Cobo Ventures: 오프체인 확장성 심층 분석

2022.11.25

Cobo Ventures: 오프체인 확장성 심층 분석

중앙화와 보안을 유지하면서 블록체인의 처리량과 거래 속도를 향상시키는 방법은 무엇인가?

2022.11.25 - 05:38:52

扩容

Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰

중앙화와 보안을 유지하면서 블록체인의 처리량과 거래 속도를 향상시키는 방법은 무엇인가?

저자(이름 순서): Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. 확장성의 필요성

블록체인의 미래는 탈중앙화, 보안성, 확장성을 포함하는 광대한 비전이다. 그러나 일반적으로 블록체인은 이 세 가지 요구 조건 중 두 가지만 달성할 수 있으며, 이 세 가지를 동시에 만족시키는 것을 '블록체인의 불가능 삼각형 문제'라고 한다(아래 그림 참조).

오랜 시간 동안 사람들은 이 난제를 해결하기 위한 방법을 탐구해왔다. 즉, 탈중앙화와 보안성을 유지하면서 블록체인의 처리량과 거래 속도를 향상시키는 확장성 문제를 해결하는 것이 현재 블록체인 발전 과정에서 논의되는 핵심 주제 중 하나다.

먼저 블록체인의 탈중앙화, 보안성, 확장성을 대략적으로 정의해보자:

탈중앙화: 누구나 노드로 참여하여 블록체인 시스템의 생성과 검증에 참여할 수 있다. 노드 수가 많을수록 탈중앙화 정도가 높아지며, 소수의 대규모 중심화된 참여자들이 네트워크를 장악하는 것을 방지할 수 있다.
보안성: 블록체인 시스템을 장악하기 위해 지불해야 하는 비용이 클수록 보안성이 높으며, 이는 체인이 다수의 참여자가 공격하더라도 이를 저지할 수 있음을 의미한다.
확장성: 블록체인이 대량의 거래를 처리할 수 있는 능력.

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

비트코인 네트워크의 최초 주요 하드포크는 확장성 문제에서 비롯되었다. 비트코인 사용자 수와 거래량이 증가함에 따라 각 블록 크기가 1MB로 제한된 비트코인 네트워크는 점점 혼잡해졌다. 2015년부터 비트코인 커뮤니티 내에서는 확장 문제를 두고 의견 차이가 발생했다. 한쪽은 Bitcoin ABC를 중심으로 블록 크기를 확장하는 확장파였고, 다른 쪽은 Bitcoin Core를 중심으로 격리 위트니스(Segwit) 방식을 통해 메인체인 구조를 최적화하려는 소규모 블록파였다. 2017년 8월 1일, Bitcoin ABC는 자체적으로 개발한 8MB 클라이언트 시스템을 운영하게 되었고, 이로 인해 비트코인 역사상 최초의 주요 하드포크가 발생했으며, 동시에 새로운 암호화폐 BCH가 탄생했다.

마찬가지로, 이더리움 네트워크도 네트워크의 보안성과 탈중앙화를 보장하기 위해 일부 확장성을 희생하고 있다. 이더리움 네트워크는 비트코인처럼 블록 크기를 제한하지 않고, 대신 단일 블록이 수용할 수 있는 가스비(Gas Fee) 상한선을 설정함으로써 목적을 달성한다. 그러나 이러한 조치 역시 트러스트리스 컨센서스(Trustless Consensus)를 실현하고 노드의 광범위한 분산을 보장하기 위한 것이다(상한선을 해제하거나 올리는 것은 대역폭, 저장공간, 계산량이 부족한 소규모 노드들을 대부분 도태시킬 것이다).

2017년의 CryptoKitties, DeFi 여름, 그리고 이후 GameFi와 NFT 등 다양한 온체인 애플리케이션의 등장으로 시장의 처리량 수요는 계속해서 증가했다. 하지만 튜링 완결성(Turing-complete)을 갖춘 이더리움이라 할지라도 초당 15~45건의 거래(TPS)만 처리할 수 있는데, 이는 거래 비용이 계속 증가하고 정산 시간이 길어지는 결과를 낳았다. 대부분의 DApp은 운영 비용을 감당하기 어려웠으며, 전체 네트워크는 느리고 비싸게 느껴졌다. 따라서 블록체인의 확장성 문제는 반드시 해결되어야 한다. 이상적인 확장 솔루션은 탈중앙화와 보안성을 희생하지 않으면서도 블록체인 네트워크의 거래 속도(짧은 finality time)와 거래 처리량(높은 TPS)을 가능한 한 높이는 것이다.

2. 확장 솔루션의 종류

우리는 "레이어 1 메인넷(Layer 1 mainnet)을 변경하는지 여부"를 기준으로 확장 솔루션을 온체인(on-chain)과 오프체인(off-chain) 확장으로 나눈다.

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

2.1 온체인 확장

핵심 개념: 레이어 1 메인넷 프로토콜을 변경함으로써 확장을 달성하는 솔루션으로, 현재의 주요 방안은 샤딩(sharding)이다.

온체인 확장에는 여러 가지 방안이 있으며, 본 문서에서는 간략히 두 가지를 소개한다:

첫 번째 방안은 블록 공간 확대로, 각 블록이 포함하는 거래 수를 늘리는 것이다. 그러나 이 경우 고성능 노드 장비에 대한 요구가 높아지고, 노드 참여 문턱이 높아져 탈중앙화 수준이 낮아진다.
두 번째 방안은 샤딩으로, 블록체인 원장을 여러 부분으로 나누고 모든 노드가 모든 거래를 기록하는 대신, 서로 다른 샤딩(즉, 서로 다른 노드들)이 서로 다른 거래를 책임지도록 병렬 처리를 통해 여러 거래를 동시에 처리한다. 이렇게 하면 노드의 계산 부담과 참여 문턱이 줄어들고, 거래 처리 속도와 탈중앙화 수준이 향상된다. 그러나 이는 전체 네트워크의 컴퓨팅 파워가 분산됨을 의미하며, 전체 네트워크의 보안성이 낮아질 수 있다.

레이어 1 메인넷 프로토콜 코드를 변경하면 예측할 수 없는 부작용이 생길 수 있다. 기본 계층의 미세한 보안 취약점이라도 전체 네트워크의 보안을 심각하게 위협할 수 있으며, 네트워크가 포크되거나 중단되고 업그레이드를 강제로 해야 할 수도 있다. 예를 들어, 2018년 Zcash의 인플레이션 취약점 사건이 있다. Zcash의 코드는 비트코인 0.11.2 버전을 기반으로 수정된 것이었는데, 2018년 한 엔지니어가 해당 코드베이스에 치명적인 취약점, 즉 무한 토큰 발행이 가능하다는 사실을 발견했다. 이에 팀은 8개월 동안 비밀리에 패치 작업을 진행한 후, 취약점을 공개했다.

2.2 오프체인 확장

핵심 개념: 기존의 레이어 1 메인넷 프로토콜을 변경하지 않는 확장 솔루션.

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

오프체인 확장 솔루션은 다시 레이어 2(Layer 2)와 기타 솔루션으로 세분화할 수 있다:

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

참고: 표의 용어 정의는 이더리움 공식 웹사이트에서 발췌하였으며, 내용은 Cobo Ventures가 요약 정리한 것이다.

아래에서는 주요 오프체인 확장 솔루션들의 발전 시간표, 기술 원리, 장단점 및 응용 비교 등을 중심으로 소개하겠다.

3. 오프체인 확장 솔루션

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

3.1 상태 채널 (State Channels)

3.1.1 개요

상태 채널은 채널이 열릴 때, 닫힐 때 또는 분쟁 해결 시에만 사용자가 메인넷과 상호작용하며, 사용자 간의 상호작용은 오프체인에서 수행하여 사용자의 거래 시간과 비용을 줄이고 무제한의 거래 횟수를 가능하게 한다.

상태 채널은 간단한 P2P 프로토콜로, '턴제 게임'에 적합하다. 예를 들어, 두 사람이 국제 체스 경기를 할 때 각 채널은 메인넷에서 실행되는 다중 서명 스마트 계약에 의해 관리되며, 이 계약은 채널에 입금된 자산을 제어하고, 상태 업데이트를 검증하며, 참여자 간의 분쟁을 중재한다(서명 및 타임스탬프가 있는 사기 증거에 근거). 사용자는 블록체인 네트워크에 계약을 배포한 후 자금을 입금하고 잠급니다. 양측이 서명을 확인하면 채널이 공식적으로 개설됩니다. 채널은 참여자 간에 무제한의 무료 오프체인 거래(송금 잔액이 입금한 토큰 총액을 초과하지 않는 한)를 허용합니다. 참여자들은 교대로 상태 업데이트를 상대방에게 보내고, 상대방의 서명 확인을 기다립니다. 상대방이 서명을 확인하면 이 상태 업데이트는 완료된 것으로 간주됩니다. 정상적인 경우, 양측이 동의한 상태 업데이트는 메인넷에 업로드되지 않으며, 분쟁이 발생하거나 채널을 닫을 때만 메인넷이 확인을 의지합니다. 채널을 닫을 필요가 있을 때, 어느 한 참여자라도 메인넷에서 거래 요청을 제출할 수 있습니다. 만약 종료 요청이 모두의 일관된 서명 승인을 받으면, 체인 상에서 즉시 실행되며, 스마트 계약은 채널 최종 상태에 따라 각 참여자의 잔액에 따라 잠긴 자금을 분배합니다. 만약 다른 참여자들이 서명 승인을 하지 않으면, 모두는 '도전 기간(challenge period)'이 끝날 때까지 기다려야 남은 자금을 받을 수 있습니다.

따라서 상태 채널 솔루션은 메인넷의 계산량을 크게 줄이고 거래 속도를 향상시키며 거래 비용을 낮출 수 있다.

3.1.2 시간표

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

위의 시간표는 상태 채널의 발전과 진화의 주요 이정표를 보여준다.

2015/02, Joseph Poon과 Thaddeus Dryja가 라이트닝 네트워크 백서 초안을 발표.
2015/11, Jeff Coleman이 최초로 상태 채널(State Channel) 개념을 체계적으로 정리하며, 비트코인의 결제 채널(Payment Channel)은 상태 채널 개념의 하위 사례라고 주장.
2016/01, Joseph Poon과 Thaddeus Dryja가 공식 백서《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》를 발표하며, 비트코인 네트워크의 결제를 처리하는 데에만 사용되는 Payment Channel(결제 채널)이라는 확장 솔루션을 제안.
2017/11, Payment Channel 프레임워크 하에서 최초의 상태 채널 설계 규격인 Sprites가 제안됨.
2018/06, Counterfactual이 상태 채널과 관련된 첫 번째 완전한 일반화된 상태 채널(Generalized State Channels) 디자인을 제안.
2018/10, '상태 채널 네트워크(State Channel Networks)'와 '가상 채널(Virtual Channels)' 개념을 제안한 논문 게시.
2019/02, 상태 채널 개념이 N-Party Channels로 확장되었으며, Nitro는 이를 기반으로 한 첫 번째 프로토콜.
2019/10, Pisa는 모든 참여자가 지속적으로 온라인에 있어야 하는 문제를 해결하기 위해 Watchtowers 개념을 확장.
2020/03, Hydra가 Fast Isomorphic Channels를 제안.

3.1.3 기술 원리

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

출처: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.

그림 1은 전통적인 온체인 작업 흐름을 보여줍니다. 앨리스와 밥은 메인넷에 배포된 스마트 계약과 상호 작용하며, 사용자는 체인에 거래를 보내 스마트 계약의 상태를 변경합니다. 단점은 앞서 언급한 시간과 비용 문제가 발생한다는 것입니다.

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

출처: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.

그림 2는 대부분의 상태 채널 프로토콜이 따르는 일반적인 작업 흐름을 보여줍니다. 낙관적인 상황에서 앨리스와 밥은 이전과 같은 작업을 수행해야 하지만 이번에는 상태 채널을 사용하며, 체인 상의 계약과의 상호 작용을 피합니다.

첫 번째 단계, 앨리스와 밥은 개인 EOA에서 자금을 체인 상의 계약 주소로 입금하여(상호 작용 1, 2), 이 자금은 채널이 닫힐 때까지 계약에 묶이며 사용자에게 잔액을 반환합니다. 양측이 서명을 확인한 후, 두 사람 사이의 상태 채널이 공식적으로 개설됩니다.

두 번째 단계, 앨리스와 밥은理论上 theoretically 채널을 통해 무제한의 오프체인 거래(파란색 점선)를 수행할 수 있으며, 참여자들은 암호화된 서명 메시지를 통해 서로 통신합니다(블록체인 네트워크와 통신하는 것이 아님). 각 거래마다 양측 사용자 모두 서명을 해야 하며, 이중 지출 등의 악의적인 행위를 방지합니다. 이러한 메시지를 통해 그들은 자신의 계정 상태 업데이트를 제안하고 상대방의 제안을 수락합니다.

세 번째 단계, 앨리스가 밥과의 거래를 종료하고 채널을 닫고자 할 경우, 앨리스는 자신의 계정 최종 상태를 계약에 제출해야 합니다(상호 작용 3). 밥이 서명을 승인하면 계약은 최종 상태에 따라 잠겨있는 자금을 해당 사용자들에게 분배합니다(상호 작용 4, 5). 만약 밥이 서명을 응답하지 않으면, 계약은 도전 기간이 끝난 후에야 잠겨있는 자금을 해당 사용자들에게 반환합니다.

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

출처: L. D. Negka and G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.

그림 3은 비관적인 상황에서 상태 채널의 작동 흐름을 보여줍니다. 처음에 두 참여자는 자금을 입금합니다(상호 작용 1, 2), 그 후 상태 업데이트를 교환하기 시작합니다(파란색 점선).

어떤 시점에서 밥이 자신의 차례에 앨리스가 보낸 상태 업데이트 서명에 응답하지 않는다고 가정해보겠습니다(상호 작용 3). 이때 앨리스는 자신의 마지막 유효 상태를 계약에 제출함으로써 도전을 시작할 수 있습니다(상호 작용 4). 이 유효 상태에는 밥의 이전 서명이 포함되어 있으므로, 마지막 거래가 밥의 승인을 받았다는 것을 증명하고, 최종 상태가 밥의 확인을 받았음을 나타냅니다.

그 후 계약은 밥이 다음 상태를 계약에 제출하여 일정 기간 내에 응답할 수 있도록 허용합니다. 만약 밥이 응답하면, 두 사람은 상태 채널 내에서 계속 거래할 수 있습니다. 만약 밥이 해당 기간 내에 응답하지 않으면, 계약은 자동으로 상태 채널을 닫고 자금을 앨리스에게 반환합니다(상호 작용 5).

3.1.4 장단점

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

3.1.5 응용

비트코인 라이트닝 네트워크

개요:

라이트닝 네트워크는 비트코인 네트워크의 마이크로 결제 채널로서, 전체 기술 발전은 다음과 같다: 2/2 멀티서명으로 단방향 결제 채널을 구성하고, RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract)를 추가하면 양방향 결제 채널을 만들 수 있으며, HTLC(Hash Time Lock Contract)를 추가하면 결제 채널을 연결하여 다자간 결제를 가능하게 하고, 최종적으로 결제 네트워크인 라이트닝 네트워크를 구성한다. 오프체인 마이크로 결제 채널을 통해 중계자를 활용한 거래 네트워크를 형성함으로써 비트코인 네트워크의 확장 문제를 해결할 수 있다. 라이트닝 네트워크의 전체 사용은 "입금(채널 개설) → 라이트닝 네트워크 거래(채널 상태 업데이트) → 환불/정산(채널 종료)"의 흐름을 따른다. 이론적으로 라이트닝 네트워크는 초당 백만 건의 거래를 처리할 수 있다.

시간표:

2015년 2월, Joseph Poon과 Thaddeus Dryja가 라이트닝 네트워크 백서 초안을 발표;
2016년 1월, 정식 백서를 발표하고 Lightning Labs를 설립;
2018년 3월 15일, Lightning Labs가 라이트닝 네트워크 최초의 메인넷 버전인 Lightning Network Daemon(LND) 0.4 버전을 출시.
2021년 초, 라이트닝 네트워크의 공개 용량(TVL)은 약 4천만 달러에 불과했으며, 약 10만 명의 사용자가 라이트닝 네트워크를 사용하고 있었다.
2021년 6월, 엘살바도르는 비트코인을 법정 통화로 채택한다고 발표했으며, 9월에는 라이트닝 네트워크 기반의 지갑 Chivo를 출시.
2022년, Cash App과 OKX, Kraken, Bitfinex를 포함한 26개의 암호화폐 거래 플랫폼이 라이트닝 네트워크를 지원한다고 발표하며, 즉시적이며 저렴한 BTC 입출금 및 송금 기능을 제공.
2022년 10월, Lightning Labs는 Taproot 기반의 새로운 프로토콜인 Taro 프로토콜(alpha 버전)을 발표했으며, 현재 테스트넷에서 테스트 중이다. 앞으로 비트코인 네트워크에서 자산을 발행, 송수신하고, 라이트닝 네트워크를 통해 즉시, 대용량, 저비용의 거래를 수행할 수 있게 될 것이다.
2022년 11월 23일, 1ml.com에 따르면, 라이트닝 네트워크는 총 76,236개의 결제 채널을 보유하고 있으며, 채널 자금은 5049 BTC($81.8M)이다.

생태계 발전:

Cobo Ventures : 오프체인 확장 심층 분석

출처

위의 그림에서 알 수 있듯이, BTC 라이트닝 네트워크 생태계는 아래에서 위로依次依次依次依次依次依次依次依次依次依次依次BTC 네트워크—핵심 인프라—다양한 Dapp으로 구성되어 있다.

핵심 인프라는 다음과 같습니다:

라이트닝 네트워크 솔루션: 개인 및 기업이 라이트닝 네트워크에 접속하고 실행할 수 있는 소프트웨어 프로그램으로, 시장 점유율이 가장 큰 것은 라이트닝 연구소인 Lightning Labs입니다.
노드 및 유동성 서비스: 사용자가 독립적으로 노드를 운영하는 것은 복잡하므로, 사용자에게 친숙한 인터페이스를 제공하여 라이트닝 결제 채널을 관리할 수 있도록 해야 한다.

핵심 인프라 위에는 다양한 결제 및 금융 서비스 및 애플리케이션이 존재한다. 예를 들어, Strike는 LND 솔루션을 기반으로 하며, 사용자가 BTC를 매매하고, Twitter에서 BTC로 창작자에게 팁을 주거나, Shopify 상인들이 BTC를 수락할 수 있도록 한다.

2022년 11월 기준, 비트코인 라이트닝 네트워크 기반의 Dapp은 20개 이상의 카테고리와 100개 이상의 애플리케이션으로 증가했다. 주요 응용 분야로는 비트코인 라이트닝 네트워크 결제, 지갑, 노드 관리, 브라우저 확장 프로그램, 팟캐스트 및 스트리밍 등이 있다. 현재 노드 인프라와 관련된 기술 기반층은 이미 기본적으로 성숙했으며, 지갑 지원이 증가하고, 금융 서비스와 결제 통합이 계속 증가하며, 더 많은 오락 애플리케이션이 라이트닝 네트워크에 구축되고 있어 라이트닝 네트워크 생태계는 번영하고 있다.