Solana 합의 메커니즘 분석: 위임지분증명과 역사증명
작성: Cookies Research
번역: Block unicorn
블록체인의 합의 메커니즘은 거래의 유효성을 검증하고 정확한 순서로 블록체인에 추가하는 역할을 담당한다. 선택된 합의 메커니즘에 따라 검증과 정렬 과정의 효율성이 달라지며, 이는 다양한 수준의 처리량(스루풋)으로 이어진다. 블록체인 분야에서 솔라나(Solana)는 고성능 체인으로 알려져 있으며, 400밀리초의 블록 시간과 초당 평균 2,000~3,000건의 거래 처리 능력(TPS)을 갖추고 있으며, 이론상 최대 TPS는 65,000에 달한다(참고로 이더리움의 TPS는 약 12 정도임).
본 문서는 솔라나의 높은 처리량에 기여하는 두 가지 핵심 아키텍처, 즉 위임지분증명(DPoS) 합의 메커니즘과 증거로서의 역사(PoH, Proof of History) 메커니즘을 조명하고자 한다.
1. 전통적인 합의 메커니즘
우리는 먼저 블록체인의 주요 병목 현상 중 하나인 확장성 문제를 이해하는 것으로 시작하자.
분산형 블록체인 네트워크 내 각 노드는 자체 내부 시계를 가지고 있으며, 이 로컬 시스템 시계에 따라 작동한다. 거래가 발생하면 노드는 해당 로컬 시계 기준으로 거래에 타임스탬프를 부여한다.
아래 이미지는 노드 내부 시계를 보여준다:
최종적으로 거래의 승인 또는 거부 여부도 이 로컬 시스템 시계에 따라 결정된다. 전통적인 합의 메커니즘(예: 작업증명 PoW 및 지분증명 PoS)에서는 모든 노드들이 서로 통신하여 각자의 로컬 시계를 조정함으로써 거래 처리 시 일관된 시간 개념을 공유해야 한다. 노드 간의 이러한 소통은 공통의 시간 기준을 마련하여 전체 네트워크가 동일한 시간 인식을 할 수 있도록 하며, 이를 통해 거래의 순서와 승인을 조율한다.
전 세계 수천 개의 노드로 구성된 분산 블록체인의 경우, 각 노드의 로컬 시스템 시계는 불가피하게 차이를 보이며, 이로 인해 동일한 거래에 대해 서로 다른 타임스탬프가 생성될 수 있다. 노드들이 어떤 거래들이 발생했으며 그 순서가 어떻게 되는지에 대해 합의를 도출해야 할 때, 이는 문제가 된다.이를 타임스탬프 동기화 문제라고 하는데, 네트워크가 노드 수를 늘려 탈중앙화를 강화할수록 이 문제는 더욱 심각하고 복잡해진다.
결국 이는 악의적인 공격에 대한 가능성을 열어준다. 시간 차이를 이용해 악의 행위자가 진짜처럼 보이는 가짜 거래를 방송하여 네트워크를 장악하려 시도할 수 있다. 거래 조작을 방지하기 위해 타임스탬프의 정확성을 검증하는 데 많은 시간과 처리 능력이 소모되며, 이는 블록 확인 지연이나 심지어 블록 거부(노드들이 서로 다른 타임스탬프 때문에 블록을 무효로 판단하여 반대 투표할 수 있음)를 유발할 수 있다.
2. 증거로서의 역사(PoH)란 무엇인가?
솔라나에서 증거로서의 역사(PoH)는 거래들이 올바른 순서로 배열되었음을 입증하며, 네트워크의 검증자들이 이를 쉽게 검증할 수 있도록 한다.
첫 번째 섹션에서 언급한 바와 같이 각 노드가 독립적인 시계를 갖는 상황과 반대로, PoH는 모든 노드가 사용하는 글로벌 시계로 간주할 수 있으며, 이를 통해 두 사건 사이의 시간 경과를 검증한다. 이 글로벌 시계를 통해 노드들은 동일한 거래 기록을 확인하며, 거래 순서에 대한 의견 충돌을 배제할 수 있다. 이로 인해 신속하게 합의에 도달할 수 있으며, 거래가 검증되어 블록체인에 추가되기까지의 시간이 크게 단축된다.
PoH는 암호화 방법을 활용하여 연속적이고 시간순으로 정렬된 거래 기록을 생성한다. 이제 그 기술적 원리를 자세히 살펴보자.
3. PoH 기술 심층 분석
모든 거래는 SHA-256으로 처리되며, 이는 임의의 입력을 받아 고유하고 예측 불가능한 출력을 생성하는 것으로 잘 알려진 암호학적 해시 함수이다. 거래가 해시되면 그 출력값이 다음 거래 해시의 입력값으로 사용된다. 이 과정을 통해 해시 출력값 내에 거래의 내재된 순서가 형성되며, 길고 연속적인 체인이 만들어진다.
PoH(증거로서의 역사)는 검증 가능한 지연 함수(VDF, Verifiable Delay Function)를 활용하여 블록체인 내 시간 경과의 검증 중요성을 강화한다. VDF는 이전 해시 결과뿐만 아니라 경과 시간 정보도 포함하는 계산 집약적인 함수이다. 이 메커니즘을 통해 솔라나는 암호학적으로 실제 시간이 경과했음을 입증할 수 있으며, 연속적인 출력값을 생성한다. 따라서 명확하고 검증 가능한 거래 순서가 존재하게 되어 일관된 사건의 시간 축이 보장된다. 검증자들은 이를 통해 경과된 시간을 쉽게 확인할 수 있으며, 네트워크의 신뢰성이 더욱 강화된다.
솔라나에서 PoH(증거로서의 역사)를 사용하면 해시 체인의 일부를 조작하려면 이후 모든 해시 값을 다시 계산해야 하므로, 매우 많은 계산 노력이 필요하며, 이는 네트워크를 변조로부터 보호하는 강력한 보안 및 무결성 계층을 제공한다.
PoH(증거로서의 역사)는 검증자가 각 블록을 처리할 때 필요한 정보량을 크게 줄여준다. 최신 거래 상태의 해시 버전을 사용함으로써 블록 승인 시간이 극도로 단축된다. 검증자(또는 복제 노드)가 블록을 수신하면, PoH 시퀀스는 암호학적으로 신뢰할 수 있는 거래 순서를 제공하며, 검증자는 이를 재검증하지 않고도 신뢰할 수 있다. 이러한 효율성은 합의 메커니즘을 가속화하는 데 매우 중요하며, 네트워크가 신속하게 다음 검증자를 선정하고 블록 검증을 진행할 수 있게 한다.
4. 위임지분증명(DPoS)
PoH에 대한 이해를 바탕으로, 이번 섹션에서는 PoH가 솔라나의 합의 메커니즘(DPoS)에서 어떻게 활용되는지를 설명하겠다.
DPoS에서 $SOL을 스테이킹한 각 검증자는 네트워크 거버넌스에 참여할 수 있으며, 블록의 유효성에 투표하고 블록체인에 추가할지 결정할 수 있다. 직접 지분증명 과정에 참여하고 싶지 않은 $SOL 보유자들(당신과 나를 포함)은 자신의 토큰을 다른 검증자에게 위임할 수 있으며, 이는 사실상 그들을 위임자(delegator)로 만든다. 이 위임 과정을 통해 위임자의 투표권($SOL 보유량에 비례)이 해당 검증자들에게 할당된다. 스테이킹한 $SOL에 대한 보상으로 위임자는 블록 보상의 일부를 받게 된다.
DPoS 시스템의 운영 원칙은 더 큰 지분을 가진 노드일수록 거래를 검증하고 블록체인에 추가할 가능성이 높다는 것이다. 블록 보상을 받을 수 있는 기회는 노드들이 높은 수준의 성능과 무결성을 유지하도록 유도한다.
이제 DPoS와 PoH 모두를 이해했으므로, 이 두 요소를 결합하여 솔라나에서 일반적인 블록 승인 과정이 어떻게 이루어지는지 개괄적으로 살펴보자.
5. 솔라나 합의 메커니즘 개요
1. 리더 노드 선정: 리더 노드는 PoH 시퀀스(거래 순서를 정하는 증거로서의 역사)를 생성하고 블록을 만드는 책임을 맡는다.
이 선정 과정은 노드의 지분 가중치(stake weight)를 기반으로 하며, 이 가중치는 토큰 보유자들의 위임을 통해 증가한다. 리더 역할은 검증자들 사이에서 순환한다.
2. 거래 타임스탬프 부여: 리더 노드는 거래를 수신하고 PoH를 사용하여 타임스탬프를 부여함으로써 거래 순서를 형성한다.
3. 블록 생성: PoH로부터 얻은 시퀀스를 기반으로 리더 노드는 블록을 생성하기 시작한다.
4. 블록 전파: 새로 생성된 블록은 복제 노드(분산 네트워크 내 다른 검증자들)로 전송된다.
5. 거래 유효성 검증: 복제 노드는 다음 두 구성 요소를 검증한다:
a. 거래 순서: PoH 시퀀스를 사용하여 거래들이 올바른 순서로 배열되었는지 검증한다. 이는 글로벌 시계이기 때문에 노드 간 왕복 통신 없이도 검증이 가능하다(PoW, PoS 등 일반적인 합의 메커니즘과 다름).
b. 거래 유효성: 거래가 네트워크 규칙을 준수하고 유효한지 확인한다.
6. 블록 최종화: 거래 순서와 유효성이 검증되면, 해당 블록은 블록체인에 추가된다. 이후 다음 리더 노드가 선정되고 전체 과정이 반복된다.
결론
솔라나는 지속적으로 블록체인 아키텍처를 개선해 오고 있으며, 최근에는 QUIC, 지분 가중 QoS, 지역화된 수수료 시장 등의 발전이 있었다. 또한 생태계는 파이어댄서(Firedancer) 출시를 통해 효율성이 크게 향상될 것으로 기대하고 있다. 주목할 점은 솔라나만의 독특한 아키텍처—OPOS(솔라나 전용)—가 새로운 사용 사례를 창출할 수 있다는 것이다.
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