Chainway와 Kasar Labs의 비트코인 DA 어댑터 솔루션 심층 분석: 비트코인은 ZK 롤업이 필요할까?
작성: Namcios
번역: TechFlow
비트코인은 곧 제로지식(ZK) 롤업을 도입하게 된다. 최근 두 개의 서로 다른 프로젝트가 이를 현실화하고 있으며, 이는 비트코인이 대규모 확장을 달성하는 데 도움이 될 뿐 아니라 사용자에게 추가적인 개인정보 보호 기능도 제공할 수 있다.
체인웨이(Chainway)는 지난주 데이터 가용성(DA) 어댑터를 오픈소스로 공개했다. 이 기술은 개발자가 비트코인의 보안성과 최종성을 활용해 주권형(Sovereign) 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 사용하는 롤업을 구축할 수 있게 해준다. 소버린은 다양한 유형의 롤업을 개발하기 위한 번들 서비스를 제공하며, 체인웨이는 이를 통해 비트코인 최초의 ZK 롤업을 실현하려 한다.
카사르 랩스(Kasar Labs)와 탭루트 위저즈(Taproot Wizards)는 동시에 비트코인용 DA 어댑터를 발표했다. 이 어댑터를 통해 개발자는 마다라(Madara) 스택을 비트코인에 삽입하여 스타크웨어(StarkWare)가 개발한 카이로(Cairo) 프로그래밍 언어 기반의 스타크넷(Starknet) 롤업을 실행할 수 있다.
ZK 롤업이란 무엇인가?
롤업은 비표준 비트코인 트랜잭션(예: 특정 사이드체인의 거래)을 묶어 기반 블록체인(예: 비트코인)의 블록에 게시한다. 이를 통해 이러한 트랜잭션의 검증 비용을 크게 낮추고, 일정 수준에서 레이어-1 블록체인의 보안성을 활용할 수 있다. 이 의미에서 롤업 트랜잭션은 비트코인 상에 존재한다고 볼 수 있다. 사용자는 해당 사이드체인의 노드를 운영하여 비트코인에 게시된 데이터를 해석하고 계정 잔액을 관리하게 된다. 그러나 모든 사용자가 별도의 프로토콜 전체 노드를 운영해야 하므로 확장성이 떨어진다. 여기서 제로지식(ZK) 기술이 등장한다.
ZK 롤업은 제로지식 증명이라는 암호학적 기법을 활용하여 계산 무결성을 지키면서 개인정보를 보호한다. 증명자는 검증자에게 계산 결과의 정확성을 수학적으로 확신시키되, 그 계산에 사용된 세부 정보는 공개하지 않는다. 롤업 맥락에서 이것은 관찰자가 최종 증명만 확인하면 되기 때문에 트랜잭션의 유효성을 검증할 수 있다는 점에서 중요하다. ZK 증명을 사용하면 사용자는 비트코인에서 수학적으로 확정된 최신 상태 증명을 얻으면서도 완전한 개인정보 보호를 유지할 수 있다.
ZK 롤업의 장점으로는 사용자가 온라인일 필요 없이 결제를 받을 수 있고, 체인상 데이터만 필요 시 가져오면 되며, 유동성 관리가 필요 없고, 비트코인 기반 레이어의 저렴한 수수료에 의존하지 않아도 된다는 점이 있다. 또한 ZK 롤업을 통해 개발자는 비트코인 위에 원하는 어떤 프로그래밍 환경(예: 튜링 완전 스마트 계약)도 추가할 수 있다.
ZK 증명은 SNARK와 STARK라는 두 가지 주요 수학적 기법을 사용한다. 전자인 간결한 비대칭 지식 증명(SNARK)은 후자보다 먼저 등장했으며, Zcash 같은 암호화폐에서 사용되어 높은 수준의 개인정보 보호를 제공한다. 확장 가능한 투명 지식 증명(STARK)은 이후 개발되었으며, 기대되는 개인정보 보호 외에도 더 나은 보안성과 확장성을 제공하도록 설계되었다. 이는 SNARK가 증명 생성을 위해 신뢰할 수 있는 설정(trusted setup)에 의존하는 반면, STARK는 완전히 신뢰 없이 동작하도록 설계되었기 때문이다. 마지막으로 SNARK는 양자 컴퓨팅에 취약하지만, STARK는 양자 안전하다.
비트코인은 거의 고장 없는 역사와 깊은 리오더그аниз(reorg)에 대한 강한 저항력을 갖추고 있어, 롤업 트랜잭션이 주체체인에서 사용자가 지출하는 데 필요한 핵심 데이터를 접근해야 하는 점을 고려할 때 가장 적합한 암호화폐이다. 주체체인은 또한 롤업이 활성화되고 이용 가능하도록 보장한다.
비트코인에 ZK 롤업을 제대로 구현하고, 사용자가 롤업 간에 신뢰 가능하게 비트코인을 교환하려면 소프트포크가 필요하다. 이 소프트포크는 가장 오래된 암호화폐에 새로운 연산 코드(opcode)를 추가하여 비트코인이 자체적으로 ZK 증명을 인식하고 검증할 수 있도록 한다. 만약 이것이 실현된다면, 사용자는 단순히 비트코인 노드만 실행해도 특정 롤업이 게시한 증명을 신뢰 가능하게 검증하고, 자신의 계정 및 잔액을 확인하며, 롤업에서 자금을 인출할 수 있게 된다.
앞서 언급한 두 프로젝트는 비트코인의 합의 변경을 전제로 하지 않는다. 대신 오디널스(Ordinals) 프로토콜을 활용해 새로운 연산 코드의 필요성을 회피한다. 구체적으로 말하면, 오디널스가 도입한 '각인(envelope)' 개념을 활용하는데, 이 혁신은 개발자와 사용자가 특정 마커와 몇 가지 연산 코드를 사용해 모든 종류의 데이터를 캡슐화할 수 있게 해준다. 오디널 각인에서는 이 마커가 "ord"이다.
마커와 연산 코드는 이중 역할을 한다. 첫째, 비트코인 노드가 자신들과 무관한 정보 각인은 건너뛸 수 있음을 알려준다. 둘째, 각인을 이해하는 사용자와 애플리케이션에게는 그 안에 관심 있는 내용이 포함되어 있음을 알리는 역할을 한다. ZK 롤업의 경우, 사용자는 비트코인 블록을 스캔해 이러한 각인을 찾아 롤업의 최신 상태를 파악하고 ZK 증명으로 수학적으로 검증할 수 있다.
이제 ZK 증명에 대해 어느 정도 이해했으니 앞서 언급한 두 프로젝트로 돌아가 각각의 설계에서 독특한 점들을 살펴보자.
SOVEREIGN
소버린 SDK 자체는 세 가지 주요 목표를 가지고 있다. 첫째, 롤업과 DA 계층 간 통신을 위한 표준 인터페이스를 제공함으로써 롤업이 새로운 DA 계층에 쉽게 배포되도록 하고, 새로운 체인이 기존 롤업을 지원할 수 있도록 한다. 둘째, 코드의 비즈니스 로직을 암호적으로 검증 가능한 형태로 변환하는 암호 컴파일러와 통합한다. 셋째, 토큰, NFT, 크로스체인 브릿지 등 일반적인 블록체인 기본 요소들에 대한 기본 구현을 제공한다.
앞서 언급했듯이, 체인웨이의 DA 어댑터는 소버린 SDK를 사용해 구축한 애플리케이션이 비트코인에 더 쉽게 연결되도록 한다. 즉, 어댑터를 통해 소버린 롤업이 비트코인을 DA 계층으로 활용할 수 있게 되었는데, 이전까지는 불가능했던 일이었다. 데이터 가용성은 롤업에 매우 중요하다. 이는 메인체인 외부에서 수행된 계산을 신뢰 가능하게 검증할 수 있게 하고, 사용자가 잔액을 검증하거나 수정하고 롤업에서 자금을 인출할 수 있도록 하기 때문이다.
소버린 롤업 트랜잭션이 비트코인 블록에 포함되기 위해서는 사용자가 자신의 트랜잭션을 '정렬기(orderer)'라 불리는 역할에 전달해야 한다. 체인웨이의 DA 어댑터 설계에서 정렬기는 재단이 직접 운영하며, 사이드체인과 비트코인 사이의 연결을 구축하고 사용자의 모든 트랜잭션이 ZK 증명 형태로 비트코인에 게시되도록 보장한다.
이것은 다소 중앙집중적으로 들릴 수 있으며 실제로 그렇다. 그러나 유효성 증명 기술—즉 ZK-STARKs—이 존재하기 때문에 정렬기는 실제로 악의적인 행동을 할 수 없다. 왜냐하면 거래의 정당성은 증명을 통해 개인적으로 확인되며 누구나 검증할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 정렬기는 사용자의 자금을 횡령하거나 승인되지 않은 거래를 수행할 수 없다. 하지만 이론적으로는 사용자의 거래를 비트코인 블록에 포함하지 않고 데이터를 보유함으로써 검열할 수는 있다. 이런 경우 사용자는 스스로 해당 거래 데이터를 비트코인에 직접 게시하여 정보를 기록할 수 있다.
체인웨이는 향후 소수의 정렬기로 구성된 분산형 정렬을 계획하고 있으며, 참여는 허가 없이 가능하고 스테이킹 기반으로 운영될 것이라고 밝혔다.
STARKNET
소버린과 마찬가지로 스타크넷도 롤업 구축을 가능하게 하려는 목적을 가지고 있다. 그러나 스타크넷은 카이로(Cairo), 카이로VM(CairoVM), 마다라(Madara) 등의 명확한 구성 요소를 포함하는 더 구조화된 생태계이다.
스타크넷은 현재 이더리움에서 작동하는 ZK 롤업으로, 롤업이 비탈릭 부테린이 만든 블록체인을 데이터 가용성(DA) 계층으로 사용한다는 의미이다. 스타크넷은 STARK 증명을 활용하여 사용자에게 필요한 개인정보 보호와 보안 가정을 제공하며, Layer-1에 증명과 새 상태를 게시하기 전에 트랜잭션을 배치 처리함으로써 확장성을 높이고 거래 비용을 낮춘다. 카이로는 입증 가능한 프로그램을 작성하기 위한 튜링 완전 프로그래밍 언어로, 한쪽이 다른 쪽에게 어떤 계산이 올바르게 수행되었음을 증명할 수 있지만, 상대방이 동일한 프로그램을 다시 실행할 필요는 없다. 이는 일반적인 계산을 위한 STARK 증명을 생성하는 최초의 프로덕션 수준 플랫폼이다.
카이로 가상 머신은 컴파일러가 생성한 바이트코드를 받아 컴퓨터에서 실행한다. 실행 결과는 프로그램 추적(trace)이며, 이를 STARK 증명 생성기에 보내 카이로 코드로 표현된 명제의 유효성을 증명할 수 있다.
마다라는 스타크넷 스택의 정렬기로, 개발자가 스타크넷 기반 ZK 롤업을 지원하도록 돕는다.
지금까지 이 모든 소프트웨어 스택은 이더리움에서만 사용할 수 있었다. 이제 카사르 랩스와 탭루트 위저즈는 비트코인용 DA 어댑터를 출시하여 오픈소스 버전의 스타크넷으로 구축한 롤업을 가장 오래되고 가장 안전한 암호화폐 네트워크에 앵커링할 수 있도록 했다.
비트코인에 ZK 롤업이 필요한가?
본질적으로 비트코인은 ZK 롤업이 필요하지 않다. 현재의 상태에서도 매우 잘 작동하고 있으며, 큰 변화가 필요하다고 보는 이유는 많지 않다. 반면 확장성은 진정한 요구 사항이며, 라이트닝 네트워크와 같은 기술은 본래 비트코인 경제 거래에 참여하기 어려운 사용자들이 더 많이 참여할 수 있도록 이미 효과를 입증했다.
ZK 롤업은 비트코인을 다르게 바라보는 방법을 제공한다. 위에서 언급한 두 프로젝트는 비트코인 자체의 실제적인 변화를 요구하지 않지만, 이 기술의 전체 기능을 실현하려면 새로운 연산 코드 도입을 통한 합의 변경이 필요하다. 현재로서는 이 제로지식 기반 롤업 기술 연구가 비트코인의 가능성 한계를 확장하려는 노력이며, 이는 비트코인 사용자층을 늘리는 데 긍정적인 일이다. 마치 라이트닝 네트워크와 같다.
라이트닝 네트워크처럼 롤업도 여러 거래를 결합한 후 단일 정보를 비트코인에 게시함으로써 기능을 수행한다. 물론 ZK 롤업은 라이트닝 네트워크와 매우 다른 접근 방식을 취한다. 이는 검증된 저렴한 결제 2단계와 경쟁하려는 것이 아니다. 비트코인 사용자들이 이미 선호하는 방식이다. 오히려 롤업은 다른 문제에 초점을 맞추고 다른 해결책을 제공하려 한다.
비트코인에서 더 많은 작업을 수행하고 싶어하는 사람들에게는 개인 정보 보호가 가능하고 복잡한 계산을 수학적 증명에 의존하는 이 확장 기술이 매력적으로 들릴 수 있다. 그래도 롤업 내외부에서 완전히 신뢰 없이 비트코인을 교환하려면 해당 연산 코드가 필요하다. 하지만 어쨌든 이 아이디어는 존재한다.
현재로서는 ZK 롤업이 비트코인에서 어느 정도 관심을 얻을지 불확실하다. 비트코인에는 이미 리퀴드(Liquid)라는 사이드체인이 수년간 활동하고 있지만 거래량은 여전히 크지 않다. 리퀴드의 경우 연합 모델(federated model)이 존재하는 것이 단점일 수 있으며, 이 점에서 ZK 롤업이 더 우위에 있을 수 있다. 어쩌면 롤업도 리퀴드와 같은 운명을 겪어 낮은 거래량과 관심 속에서 비트코인 사용자들이 계속해서 단순히 "비트코인을 보유(HODL)"하는 것을 선택할지도 모른다. 또는 비트코인의 발전과 사용에 새로운 장을 열 수도 있다.
최종 결과가 성공이든 실패든, 이러한 고품질 연구를 탐구하는 것은 자연스럽고 필수적인 노력이다. 어떤 결과가 나오든 새로운 것을 배울 수 있다. 어쨌든 한 가지는 확실하다—비트코인은 계속해서 해시 연산을 수행하고 블록을 생성하며, 모든 사용자에게 단단한 화폐로서의 통화적 확정성을 제공할 것이다. 그러면서도 이러한 일들에는 전혀 신경 쓰지 않을 것이다.
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