Plasma + ZK-SNARKs: 이더리움 확장성의 새로운 접근 방식
글: dt, DODO Research; 0xNing0x, EMC Fund 고급 연구원
지난주 이더리움 창시자 비탈릭(이하 본문에서는 V신으로 약칭)이 트위터를 통해 최신 글 「EVM validium을 위한 익싯 게임: 플라즈마의 귀환」을 발표했다. 이 글은 플라즈마 확장 기술에 대한 소개에 초점을 두고 있으며, 점점 주변부로 밀려나가던 플라즈마 확장 솔루션과 ZK 제로노울지 증명 기술의 융합을 유도하려는 의도를 담고 있다. 이 글이 발표되자마자 플라즈마 기술과 관련된 많은 프로젝트들의 가격이 급등했으며, 롤업(Rollup)에 의해 대체되어 서서히 사람들 시야에서 사라져가던 이 기술이 다시 한번 이더리움 확장 경쟁 무대에 복귀하게 되었다.
이번 주 CryptoSnap에서는 DODO Research와 닝닝(@0xNing0x)이 가장 간단하고 이해하기 쉬운 방식으로 여러분께 플라즈마 기술을 소개하고, V신의 최신 글이 무엇을 말하고자 하는지 설명해 드립니다!
플라즈마란 무엇인가?
확장성 문제는 블록체인 세계의 개발자들이 오랫동안 집중적으로 연구해온 과제다. 탈중앙화된 월드 컴퓨터라는 목표를 실현하기 위해선 저렴하면서도 빠른 블록체인이 반드시 필요하다. 따라서 이더리움 메인넷을 중심으로 다양한 확장 솔루션이 등장하였으며, 그중 플라즈마는 한때 이더리움 확장 솔루션의 주류였다.
플라즈마는 쉽게 말해 이더리움 메인넷 위에 체인을 구축하는 것으로, 스마트 계약을 통해 메인넷과 플라즈마 체인 간 자금 입출금을 제어한다. 사이드체인(BNB 체인, Gnosis 체인)과 다른 점은 플라즈마 체인이 정기적으로 체인상 최종 상태를 이더리움 메인넷에 다시 전달해야 한다는 것이며, 롤업 기술과 다른 점은 플라즈마 체인이 전체 거래 데이터를 회수하지 않고 머클 트리의 루트, 즉 플라즈마 체인의 상태만을 회수한다는 것이다.
익싯 게임(Exit Game) 보안 '퇴출 게임' 메커니즘
연산이 메인넷에서 수행되지 않기 때문에 플라즈마 체인은 네트워크 전체의 확장성(Scalability)을 크게 향상시킬 수 있으며, 상대적으로 안전한 검증 메커니즘을 통해 악의적인 행위자를 예방할 수 있다. 보안성이라 하면 V신의 제목에서 언급한 ‘익싯 게임’, 즉 플라즈마 체인의 보안 ‘퇴출 게임’ 메커니즘을 언급해야 한다.
플라즈마 프레임워크 설계에서 보안성은 사용자의 퇴출 요청 메커니즘에 의해 보호된다. 사용자가 메인넷으로 돌아가거나 플라즈마 체인에 공격이 발생했다고 판단할 경우, 메인넷 상의 플라즈마 계약에 ‘퇴출’을 요청하고 이를 입증할 수 있는 근거를 제출할 수 있다. 이 요청에 대해 7일간의 도전 기간 내에 반박하는 도전자 없이 도전이 성공하지 못하면 사용자는 메인넷에서 자산을 성공적으로 회수할 수 있다. 반대로 도전이 성공하면 ‘퇴출’은 실패하며, 악의적인 사용자는 해당 벌금을 부담해야 한다.
흔히 발생하는 공격 유형은 다음과 같은 세 가지이다:
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거래 후 즉시 퇴출 (Not latest owner): 사용자가 송금 거래를 보낸 직후 도전 기간 동안 바로 자산을 인출하는 공격이다. 그러나 최신 자산 소유자는 거래의 수취인이어야 하므로 이러한 요청은 무효이며, 네트워크는 이 퇴출을 도전하여 자산이 이미 타인에게 이전되었음을 입증할 수 있다.
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이중 지불 공격(Double spend): 동일한 자산이 불법적으로 두 번 이상 사용되는 것을 의미한다. 예를 들어 앨리스가 밥에게 1개의 토큰을 보내고, 이후 같은 토큰을 찰리를 향해 다시 송금하는 경우다. 네트워크는 이 토큰이 중복 사용되었음을 감지할 수 있으므로, 이러한 불법 거래를 도전할 수 있다.
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불법 거래 기록(Invalid history): 자산 거래 기록 내에서 불법적인 상태 전환이 존재함을 의미한다. 예를 들어 소비되지 않은 출력 거래가 존재하는 경우인데, 사용자는 해당 소비 증거를 제공함으로써 이 도전에 대응할 수 있다.
플라즈마 캐시(Plasma Cash)
이어서 V신은 이 글에서 플라즈마 프레임워크를 활용한 프로젝트인 플라즈마 캐시를 소개한다. 플라즈마 캐시에서는 사용자가 예치한 각각의 토큰이 NFT로 간주되며, 각 NFT는 하나의 거래 이력을 가지며 이를 머클 트리 형태로 기록한다. 그러나 NFT는 고유하고 분할이 불가능하므로, 플라즈마 캐시의 활용 범위가 제한되어 특정 송금 용도에만 서비스될 수 있었다. 이때 UTXO 모델을 적용한 개선 버전이 등장했는데, UTXO 장부 형식을 통해 플라즈마 캐시의 NFT 전송 설계에서 발생했던 분할 불가 문제를 해결하여 재결제 영역 발전에 기여했지만, 동시에 스마트 계약과의 상호작용이 어려워졌다.
플라즈마 기술의 한계
현재 플라즈마 기술의 주요 난제는 EVM을 구현하기 어렵다는 점이다. EVM 스마트 계약 내 다수의 상태 객체는 명확한 ‘소유자(Owner)’가 없는데, 이는 플라즈마의 보안 모델과 충돌한다. 플라즈마의 퇴출 메커니즘은 모든 상태 객체가 명확한 소유자를 가져야 하며, 소유자가 해당 상태 객체의 데이터를 모니터링하고 필요시 퇴출하여 자산을 보호할 책임이 있다고 요구한다. 그러나 EVM 계약에는 Uniswap의 유동성 풀이나 MakerDAO CDP 포지션처럼 단일 소유자가 없는 상태 객체가 많다. 이런 상황에서 플라즈마 체인에 문제가 발생하면 다음 상황들이 발생할 수 있다:
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누구도 상태 퇴출을 하지 않아 상태가 영원히 플라즈마 체인에 잠겨버릴 수 있다.
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외부인이 퇴출을 시작할 수 있더라도, 익싯 게임 공격이 쉽게 발생할 수 있어 위험이 크다.
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복잡한 상태를 가진 계약은 검증이 어렵다.
플라즈마 + ZK-SNARKs
플라즈마가 현재 마주한 기술적 한계에 대해 V신은 이미 성숙된 효율성 증명(zk-SNARKs) 기술과 결합한다면 일부 난제를 효과적으로 해결할 수 있다고 답했다. 구체적으로는 다음 다섯 가지로 나눌 수 있다:
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zk-SNARKs를 이용해 메인체인 상에서 플라즈마 블록의 유효성을 증명함으로써 퇴출 메커니즘에 대한 의존도를 줄일 수 있다.
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플라즈마 체인 상 자산의 즉시 인출을 가능하게 하여 7일간의 사기 증명 도전 기간을 제거하고 체인 재조직화 문제를 완화할 수 있다.
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EVM 상태를 표현하는 병렬 UTXO 구조를 구성하고 zk-SNARKs로 그 등가성을 증명함으로써 EVM의 일부 문제를 우회할 수 있다.
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zk-SNARKs 사용은 사용자가 검증하고 저장해야 하는 상태 데이터 양을 크게 줄여 사용자 경험을 최적화할 수 있다.
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소유자를 정의하기 어려운 스마트 계약의 경우, 핵심 부분이 검증 가능한 객체로 분리될 수 있다면 여전히 부분적인 보안성을 확보할 수 있다.
이러한 방법들로도 모든 복잡한 EVM 계약을 완전히 커버할 수는 없지만, ZK 기술의 추가적인 발전과 플라즈마 설계 공간의 지속적인 탐색을 통해 보안성, 확장성, 사용자 경험 사이에서 더 나은 균형을 이루는 새로운 솔루션을 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
필자 의견
DT @19971122:
V신의 이 글을 읽기 전까지만 해도笔者는 플라즈마의 기술 구조를 잘 몰랐다. 현재의 이더리움 확장 솔루션은 거의 롤업 기술의 시대라고 할 수 있기 때문이다. 각 팀들은 앞다퉈 롤업 기반 L2 네트워크를 출시하고 있으며, 데이터 가용성(DA) 계층을 다른 네트워크에 구축하는 모듈화 아키텍처(Celestia, EigenLayer, Avail 등)도 등장했다. 그래서 이더리움 재단 연구원 댕크래드 파이스트가 트위터에서 “DA 계층으로 ETH를 사용하지 않는 모듈화 블록체인은 롤업도 아니고 이더리움 L2도 아니다”라고 말한 것처럼, 누구의 기술이 이더리움 발전의 정통성인지에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 롤업의 발전에 대한 논의가 치열하던 와중, V신의 이 글은 마치 플라즈마에 활력을 불어넣듯, 이더리움 커뮤니티에 이더리움 확장 솔루션은 롤업뿐 아니라 ZK+플라즈마라는 새로운 방향성도 선택지가 될 수 있다는 메시지를 전달한 셈이다.
筆者는 탈중앙화 세계에서 다원적 발전이 자연스러운 과정이라고 생각한다. 하지만 자본 수익성을 고려하면 모듈화·동질화된 발전이 더 경제적이기 때문에 OP Stack이나 Polygon zkEVM CDK 같은 표준화된 프레임워크 제품들이 등장하여 각 자본이 자신만의 L2 네트워크를 구축하도록 돕고 있다. 그러나 동시에 다양성의 일부를 잃게 되었다. V신의 이번 움직임은 이더리움 확장 솔루션의 발전이 균형을 잃었다고 판단하고 방향성을 제시한 것으로 볼 수 있다. 앞으로 어떤 팀이 실제로 이를 구현해낼지 주목할 만한 일이다. 필자는 장기적인 이더리움 사용자이자 지지자로서, 이더리움 확장 기술의 균형 잡힌 발전을 기쁘게 여긴다.
NingNing @0xNing0x:
플라즈마는 대부분의 데이터와 연산을 체인 외부로 이전함으로써 블록체인 확장성을 향상시키려는 솔루션이다. 2017년 처음 등장하여 플라즈마 캐시, 플라즈마 캐시플로우 등 여러 개선 버전을 거쳤다. 그러나 플라즈마는 결제 이외의 애플리케이션 확장에 있어 근본적인 한계(무주 상태 문제 및 인센티브 흐름 문제)를 가지고 있어 플라즈마 기반 L2 솔루션은 점차 주변부로 밀려났다.
한편 롤업이 L2의 주류 솔루션으로 자리 잡았다. 그 주요 장점은 설계의 간결성과 개발자 친화성이다. 그러나 zkevm 기술이 실현되고 성숙함에 따라 플라즈마는 새로운 설계 가능성을 맞이하게 되었으며, 개발자 경험의 간소화와 사용자 자산 보호에 새로운 가능성을 제공하고 있다.
비탈릭이 이번에 플라즈마 기반 L2를 다시 조명한 목적은 아마도 L2 패러다임의 다양성과 혁신의 중요성을 강조하려는 것이지, 새로운 패러다임의 플라즈마 L2 솔루션이 롤업 L2의 주류 지위를 도전하려는 것은 아닐 것이다. 현재 롤업 기반 L2 솔루션은 TVL 규모와 사용자 수에서 압도적인 선두를 달리고 있으며, 매트 효과(Matthew Effect)가 작용하면서 향후 더욱 그 위치가 강화될 전망이다.
최근 이틀 사이, Paradigm과 Blur 팀이 협력하여 새 패러다임의 L2인 Blast를 출시했는데, 이는 또 다른 탐색 경로를 보여줬다. 비록 그 아키텍처가 비탈릭의 L2에 대한 엄격한 정의에 부합하지 않지만, 시장과 커뮤니티에서 큰 성공을 거두며 신속하게 관심과 막대한 자금을 유치했다. 이는 시장과 커뮤니티가 L2 패러다임의 다양성을 열망하고 있으며, 하나 또는 두 가지의 표준 설계에만 만족하지 않는다는 것을 보여준다.
요약하자면, 플라즈마 기반 L2 솔루션은 일정한 잠재력과 혁신성을 지니고 있지만, L2의 발전은 최고의 이성을 가진 최상위 설계자가 그리는 청사진에 의존해서는 안 되며, 복잡하고 비선형적인 시장 경쟁 속에서 스스로 성장해 나가야 한다.
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Dr.DODO
