저자: 0xMlze, Salve Boccaccio & 0xMunehisa

번역: TechFlow

제2층 솔루션

이더리움 메인넷은 현재 초당 평균 12건의 트랜잭션을 처리하고 있으며, 네트워크 활동이 집중되는 피크 시간대에는 대부분의 사용자가 감당할 수 없는 수준까지 거래 비용이 상승하고 있다. 이 확장성 문제는 네트워크 내 모든 노드가 발생하는 모든 트랜잭션을 저장하고 검증해야 한다는 구조에서 기인한다.

이 문제를 해결하고 이더리움을 확장하기 위해 제2층 솔루션(L2)이 고안되었다. L2는 독립된 블록체인이며, 이더리움을 확장하면서 동시에 이더리움의 보안성을 계승한다. 본질적으로 L2는 메인체인(이더리움) 외부에서 사용자가 거래를 수행하는 별도의 블록체인이다. 각각의 제2층 솔루션은 자체적인 보안 모델과 타협점을 지닌다. 이더리움에서는 롤업(Rollups)(Arbitrum, Optimism, zkSync)이 가장 인기 있는 제2층 확장 방식이다.

롤업

롤업은 L1의 트랜잭션을 처리한 후 이를 다시 L1에 반환하는 L2 솔루션이다. 이더리움에서 표준 트랜잭션은 일반적으로 156바이트이며, 서명 부분이 데이터 밀도가 가장 높다. 따라서 롤업은 L2 실행 환경에서 여러 건의 트랜잭션을 처리한 후 하나의 트랜잭션으로 묶어 L1에 제출하여 정상적인 상태 검증을 수행한다. 다수의 트랜잭션을 하나로 묶음으로써 가스비를 절감할 수 있는데, 이는 가스비가 단일 트랜잭션이 아니라 여러 트랜잭션에 분산되기 때문이다. 그러나 모든 롤업이 동일한 것은 아니며, 다양한 유형의 롤업이 존재한다:

• 스마트 컨트랙트 롤업: 옵티미스틱 롤업(Optimistic Rollups)(Arbitrum, Optimism), 제로지식 롤업(Zero-Knowledge Rollups)(Matic의 zkEVM, zkSync, Scroll);

• 셀레스튬(Celestiums);

• 엔쉐인드 롤업(Enshrined Rollups);

• 주권 롤업(Sovereign Rollups).

스마트 컨트랙트 롤업

스마트 컨트랙트 롤업은 사용자가 자금을 L1 상의 롤업 스마트 컨트랙트로 보내면, 해당 컨트랙트가 트랜잭션과 상태 변경을 관리하는 방식이다.

롤업과 블록체인의 핵심 구성 요소 중 하나는 머클 트리(Merkle tree)이다. 머클 트리는 모든 사람의 자금 상태와 발생한 거래 정보를 저장하는 자료구조로서, L1이 전체 상태를 다운로드하지 않고도 L2 상의 상태를 검증할 수 있게 해준다. 간단히 말해, 사용자는 L2에서 상호작용 및 거래를 수행함으로써 상태를 변경하며, L2는 주기적으로 L1에 머클 루트를 전송하여 L1이 체인의 상태를 검증할 수 있도록 한다.

머클 루트를 L1에 게시하는 것 외에도, L2는 사용자가 머클 트리를 완전히 재구성할 수 있을 만큼 충분한 머클 트리 변경 데이터를 공개해야 한다. 어떤 이유로든 L2가 작동을 멈추었을 때 이러한 데이터가 제공되지 않으면, 사용자는 L2에 자금이 묶이게 된다. 따라서 L1 스마트 컨트랙트는 '비상 기능(emergency function)'을 갖추고 있어, L2가 중단될 경우 사용자가 롤업 스마트 컨트랙트로부터 자금을 인출할 수 있다.

L1은 L2가 전송한 머클 루트가 유효함을 보장하기 위한 어떤 형태의 증명이 필요하다. 이것이 두 가지 주요 스마트 컨트랙트 롤업의 차이점이다. 주로 사용되는 두 가지 증명 방식은 사기 증명(Fraud Proof)과 제로지식 증명(Zero-Knowledge Proof)이다.

옵티미스틱 롤업

Arbitrum와 Optimism 같은 옵티미스틱 롤업은 사기 증명을 사용하여 상태 최종성을 달성한다. 사기 증명의 작동 방식은 다음과 같다:

1. L2 노드가 작은 금액의 예치금과 함께 머클 루트를 L1 스마트 컨트랙트에 게시한다.

2. L1 스마트 컨트랙트는 기본적으로 L2 노드를 신뢰한다. 이것이 바로 "옵티미스틱(Optimistic)"이라는 용어의 의미인데, 즉 L1이 L2 업데이트를 낙관적으로 받아들인다는 것이다.

3. 그러나 이러한 상태 변경은 7일 동안 최종 확인되지 않는다.

4. 이 7일 동안 누구든지 제출된 머클 루트가 사기임을 입증할 수 있으며, 이 경우 업데이트가 취소되고 L2 노드는 처벌되며 예치금은 사기성 업데이트를 신고한 사람에게 돌아간다.

5. 신고자는 상태 루트 변화에 포함된 모든 거래를 검증하고, 각 거래의 서명이 유효한지를 확인함으로써 업데이트가 사기임을 입증할 수 있다. 이는 L2 노드가 머클 루트와 함께 머클 트리 재구성에 필요한 충분한 데이터를 공개했기 때문이다.

6. 만약 7일의 분쟁 기간 동안 상태 전환에 대해 이의 제기가 없으면, 업데이트는 최종 확인되어 불변으로 간주된다.

제로지식 롤업(ZK 롤업)

ZK 롤업은 제로지식 증명을 사용한다. 그 작동 방식은 다음과 같다:

1. Layer 2 노드가 L2가 거래를 올바르게 처리하고 새로운 머클 루트를 생성했다는 증명과 함께 머클 루트를 L1 스마트 컨트랙트에 게시한다.

2. 만약 Layer 2 노드가 사기성 업데이트를 게시하려 한다면, 유효한 제로지식 증명을 생성할 수 없으므로 L1 스마트 컨트랙트는 새로운 머클 루트를 수락하지 않는다.

3. 제로지식 증명이 검증되면 상태 업데이트는 즉시 완료된다.

정렬기(Sequencer)

정렬기는 L2가 거래를 수집하고 이를 이더리움 메인체인에 다시 게시하는 메커니즘이다. 현재 중심화된 상태에서 정렬기는 다음과 같이 작동한다:

1. 사용자가 L2에서 DeFi, NFT, 송수신 등 거래를 제출한다.

2. 이러한 거래들은 중심화된 정렬기에 의해 수집된다.

3. 정렬기(블록 생성기)는 이후 호출 데이터 또는 상태 차이를 순차적으로 정렬하여 단일 블록 또는 배치 트랜잭션으로 구성한다.

4. 현재 L2 정렬기는 선입선출(FIFO) 방식으로 이 거래들을 정렬한다.

5. 그 후 정렬기는 이 배치된 거래를 이더리움 메인넷에 제출하여 블록에 포함되도록 한다.

현재 상태에서 롤업의 정렬기는 중심화되어 있으며, 한 개체(Offchain Labs for Arbitrum, Optimism PBC for Optimism)에 의해 통제된다. 이러한 중심화는 롤업에 단일 실패 지점을 만들며, 정렬기 장애 시 활성 문제(및 검열 저항력 부족)를 초래할 수 있다. 만약 정렬기가 오류를 일으키면 L2가 정상적으로 작동하지 못하게 된다.

예를 들어, 6월 초 Arbitrum의 정렬기가 오류를 겪어 체인 상에서 배치가 롤백되면서 가스비 손실이 발생하였다. 짧은 시간 동안 배치 제출자가 가스를 소진하여 이더리움에 거래를 제대로 전송할 수 없었다.

L2 가스비

이제 두 주요 스마트 컨트랙트 롤업이 사용자에게 부과하는 가스비를 어떻게 산정하는지와 중심화된 정렬기에 미치는 영향을 살펴보자.

Arbitrum와 Optimism에서는 사용자가 거래를 할 때 두 가지 비용을 지불해야 한다:

1. L2 가스비/실행 비용;

2. L1 콜데이터/보안 비용.

L2 가스비/실행 비용

L2 가스비는 이더리움의 가스비와 유사하다. L2에서의 모든 거래는 가스량과 거래에 부착된 현재 가스 가격을 곱한 금액만큼의 가스비/실행 비용을 지불해야 한다.

L1 콜데이터/보안 비용

L1 콜데이터 비용은 거래를 이더리움에 다시 게시하는 데 드는 비용을 지불하기 위한 것이다. 이 비용은 정렬기 또는 배치 제출자가 이더리움에 거래를 게시하기 위해 L1 가스비를 지불해야 하기 때문에 존재한다.

정렬기 수익 모델

현재 형태에서 옵티미스틱 롤업(ORU)은 단일 중심화된 정렬기 운영을 통해 수익을 창출한다. 미래에는 ORU가 궁극적으로 탈중앙화될 것으로 예상되며, 이는 MEV(이더리움 가치 극대화)를 통한 수익이나 정렬기 운영자가 원생 토큰을 스테이킹하거나 수익을 공유하는 등의 다른 수익 흐름을 열어줄 것이다.

하지만 현재로서는 가장 단순한 형태에서, 정렬기가 ORU 사용자에게서 L2 거래 수수료(정렬기 수익)를 받으며, 사용자의 L2 거래 데이터를 이더리움 네트워크에 배치 제출하기 위한 L1 가스비(비용 1)와 정렬기 운영 비용(비용 2)을 지불한다고 생각할 수 있다.

더 깊이 들어가면 수익과 비용을 구체적인 구성 요소로 나눌 수 있다. 서로 다른 ORU(Arbitrum, Optimism 등)가 정확히 동일한 가격 산정 공식을 사용하지는 않지만, 일반적인 프레임워크를 따르고 있다:

수익 (L2 가스비)

수수료 = L1_가스가격_예측값 * (L1_콜데이터크기 + L1_버퍼) + L2_가스가격 * L2_사용가스량

비용

비용 = L1_실제가스가격 * L1_콜데이터크기 + 정렬기_운영비용

L2 요금 산정

모든 ORU에서 L2 요금은 L1 연산 규모, L1 연산 비용, L2 연산 규모 및 L2 연산 비용의 함수이다.

모든 L2 정렬기는 배치/증명을 L1 메인넷에 게시할 때 비용이 발생하므로, L2 거래를 실행할 때 메인넷 결제의 동적 비용을 사용자에게 전달하는 것이 논리적이다.

Arbitrum와 Optimism은 L2 요금 산정 방식이 다르다. 두 사이의 중요한 차이점 중 하나는 L1 연산 비용을 계산하는 방식이다. Arbitrum은 L1 연산을 가격 책정하는 오라클을 사용하며, 이는 거버넌스 투표 없이 4844 이전과 동일한 방식으로 L1 연산을 가격 책정한다는 것을 의미한다. 반면 Optimism은 Optimism 팀이 조정 가능한 동적 오버헤드(스칼라 변수)를 포함하여 L1 연산 비용을 조절할 수 있다.

Arbitrum

Arbitrum의 L2 요금 산정은 "2차원 가스비" 개념을 구현하는데, 여기서 가스 한도는 L2에서 사용한 가스량, L1에서 사용한 가스량, 예측된 L1 가스 가격의 함수이다.

여기서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다:

• L2 가스 가격이 증가하면 L2 가스 한도는 감소한다.

• L2 연산, L1 가스 가격, L1 연산이 증가하면 L2 가스 한도는 증가한다.

Optimism

Arbitrum와 마찬가지로 Optimism의 거래 수수료는 L1과 L2 연산 비용을 모두 고려한다. Optimism은 이를 L2 실행 비용과 L1 데이터/보안 비용이라고 부른다.

참고:

• dynamic_overhead 변수는 Optimism 팀이 설정하는 값으로, 정렬기가 거래 배치를 L1 네트워크에 제출할 때 발생하는 가스 비용을 충당할 수 있도록 보상받도록 보장하기 위함이다.

• 현재 이 값은 0.684로 설정되어 있어, 정렬기가 가스 비용을 보조하고 있음을 의미한다.

• 역사적으로 이 값은 주로 1 이상으로 설정되어 왔으며, 이는 정렬기가 L1 결제 가스 버퍼를 유지하기 위해 추가 요금을 부과하고 있었음을 나타낸다.

시간 경과에 따른 동적 관리 수수료 / L1 스칼라 수수료

EIP-4844

현재 옵티미스틱 롤업은 Layer-2에서의 실행 및 저장 비용은 낮지만, 데이터 가용성을 충족시키기 위해 데이터를 Layer-1에 게시하는 것은 여전히 사용자에게 비용이 많이 든다.

데이터는 calldata 오퍼코드를 사용하여 이더리움 Layer-1에 게시되며, 따라서 Arbitrum과 Optimism 모두 Zlib 및 brotli 압축 알고리즘과 같은 콜데이터 압축 알고리즘을 도입했다. 이러한 데이터 게시 비용은 매우 높으며 L2 사용자가 지불하는 거래 수수료의 80~90%를 차지한다.

그러나 2023년 10월부터 2024년 2월 사이에 기대되는 이더리움 개선 제안(EIP-4844, 프로토-덩크샤딩)이 출시될 예정이다. EIP-4844는 이더리움에 새로운 거래 유형을 추가하여 "데이터 블록(data blobs)"을 수용할 수 있게 한다. 이러한 "데이터 블록"은 기존의 콜데이터처럼 영구 저장되지 않고 약 2주 후 삭제 또는 정리된다. 이러한 데이터 블록의 크기는 메인넷 체인의 저장 부담을 줄이기 위해 충분히 작게 설계된다.

이더리움 Layer 1(L1)의 높은 거래 수수료는 L2 롤업이 배치 및 증명을 게시할 때 주요 비용 요소다. EIP-4844는 이에 큰 영향을 미쳐 L1의 비용 부담을 크게 줄이면서도 사기 증명을 제출할 수 있을 만큼 충분한 기간 동안 배치 데이터를 이용 가능하게 한다. 현재 추정에 따르면 이로 인한 비용 절감 효과는 기존 L1 배치 게시 비용 대비 10배에서 100배에 이를 것으로 예상된다.

정렬기 수익에 미치는 영향의 고급 개요

Arbitrum와 Optimism에서 예상되는 변화를 심층적으로 논의하기 전에, Arbitrum와 Optimism이 L1 연산 가격 책정 방식에서 차이가 있다는 점(앞서 설명한 L2 요금 산정 섹션 참조)을 고려해야 한다. Arbitrum은 L1 가격 책정 오라클을 사용하므로, 거버넌스 투표가 없는 한 사용자에게 100%의 비용을 전달할 가능성이 높다는 것을 알 수 있다. Optimism의 경우는 그렇지 않다. 왜냐하면 그들은 여전히 동적 오버헤드 변수를 통제하고 있기 때문이다.

아래 표는 EIP-4844 이후 가능한 결과를 보여준다.

Arbitrum

위 섹션에서 설명한 Arbitrum의 현재 재무 상태를 바탕으로, 특정 가정 하에 Arbitrum의 가치 평가가 어떻게 변할 수 있는지 살펴보았다. EIP-4844 이후 비용이 크게 감소할 것으로 예상되므로, 수익이 동일하게 유지된다면 수익성과 마진율이 증가할 것으로 기대된다.

이에 따라 다양한 가능한 결과를 보여주는 표를 작성하였으며, 여기에는 EIP-4844 비용 절감 효과(X축, 숫자가 클수록 절감 효과 큼)와 사용자에게 전달되는 절감분의 조합(Y축)이 포함된다.

우리는 EIP-4844 이후 가장 가능성 높은 조합을 음영으로 표시하였다.

절감분의 100%를 사용자에게 전달한다면, 이러한 비용 절감이 Arbitrum 상의 거래 수를 증가시킬 수 있음을 가정할 수 있다(새로운 dApp 유형, 더 많은 사용자 등).

다음과 같은 가정을 세워보자:

• 현재 PER(주가수익비) 유지;

• 비용이 10배 감소한다고 가정;

• 비용 절감으로 인해 거래 수가 증가한다고 가정.

이러한 변화가 ARB 및 OP 가격에 미치는 영향을 계산할 수 있다. 예를 들어, 거래량이 40% 증가하고 절감분의 90%만 사용자에게 전달된다면, ARB 가격은 2.10달러가 된다.

Optimism

Optimism에 대해 동일한 계산을 수행하면 다음과 같은 결과를 얻는다.

L2 토큰 이코노믹스 및 가치 평가

현재 Arbitrum와 Optimism의 유일한 가치 축적은 거버넌스에 국한된다. 즉, ARB와 OP의 유일한 기능이다. 그러나 ARB와 OP의 가치 축적은 추가로 두 가지 출처에서 올 수 있다: 거래 수수료와 MEV.

현재 상태에서 이 두 L2 솔루션은 중심화된 정렬기에 크게 의존하며, 모든 중심화된 블록 생성 및 제안의 이익은 Arbitrum 재단과 Optimism 재단으로 흘러간다. 그러나 이 두 솔루션은 이미 탈중앙화된 정렬기 메커니즘으로 나아가겠다고 약속했으며, 이는 재단이 L2 블록을 생성하고 제안하는 유일한 실체가 아님을 의미한다. L2 토큰이 가치를 축적하는 첫 번째 단계는 정렬기의 탈중앙화이며, 이는 쉽지 않지만 L2 토큰 보유자가 블록 생성 및 제안 과정을 통해 발생하는 가치에 참여할 수 있게 해준다.

정렬기의 탈중앙화는 PoS 메커니즘을 통해 이루어질 가능성이 높으며, 사용자는 원생 L2 토큰을 스테이킹하게 될 것이다. 스테이킹자가 의무를 다하지 않거나 악의적인 행동을 하면 스테이킹이 몰수될 것이다. 스테이킹자는 원생 토큰 형태로 거래 수수료 일부, MEV(후 FIFO 세계에서), 혹은 스테이킹 보상을 받을 수 있다.

탈중앙화된 정렬기의 중요성은 중심화된 정렬기가 사용자 거래를 검열하거나 과도한 임대료를 요구하거나 유해한 MEV를 추출함으로써 사용자에게 해를 끼칠 수 있기 때문이다.