollup의 스마트 계약과 계정은 zkPorter 계정과 원활하게 상호작용할 수 있고 그 반대도 마찬가지다. 사용자 입장에서는 유일한 차이점은 zkPorter 계정의 수수료가 약 100배 저렴하다는 것이다.
zkRollup은 체인 상 데이터 가용성을 가지며, zkPorter는 체인 외부 데이터 가용성을 채택한다. 구체적으로, zkRollup의 데이터 가용성은 L1에 있고, zkPorter의 데이터 가용성은 L2에 있다. zkRollup의 트랜잭션 데이터는 Calldata 형태로 이더리움에 게시되는데, 이는 일반적인 방식이다. 반면 zkPorter의 데이터 가용성 방식은 특징적이다.
zkPorter는 zkRollup과 샤딩 아이디어를 결합한 하이브리드 방식으로 데이터 가용성을 처리한다. 임의의 수의 샤드(shard)를 지원할 수 있으며, 각 샤드는 자체적인 데이터 가용성 전략을 가질 수 있고, 이는 해당 샤드의 스마트 계약에 의해 정의된다. 샤드 선택은 개인 계정 단위에서 제어된다. 즉, 데이터 가용성을 각 샤드에 위임하며, 각 샤드는 다양한 솔루션을 자유롭게 선택할 수 있는 구조다.
zkPorter의 샤드는 주로 Shard 0, Guardians Shard, Protocol X Shard로 구성된다.
Shard 0은 기본 이더리움 L1에 완전한 데이터 가용성과 보안을 갖춘 단순한 zkRollup 샤드다. 따라서 zkPorter 내에서 운영 비용이 가장 높으며, 메인넷 거래 비용의 약 1/100 수준이다.
기타 샤드들은 각자의 스마트 계약에서 데이터 가용성 전략을 정의한다. zkPorter의 샤드들은 체인 상 데이터 가용성을 포기함으로써 거래 비용을 추가로 10~100배 더 낮추고, TPS는 기본 샤드보다 훨씬 높아진다. zkPorter는 선택적 검증자 메커니즘인 zkPorter Guardians를 도입하여, 프로토콜 이해관계자들을 샤드의 데이터 가용성 보증인으로 초청할 수 있도록 한다.
zkPorter의 데이터 가용성은 zkSync 토큰 홀더들(보호자, Guardians)이 보호한다. 그들은 블록에 서명함으로써 zkPorter 측 상태를 추적하고, 계정 데이터의 가용성을 확인한다. Guardians는 zkSync 토큰을 활용해 지분 증명(PoS)에 참여하며, 이를 통해 데이터 가용성에 대한 암호경제학적 보장을 실현한다.
Polygon zkEVM
Polygon zkEVM은 암호화 증명 기반의 탈중앙화된 이더리움 Layer2 확장 솔루션으로, 트랜잭션의 검증과 신속한 결정성을 제공한다. Polygon Avail과 마찬가지로 폴리곤이 개발한 확장 솔루션이지만, 목표와 중점이 다르다. Polygon Avail처럼 범용 데이터 가용성 솔루션을 이미 보유하고 있음에도 불구하고, Polygon zkEVM은 자체적인 데이터 가용성 방안을 설정하고 있다.
Polygon zkEVM 역시 하이브리드 형태의 데이터 가용성을 채택하며, Validium 또는 Volition 모드 중 선택할 수 있다. Validium 모드에서는 데이터가 체인 외부에 저장되고 유효성 증명만 체인 상에 게시된다. Volition 모드에서는 일부 트랜잭션에 대해 데이터와 증명이 모두 체인 상에 유지되지만, 나머지 트랜잭션은 증명만 체인 상에 올라간다.
Scroll
반면, 자체적인 데이터 가용성 방안을 아직 설계하지 않은 zkRollup도 있는데, Scroll이 대표적이다.
Scroll의 CTO인 Ye Zhang은 체인캡처 인터뷰에서 "Scroll은 당분간 전용 데이터 가용성 방안을 설계할 계획이 없다. 댕크샤딩(Danksharding)이나 프로토-댕크샤딩에 대해 이더리움 기술 로드맵이 긍정적이기 때문이다."라고 밝혔다.
또한 "추가적인 데이터 가용성 방안을 도입하면 전체 시스템의 보안이 어느 정도 희생될 수 있으므로, 장기적으로는 이더리움을 원생 데이터 가용성 계층으로 사용하는 것이 가장 이상적이라고 본다."라고 언급했다.
3. 데이터 가용성의 범용적 해결책
이더리움 L1과 롤업 L2가 데이터 가용성 문제를 해결하고 비용을 낮추는 노력 외에도, 몇몇 프로젝트들은 범용적인 데이터 가용성 솔루션을 제공하려 하고 있다.
이러한 프로젝트들은 미래의 모듈형 블록체인 구조에서 데이터 가용성 계층(DA layer)의 핵심 역할을 수행할 것으로 기대된다. 현재 주요한 사례로는 Celestia와 Polygon Avail이 있다.
Celestia
Celestia는 모듈형 블록체인으로, 데이터 가용성 계층에 특화되어 있다. Celestia의 DA 계층은 두 가지 핵심 기능을 갖추고 있다: 데이터 가용성 샘플링(DAS)과 네임스페이스 머클 트리(NMT). DAS는 경량 노드가 전체 블록을 다운로드하지 않고도 데이터 가용성을 검증할 수 있게 해주며, NMT는 Celestia 상의 실행 및 정산 계층이 자신과 관련된 트랜잭션만 다운로드할 수 있도록 해준다.
Celestia가 독립적인 데이터 가용성 계층이 되기 위해서는 세 가지 핵심 요소가 필요하다.
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롤업이 모든 트랜잭션 데이터를 Celestia에 전달한다.
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Celestia는 이 데이터를 자신의 네트워크에 게시한다.
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이더리움이 Celestia가 데이터를 저장하고 게시했으며 언제든지 접근 가능함을 확인한다.
요약하면, Celestia는 소거 부호(Erasure Code) + 사기 증명(Fraud Proof) + 경제적 제약 및 인센티브 메커니즘을 통해 범용 데이터 가용성 솔루션을 실현한다.
Polygon Avail
폴리곤은 생명력이 강한 프로젝트로, 팀의 전략 수립 및 기술 개발 능력이 뛰어나다. 폴리곤은 확장 기술 방식을 상태 채널, 플라즈마(Plasma)에서 옵티미스틱 롤업(Optimistic Rollup), zk 롤업(zk Rollup)으로 진화시켜 왔으며, 내부적으로 다양한 확장 방향을 탐색해 왔다. 지금도 Polygon Avail, Polygon Zero, Polygon Miden, Polygon zkEVM 등 여러 방향을 동시에 추진하고 있다. 폴리곤은 마치 여러 확장 솔루션을 통합하는 Layer2 어그리게이터(aggregator)와 같다.
Polygon Avail은 이더리움 확장 솔루션의 데이터 가용성 문제를 해결하기 위한 프로젝트다. 공식 웹사이트에서 Polygon Avail은 모듈형 블록체인으로 정의되며, 데이터 가용성 계층을 담당한다.
Avail은 모든 경량 클라이언트에 높은 수준의 데이터 가용성 보장을 제공할 수 있지만, 공식 문서에서는 "다른 네트워크보다 경량 클라이언트에게 더 높은 DA 보장을 제공한다고 주장하지는 않는다"고 명시하고 있다. Avail은 KZG 다항식 커밋, 소거 부호 등의 기술을 활용해 경량 클라이언트가 전체 블록을 다운로드하지 않고도 소량의 무작위 샘플을 효율적으로 채취함으로써 블록 데이터의 완전한 가용성을 입증할 수 있도록 집중하고 있다.
Celestia와 마찬가지로, Polygon Avail도 범용 데이터 가용성 솔루션이다. 다만 Celestia는 소거 부호의 정확성을 사기 증명(Fraud Proof)으로 보장하는 반면, Polygon Avail은 KZG 커밋을 사용한다. Celestia는 구현이 비교적 간단하지만, 소거 부호 및 경량 노드 샘플링 데이터 규모가 크기 때문에 통신 대역폭 요구량이 다소 높다. 반면 Avail은 암호화 구현이 상대적으로 복잡하고 난이도가 높지만, 소거 부호 규모와 경량 노드 샘플링 데이터 양이 작아 대역폭 요구가 낮다는 장점이 있다.
정리
위에서 살펴본 세 가지 방향의 솔루션은 모두 체인 상 데이터 가용성 문제를 해결하거나, L1에 데이터 저장을 위한 새로운 방식을 도입하거나, 모듈형 관점에서 블록체인을 바라보고 범용 데이터 가용성 계층을 구축하거나, L2에서 체인 외부에 데이터를 두는 저비용 데이터 가용성 방안을 설계하는 것을 목표로 한다.
필자는 이러한 솔루션들이 향후 오랜 기간 동안 공존할 것이라 생각한다.
Layer1 + Layer2 아키텍처 아래에서는 'Blob'이 'Calldata'를 대체하여 L2의 데이터 가용성을 담당하며, Validium, Volition, zkPorter는 제한된 이해관계자들 사이의 경제적 제약과 인센티브 메커니즘을 통해 L2 자체도 데이터 가용성 솔루션을 갖추도록 한다.
모듈형 블록체인 구조 아래에서는 Polygon Avail과 Celestia 같은 범용 데이터 가용성 솔루션이 비교적 더 탈중앙화된 방식으로 미래의 DA 계층을 담당할 것으로 보인다.
또한, 데이터 가용성 분야에서 더 많은 우수한 스타트업 팀들의 도전을 기대한다. 기존의 데이터 가용성 솔루션들은 선구자 역할을 하고 있지만, 필자는 여전히 이들 솔루션이 아직 흥분을 불러일으키기에 부족하다고 느낀다.
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