zkEVM江湖：坎昆 업그레이드 직전의 이더리움 zkEVM 현황
저자: 0xRJ.eth
서론
2023년 가을~겨울에 예정된 이더리움 주요 업그레이드인 캔쿤 업그레이드(Cancun-Deneb Upgrade)는 핵심적으로 이더리움 네트워크의 확장성, 보안성 및 사용 편의성을 강화하고, 2단계(L2) 네트워크의 가스비를 크게 낮추는 것을 목표로 한다. 따라서 성공적으로 시행될 경우, 이더리움 2단계 확장(L2 Rollups) 생태계에 직접적인 호재가 될 것이며, L2 분야 전체의 폭발적 성장을 이끌 가능성이 있다.
L2 확장 경쟁에서 뛰어난 데이터 압축 능력을 지닌 제로지식 증명 확장 방식(ZK Rollups)은 이미 장기적으로 이더리움의 핵심 방안으로 여겨지고 있다. 이더리움 창시자 비탈릭(Vitalik)은 2022년 각 ZK Rollups 프로젝트들이 EVM(Ethereum Virtual Machine, 이더리움 가상 머신)과의 호환성에 따라 4가지 유형으로 분류하며, zkEVM 유형에 대한 기초 표준을 수립했다.
본 글은 위와 같은 비탈릭의 개척적 분류 체계에서 깊은 영향을 받았다. 1년간의 발전을 거쳐 해당 분야는 중대한 진전을 이루었다. 본문은 비탈릭의 통찰을 기반으로 명확한 논리와 간결한 언어로 최신 정보를 제공하고, 더 자세한 해설(기술小白 친화적)을 시도한다.
EVM이란 무엇인가?
EVM(Ethereum Virtual Machine, 이더리움 가상 머신)은 최초의 튜링 완전 블록체인 가상 머신이다. 이더리움 상의 코드 실행 환경이라 할 수 있으며, 이더리움 네트워크에 배포된 스마트 계약을 실행하기 위해 특별히 설계되었다. EVM을 통해 스마트 계약은 탈중앙화된 네트워크 상에서 자동화된 기능을 구현할 수 있다.
2015년 출시되어 지금까지 가장 오랫동안 검증된 블록체인 가상 머신인 EVM은 절대적으로 이더리움의 중요한 인프라다. 다른 블록체인을 평가할 때도 EVM과의 호환 여부는 중요한 판단 기준이 되는데, 그 이유는 EVM 호환성이 단순히 스마트 계약 실행 환경이나 이용 가능한 이더리움 도구 세트를 의미하는 것 이상이며, 막대한 네트워크 효과와 성숙하고 복잡한 생태계를 나타내기 때문이다.
다만 EVM은 설계 초기에 ZK Rollup L2가 이더리움 확장의 핵심 방안이 될 것이라고 예상하지 못했기 때문에, 제로지식 증명에 친화적이도록 설계되지 않았다. 이로 인해 제로지식 증명 친화적인 EVM(zkEVM)을 구축하는 것은 매우 어려운 일이 되었다.
zkEVM이란 무엇인가?
제로지식 증명(Zero Knowledge Proof)과 이더리움 가상 머신(EVM) 사이의 호환성 문제 해결이 어렵기 때문에 초기의 ZK Rollup은 EVM을 지원하지 않았다. 일반적으로 스마트 계약 실행 기능이 부족하거나(또는 특수한 가상 머신만 지원), 비교적 단순한 특정 시나리오—예를 들어 토큰 교환(swap) 및 결제(payment)—에 한정되었다.
이 문제를 해결하기 위해 많은 조직과 연구자들이 zkEVM(Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine) 구축에 집중했다. 말 그대로, EVM 내에서 스마트 계약의 실행 과정과 결과에 대해 제로지식 증명을 생성하는 것이다.
ZK Rollup 확장 방안의 확실성이 커지고 기술이 발전함에 따라, 다양한 zk 확장 프로젝트들은 호환성(Compatibility)과 성능(Performance, 즉 제로지식 증명 생성 시간 Proving Time) 사이에서 균형을 맞추고 선택을 하며, EVM 실행과 제로지식 증명 연산을 결합하는 다양한 방법을 개발해왔다.
다양한 유형의 zkEVM:
출처:비탈릭 블로그《The different types of ZK-EVMs》
2022년 비탈릭은 "다양한 유형의 zkEVM"에 관해 글을 발표하며 시장의 zk 확장 프로젝트들을 대략적으로 분류하고 비교했다.
다음으로 우리는 쉬운 언어와 명확한 논리를 바탕으로 zkEVM의 유형, 기술 아키텍처, 그리고 각각의 장단점을 정리해보겠다.
Type1 zkEVM: 이더리움과 완전 동등
Type2 zkEVM: EVM(이더리움 가상 머신)과 완전 호환 (과거 Type2.5 유형도 있었으나 현재는 거의 Type2와 융합됨)
Type3 zkEVM: EVM(이더리움 가상 머신)과 거의 호환
Type4 zkEVM: 고급 언어와 호환
Type1 zkEVM — 이더리움과 완전 동등
아키텍처:
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이더리움과 완전히 동일하며, 이더리움 시스템 환경의 어떤 부분도 변경할 필요가 없다.
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해시(Hashes), 상태 트리(State Trie), 트랜잭션 트리(Transaction Trie), 사전 컴파일된 계약(Precompiles), 그리고 기타 모든 합의 로직(In-consensus Logic)을 대체할 필요가 없다.
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기존 애플리케이션과 완벽한 호환을 목표로 하며, 개발자는 기존 애플리케이션을 매끄럽게 옮길 수 있다.
장점:
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모든 종류의 ZK Rollup 중에서 가장 높은 호환성을 가지는 방안이다. 따라서 개발자에게 가장 친화적인 방안이며, 모든 합의 로직과 시스템 환경이 이더리움과 완전히 동일하기 때문에 기존 코드를 수정 없이(L2에) 배포하여 실행할 수 있다.
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이더리움 자체의 확장 방향과 높은 일치성을 지니며, Type1 zkEVM에서의 탐색은 미래에 이더리움 자체에 마찰 없이 도입될 수 있어, 이더리움 L1 자체의 확장성을 더욱 높일 수 있다.
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Rollup이 기존의 방대한 이더리움 인프라(Ethereum 실행 클라이언트를 그대로 사용하여 Rollup 블록 생성 및 처리, 기존 블록 브라우저 및 블록 생성 도구 등을 L2에 매끄럽게 배포 가능)를 마찰 없이 활용할 수 있게 한다.
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현재의 이더리움처럼 이더리움 블록을 검증할 수 있으며, 보다 정확히 말하면 실행 계층(모든 트랜잭션 실행, 스마트 계약 및 계정 로직 포함, 다만 현재는 비컨 체인 합의 로직은 미포함)을 검증할 수 있다.
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앞서 언급한 바와 같이, 이더리움과 완전히 동등하다는 점의 큰 가치는 기존의 거대한 네트워크 효과와 성숙하고 복잡한 생태계를 활용할 수 있다는 점이다.
단점:
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제로지식 증명과의 통합에서 이더리움이 직면한 문제를 Type1 방식 역시 동일하게 겪는다(결국 이더리움과 동등하며, 원래 zk 기능을 위해 설계된 것이 아니기 때문).
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가장 큰 문제는 증명 생성에 소요되는 시간이 길다는 점이다. 이를 해결하기 위한 산업계의 주요 해결책은 정교한 엔지니어링을 통해 증명을 대규모 병렬화하거나, 하드웨어 최적화를 통해 속도를 높이는 것이다.
주요 프로젝트:
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이더리움 재단 PSE(Privacy and Scaling Explorations, 개인정보 보호 및 확장 탐색) 팀
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Taiko: 올해 7월 알파-4 테스트넷으로 업데이트되었으며, 2024년 초 메인넷 출시 예정. Taiko는 초기부터 탈중앙화와 호환성을 우선시했으며, 현재까지 탈중앙화된 제안자(proposer)를 실현한 유일한 ZK Rollup이다.
Type2 zkEVM — EVM(이더리움 가상 머신)과 완전 호환
아키텍처:
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EVM(이더리움 가상 머신)과 완전히 호환되지만, 이더리움과 완전히 동등하지는 않다.
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이더리움 자체의 실행 환경과 비교해 이 유형의 zkEVM은 블록 구조, 상태 트리 자료구조, 가스비 정책(제로지식 친화도에 따라 재정의), 데이터 저장 등 몇 가지 면에서 수정을 가하여, 제로지식 검증 증명 생성을 더 빠르고 저렴하게 만든다.
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목표는 대부분의 기존 애플리케이션과 가능한 한 호환되도록 하는 것이며, 소수의 앱은 일부 수정이 필요할 수 있다.
장점:
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가스비의 재정의(제로지식에 불리한 op code는 가격이 비싸고, 반대의 경우는 저렴함) 및 제로지식에 불리한 이더리움 스택 일부 삭제를 통해 Type1보다 더 빠른 검증 시간을 제공한다.
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Type2 유형은 기존의 대부분 이더리움 애플리케이션과 호환 가능하므로, 대부분의 개발자 및 사용자 입장에서는 거의 마찰을 느끼지 않는다.
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이더리움 실행 클라이언트를 그대로 사용할 수는 없지만, 일부 디버깅을 통해 기존 EVM 디버깅 도구 및 기타 개발 인프라를 지원할 수 있으므로 여전히 이더리움의 번영하는 생태계를 크게 활용할 수 있다.
단점:
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실행 환경 변경의 영향 범위는 작지만, 중장기적으로 잠재적인 개발 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어 이더리움에서 자주 사용되는 해시(Keccak)를 다른 제로지식 친화적인 해시 값(Poseidon)으로 대체하면, Keccak 해시값(역사 데이터 관련)에 의존하는 애플리케이션들(예: 크로스체인 브릿지. 대략적인 원리: 크로스체인 브릿지는 실시간 통신이 아니며, A 체인에서 어떤 행위를 하고(Burn 등), B 체인에서 상응하는 행위를 수행해야 함. 본질적으로 B 체인에서 A 체인의 역사 데이터를 증명해야 하므로 Keccak을 사용하여 역사 데이터를 증명하게 됨)이 Type2 유형 프로젝트로 이전 후 호환성 문제가 발생할 수 있다(사용 불가 또는 다른 결과 발생).
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가스비 정책 변경(op code의 제로지식 친화도에 따라 재정의하여 개발자가 제로지식에 불리한 op code 사용을 줄이도록 "유도")은 이미 이더리움에서 가스비 최적화를 완료한 계약뿐 아니라 이더리움의 가스비 최적화 도구에도 문제를 야기할 수 있다.
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Type1 zkEVM과 비교하면 증명자의 효율성을 더욱 높였지만, Type4 zkEVM과 비교하면 증명 시간이 여전히 상대적 단점이다.
주요 프로젝트:
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Scroll: 2022년 9월 프리-알파 테스트넷 출시, 2023년 2월 알파 테스트넷 출시, 2023년 8월 메인넷 출시 예정. 테스트넷 출시 당시 Type3 zkEVM에 속했으나, 현재 EVM 호환성을 점차 강화하며 Type2 zkEVM으로 전환 중이다.
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Polygon zkEVM(Polygon 팀의 ZK Rollup 방안): 2023년 3월 메인넷 베타 버전 출시. 출시 당시 Type3 zkEVM이었으나 현재 Type2 zkEVM으로 전환 중이다.
Type3 zkEVM — EVM(이더리움 가상 머신)과 거의 호환
아키텍처:
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비탈릭은 2022년 블로그 글에서 Type3 zkEVM을過渡(호환성 강화를 통해 Type2/1로 전환, 또는 호환성 감소 및 제로지식 친화도 향상을 통해 Type4로 전환)에 가깝다고 표현했다.
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EVM(이더리움 가상 머신)과 거의 호환된다. 호환성 면에서 추가적인 희생을 통해 zkEVM의 개발을 용이하게 하고, 제로지식 증명 생성 속도를 빠르게 한다.
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zkEVM에서 구현하기 어려운 기능들(예: 사전 컴파일)을 더 많이 삭제한다.
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계약 코드(contract code), 메모리(memory), 스택(stack) 처리에서 더 큰 차이를 보인다.
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대부분의 기존 애플리케이션과 호환되는 것을 목표로 한다.
장점:
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Type1 및 Type2 zkEVM에 비해 이 유형은 제로지식 친화도가 더 높으며, 제로지식 증명 연산 시간이 짧다.
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Type4 zkEVM에 비해 기존 이더리움 애플리케이션과의 호환성이 더 많다.
단점:
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Type1 및 Type2 zkEVM에 비해 호환성 부족 및 더 많은 요소의 희생이 존재하며(이더리움 개발자에게 덜 친화적임). 이것이 바로 Type3가 과도기적 성격을 가지며, 이 유형의 방안들이 대부분 호환도를 높여 Type2 zkEVM으로 전환하는 이유이다.
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Type4 zkEVM에 비해 증명 속도가 느리다.
주요 프로젝트:
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Scroll: 2022년 9월 프리-알파 테스트넷 출시, 2023년 2월 알파 테스트넷 출시, 2023년 8월 메인넷 출시 예정. 1년 전 Scroll은 이 유형에 속했으나, 현재는 이더리움 호환도를 높여 Type2 zkEVM으로 발전 중이다.
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Polygon zkEVM(Polygon 팀의 ZK Rollup 방안): 2023년 3월 메인넷 베타 버전 출시. 출시 당시 Type3 zkEVM이었으나 현재는 Type2 zkEVM으로 전환 중이다.
Type4 zkEVM — 고급 언어와 호환
아키텍처:
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이 유형은 사실상 zkVM(제로지식 증명 가상 머신, 제로지식 증명 이더리움 가상 머신이 아님)에 속한다.
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프로그래밍 언어 수준의 호환이라 이해할 수 있다. 대략적인 로직은 다음과 같다: 개발자는 이더리움에서 익숙하게 사용하는 프로그래밍 언어(Solidity 등)로 스마트 계약을 계속 작성할 수 있다. 이 유형의 프로젝트는 컴파일러를 이용해 해당 언어를 자체적으로 정의한 코드로 변환하여 컴파일한 후(예: Starkware는 Warp 컴파일러를 사용해 Solidity 코드를 Cairo 바이트코드로 변환; zkSync는 LLVM 컴파일러를 사용해 Solidity 코드를 자체 VM에서 실행 가능한 LLVM-IR 코드로 변환), 자체 정의된 환경(Starknet의 Cairo VM, zkSync의 Sync VM 등)에서 실행한다.
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목표는 저비용, 고효율, 제로지식 증명 친화성 극대화이다.
장점:
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매우 빠른 검증 시간.
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고급 언어에서 직접 컴파일하면(시간, 비용, 계산 작업량 측면에서) 비용을 크게 절감할 수 있다.
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검증자(prover)가 되는 기술적 진입 장벽을 낮춰 탈중앙화 정도를 높인다.
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이 유형의 zkEVM은 자체적으로 정의한 가상 머신을 통해계정 추상화(Account Abstraction)를 기본적으로 지원할 수 있다. EVM 동등 체인이 계정 추상화를 기본 지원할 수 없으며, ERC-4337를 통해 구현해야 하기 때문이다.
단점:
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기존의 방대한 이더리움 애플리케이션을 이 유형의 zkVM에 복제할 수 없거나, 복제 과정에서 문제가 발생할 수 있다. 예: Type4 zkVM 시스템에서의 계약 주소가 EVM의 주소와 다를 수 있음; Type4 zkEVM은 수작업으로 작성된 EVM 바이트코드를 지원하지 않음(현재 많은 애플리케이션이 가스비 절감을 위해 수작업 EVM 바이트코드를 사용); (이 유형은 컴파일러를 통해 Solidity 코드 수준에서 호환성을 달성한다고 앞서 언급함) 해당 컴파일러는 Solidity의 일부 기능을 지원하지 않는다.
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이더리움 개발자가 앱을 이 유형의 프로젝트에 배포하려면 더 복잡한 조정이 필요하다. 따라서 이전 유형의 zkEVM과 비교해 개발자 친화도가 상대적으로 낮아 생태계 발전 및 기술 반복 속도에 영향을 줄 수 있다.
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이더리움의 기존 복잡하고 번영하는 생태계 및 네트워크 효과를 활용하기가 극히 어렵다.
주요 프로젝트:
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zkSync Era(Matter Labs 팀이 구축한 ZK Rollup 방안): 2020년 6월 zkSync Lite(zkSync 1.0) 출시, 주로 간단한 결제(payment) 및 자산 교환(swap) 시나리오를 지원하며 EVM 호환 스마트 계약은 지원하지 않음; 2023년 3월 zkSync Era(zkSync 2.0) 출시, 위 아키텍처를 통해 고급 언어 수준의 호환성을 실현. zkSync의 목표는 EVM 호환이 아닌 제로지식 증명 생성 속도 향상이다.
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Starknet(Starkware 팀이 구축한 ZK Rollup 방안): 2021년 11월 메인넷 출시, 올해 7월 v0.12.0 버전으로 업데이트됨. 자체적으로 Type4 zkEVM에 속하며, EVM 호환을 목표로 하지 않는다. 하지만 현재는 Kakarot 같은 프로젝트가 있어 Starknet도 Type2.5~3 수준의 호환성을 달성하려는 시도가 있다.
비탈릭이 2022년에 제시한 다양한 zkEVM 분류 기준과 각 프로젝트의 진행 상황(2023년 8월 기준)을 종합하면 아래 그림으로 간단히 요약할 수 있다.
주요 ZK Rollup 프로젝트 분류
각 유형의 주요 zkEVM 프로젝트
주요 ZK Rollup 프로젝트 비교도
비탈릭은 글 마지막에서 이렇게 요약했다. "개인적으로 나는 시간이 지남에 따라 zkEVM의 개선과 이더리움 자체의 개선이 결합되어 이더리움이 ZK-SNARK에 더욱 친화적이 되기를 바라며, 궁극적으로 모두가 Type1 유형이 되기를 기대한다.
그러한 미래에는 여러 zkEVM 구현이 존재하게 되며, ZK Rollup(제로지식 확장)뿐만 아니라 이더리움 체인 자체의 검증에도 사용될 수 있다. 이론적으로 이더리움 L1(1단계)에 단일 표준화된 zkEVM 규격을 제정할 필요는 없으며, 서로 다른 클라이언트는 서로 다른 증명 방식을 선택할 수 있어 코드 수준의 중복성에서 계속 혜택을 얻을 수 있다.
그러나 그러한 미래를 실현하기까지는 상당한 시간이 필요하다. 동시에 이더리움(자체) 확장과 이더리움 기반 ZK Rollup의 다양한 경로에서도 많은 혁신을 목격하게 될 것이다."
동시에 강조해야 할 점은, 시장에서 주류인 zkEVM 분류 방식이 비탈릭이 2022년에 제시한 분류(본문에서 인용)라는 점이지만, 다른 분류 기준도 존재한다는 점이다. 또한 어떻게 분류하든, 이러한 zkEVM 유형들 사이에 절대적인 우열은 없다. 단지 호환성과 속도 사이의 선택일 뿐이다: Type1 zkEVM은 이더리움과의 호환성이 가장 높지만 증명 속도는 느리다(ZK Rollup 분야 내에서); Type4 zkEVM은 이더리움과의 호환성이 낮지만 검증 속도는 빠르다.
물론 zkEVM의 호환성과 속도는 개발자가 어느 ZK Rollup을 기반으로 앱을 배포할지를 결정하는 유일한 지표는 아니다. 그들의 선택에 영향을 미치는 다른 요소들도 많다. 예를 들어:
L2 트랜잭션 정렬의 탈중앙화 정도: sequencer/proposer가 탈중앙화되어 있는지 여부는 생태 참여자의 복잡도 및 전체 네트워크 보안에 직접적인 영향을 준다;
비용: 어떤 토큰으로 비용을 지불하는지, 공용 블록체인의 토큰 경제 모델은 어떠한지;
증명 생성 규칙: prover에 대한 인센티브 메커니즘, 증명 생성 속도를 높이는 하드웨어 기준;
자체 관리(self-custody): L2에서 사고 발생 시 L1에서 사용자 자산을 복구할 수 있는 명확한 메커니즘이 있는지;
데이터 가용성:
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