Metis 기술적 강점 심층 분석, 탈중앙화의 새로운 장 열다

2024.05.07

Metis 기술적 강점 심층 분석, 탈중앙화의 새로운 장 열다

Metis는 zkMIPS와 탈중앙화된 시퀀서를 출시하여 L2 생태계의 활발한 발전을 촉진하고 있다.

2024.05.07 - 14:24:27

Metis

Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰

Metis는 zkMIPS와 탈중앙화된 시퀀서를 출시하여 L2 생태계의 활발한 발전을 촉진하고 있다.

글: Biteye 핵심 기여자 Wilson Lee

편집: Biteye 핵심 기여자 Crush

01 배경 소개

4월 10일, A16z Crypto는 블록체인 확장 작업을 가속화하고 단순화하기 위한 제로지식 솔루션 Jolt를 발표했다.

Jolt는 SNARK(비상호작용 간결 제로지식 증명)를 통합하여 개발자가 SNARK 기반의 L2 솔루션을 빠르게 구축할 수 있도록 한다. 팀은 또한 Jolt가 현재의 zkVM보다 최대 2배 더 빠르다고 밝혔다.

제로지식(ZK) 기술은 암호화 산업에서 주기적으로 지속되는 핵심 축 중 하나이며, ZK-Rollup은 비탈릭(Vitalik)이 이더리움 확장의 장기적 해결책으로 언급한 바 있다. A16z는 작년 8월 Jolt를 공개한 후 올해 정식으로 발표함으로써 ZK-Rollup이 여전히 장기적인 성장 가능성을 지닌 분야임을 보여주고 있다.

ZK-Rollup에는 이미 다수의 프로젝트가 진입했으며, 프로젝트 간 차이를 드러내기 위해 더욱 세분화된 기술 범주가 형성되었다. 특히 EVM과의 호환성은 가장 대표적인 분류 기준이다.

EVM은 역사적인 이유로 인해 많은 ZK 비호환 설계 요소를 가지고 있지만, 다수의 기존 프로젝트들이 초기에 EVM 기반으로 구축되었고, ZK-Rollup 또한 미래의 확장 방안으로 여겨지기 때문에 대부분의 ZK-Rollup 프로젝트는 EVM과의 높은 호환성과 ZK와의 높은 호환성 사이에서 균형을 잡아야 하는 상황에 직면해 있다.

Metis DAO에서 육성한 ZKM은 이러한 문제를 근본적인 수준에서 해결하며, 보편적인 zkMIPS 방안을 제시했다.

zkMIPS는 하위 수준의 MIPS 명령어 집합을 활용하여 프로그램 실행 과정을 ZKP로 변환하는 것으로, EVM뿐 아니라 MoveVM 및 RustVM 등 다른 VM과도 호환되어 ZK-Rollup이 다양한 개발자에게 열린 플랫폼이 될 수 있도록 한다.

본 글에서는 Metis가 ZK와 탈중앙화 시퀀서(Sequencer) 분야에서 어떤 노력을 기울이고 있으며, 어떠한 성과를 거두고 있는지를 독자들에게 심층적으로 소개한다.

02 ZKM과 Hybrid Rollups: OP와 ZK의 조화

Metis가 시장에서 두각을 나타낼 수 있었던 것은 혁신적인 Hybrid Rollups 메커니즘 덕분인데, 이는 사기 증명(Fraud Proof)과 유효성 증명(Validity Proof)을 결합함으로써 양쪽의 장점을 모두 취하는 것이다.

ZKM의 zkMIPS 기술은 Metis의 Hybrid Rollups에 견고한 호환성 지원을 제공하며, Metis가 ZK와 EVM을 유기적으로 융합할 수 있게 해준다.

2.1 Hybrid Rollups의 메커니즘과 장점

Hybrid Rollups에서 중요한 역할을 하는 구성원은 다음과 같다:

Sequencer: 사용자의 트랜잭션을 수신하고 처리하며, 트랜잭션의 최적 순서를 결정하고 이를 컨센서스 및 데이터 가용성 계층에 패키징하여 게시한다.
Proposers: Sequencer가 제출한 트랜잭션과 상태 루트를 평가하여 상태 약속 체인(State Commitment Chain, SCC)에 기록한다.
Verifiers: Rollup 체인 상의 상태 루트를 검증하여 트랜잭션의 정확성을 보장하고 사기 행위를 방지한다.

표준 L2 솔루션에서 Sequencer는 트랜잭션을 수집하고 처리한 후 트랜잭션 데이터를 이더리움 메인넷(L1)에 게시한다. 이 과정은 L1이 최종 데이터 검증과 확인을 수행함으로써 보안성과 일관성을 보장해야 한다.

（출처: https://mirror.xyz/msfew.eth/WQJaOcFkpTOZLns8MBQaCS4OepRoaZ7uoctnLAnalVw）

Hybrid Rollups는 L2 트랜잭션을 처리하고 최적화하는 과정에서 다음 단계와 같은 혼합 방식을 채택한다:

1. 트랜잭션의 시작과 처리:

사용자가 L2에서 트랜잭션을 시작한다.
Sequencer가 이러한 트랜잭션을 수신하고 처리하며, 규범적 트랜잭션 체인(Canonical Transaction Chain, CTC) 내에서의 순서를 결정한다.

2. 상태 제출과 검증:

Proposers가 트랜잭션을 평가한 후 상태 루트를 SCC에 제출한다.
Verifiers가 SCC 내 상태 루트를 검토하여 정확성을 보장한다.

3. 제로지식 증명 생성과 검증:

Prover는 L1에서 데이터를 읽어 ZK 증명을 생성하는데, 이것이 Hybrid Rollups의 핵심 특성으로, 구체적인 트랜잭션 내용을 공개하지 않으면서도 트랜잭션의 유효성을 검증할 수 있게 한다.
ZK 증명이 생성되면, 만약 제출이 지연될 경우 Verifier는 사기 증명 절차를 시작하여 Sequencer에게 패널티를 부과할 수 있다.

4. 데이터와 상태의 최종 확정:

스마트 계약을 통해 ZK 증명이 검증되면 트랜잭션이 최종 확정된다.
L1과 L2는 스마트 계약 브릿지를 통해 연결되어 자금과 상태의 안전한 전송을 보장한다.

Hybrid Rollups의 설계는 여러 가지 뚜렷한 장점을 제공한다:

효율성과 비용 효율: ZK 증명을 사용함으로써 더 적은 가스 소모로 더 많은 트랜잭션을 처리할 수 있다.
강화된 보안성: 기존의 사기 증명과 ZK 증명을 결합하여, 악의적인 행동이 발생하더라도 트랜잭션의 안전성과 정확성을 보장한다.
확장성: 재귀 증명(recursive proof)을 활용하여 대규모 트랜잭션을 처리하면서도 성능을 저하시키지 않으며, 보다 광범위한 블록체인 애플리케이션을 지원한다.
호환성과 유연성: 다양한 스마트 계약 및 프로그래밍 언어를 지원하여 개발자가 기존 애플리케이션을 쉽게 Hybrid Rollups로 마이그레이션할 수 있도록 한다.

2.2 zkMIPS가 우수한 ZK 호환성을 실현하는 방법

ZK의 핵심 아이디어는 프로그램 실행 과정을 누구나 쉽게 검증 가능한 수학적 증명으로 변환하는 것으로, 프로그램 실행의 정확성을 반복 실행 없이도 쉽게 검증할 수 있도록 하는 것이다. 여기서 어려운 점은 임의의 프로그램 로직을 비교적 안정적인 수학적 증명 형태로 어떻게 전환할 것인지이다.

개발자는 일반적으로 고급 언어를 사용하여 프로그램을 개발하며, 서로 다른 고급 언어는 각각 다른 로직으로 하드웨어와 '소통'한다.

따라서 기존의 ZK 프로젝트들은 일반적으로 서로 호환되지 않는 구현 경로를 따른다. Scroll은 EVM의 각 오퍼레이션 코드에 대해 회로를 직접 작성하여 오퍼레이션 코드 수준에서 동등성을 달성하였으나, 정확하게 EVM을 반영하는 대신 막대한 엔지니어링 비용이 발생한다.

Polygon zkEVM은 최적화된 성능을 갖춘 자체 VM을 만들고, EVM 바이트코드를 해당 VM의 바이트코드로 직접 변환함으로써 오퍼레이션 코드 수준에서 보다 효율적인 동등성을 달성하였지만, 많은 양의 커스텀 코드 도입은 장기적으로 EVM과의 괴리를 낳을 수 있다.

zkSync는 자체 VM(SyncVM)을 만들고 레지스터 기반의 대수적 중간 표현(AIR)을 정의한 후, Yul(다른 EVM 버전의 바이트코드로 컴파일 가능한 중간 언어로, Solidity보다 낮은 수준이라고 볼 수 있음)을 LLVM-IR로 컴파일한 후 다시 커스텀 VM 명령어로 컴파일하는 전용 컴파일러를 구축하여 Solidity 수준의 호환성을 달성하였다. 그러나 기존 이더리움 도구를 직접 사용할 수 없으며, 언어 간 변환이 필요할 경우 프로그램 재감사를 요구할 수 있다.

StarkNet은 아예 EVM 호환성을 포기하고 자체 저수준 언어(Cairo)를 사용하여 커스텀 스마트 계약 VM(Cairo VM)을 실행함으로써 극한의 ZK 효율을 추구한다.

위 프로젝트들의 해결책과 비교할 때, ZKM은 더 포괄적인 길을 선택했다: 바로 zkMIPS이다.

MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)는 1985년부터 시작된 간결한 마이크로프로세서 명령어 집합이다.

MIPS의 기본 원칙은 복잡한 마이크로프로세서 명령어를 가장 기초적인 형태로 단순화하는 것으로, 이는 처리 속도를 높이고 프로그램 실행 시 복잡성을 줄이는 데 기여한다.

zkMIPS 시스템에서는 이러한 명령어 집합을 활용하여 프로그램을 ZK 증명으로 변환한다.

zkMIPS의 구현 과정은 다음과 같다:

프로그램에서 MIPS로의 변환: 먼저, Solidity 또는 Rust와 같은 고급 언어로 작성된 스마트 계약이나 프로그램이 MIPS 명령어 집합으로 컴파일된다. 이 단계는 고수준의 추상을 하드웨어 수준에서 실행 가능한 구체적 연산으로 전환하는 것이다.
ZK 증명 생성: 이후 이러한 MIPS 명령어들을 사용하여 대응하는 제로지식 증명을 생성한다. MIPS의 단순화된 특성 덕분에 이 단계는 계산적으로 더 효율적이며, 보안성을 희생하지 않고도 더 빠르게 증명을 생성할 수 있다.

zkMIPS의 장점

호환성: zkMIPS는 EVM과 호환되는 Solidity뿐 아니라 Rust 및 Move 등 기타 주요 개발 언어도 지원한다. 이를 통해 zkMIPS는 더 넓은 범위의 블록체인 개발 생태계를 지원하며, 더 다양한 애플리케이션 가능성을 가져온다.
비용 효율성: MIPS 명령어 집합의 효율성 덕분에 zkMIPS는 제로지식 증명 생성 시 계산 비용을 크게 줄일 수 있어 시스템 전체의 지속 가능성을 높인다.
재귀 증명: zkMIPS는 재귀 증명을 지원하여 여러 증명을 하나의 관리하기 쉬운 단위로 통합할 수 있으며, 이는 시스템의 확장성을 높이는 데 매우 중요하다.

실제로 MIPS의 장점은 Optimism 등의 프로젝트에서 이미 활용되고 있다. Optimism의 Cannon 메커니즘은 실행된 프로그램을 MIPS로 변환하여, 실행 과정에 이의 제기가 있을 때 오류를 더 쉽고 효율적으로 찾아 재실행할 수 있도록 한다.

Metis 역시 이 트렌드를 따르며 Cannon을 자신의 생태계에 통합하였고, 이는 zkMIPS 기술의 실용성과 효율성을 추가로 입증하고 있다.

03 탈중앙화 Sequencer: 탈중앙화와 지속 가능성

Hybrid Rollups를 사용해 OP와 ZK의 장점을 종합하는 것 외에도, Metis는 탈중앙화된 Sequencer의 실현을 적극적으로 추진하며 Rollup 분야에서 탈중앙화의 모범을 보이고 있다.

전통적인 Rollup 모델에서 단일 Sequencer는 트랜잭션과 데이터 처리에 효과적이지만, 동시에 막대한 권한을 집중시켜 다양한 위험을 초래할 수 있다:

운영 리스크: sequencer가 고장 나거나 공격을 받을 경우, 전체 시스템의 트랜잭션 처리가 중단될 수 있다.
검열 리스크: sequencer는 특정 트랜잭션을 선택적으로 처리하거나 거부할 수 있어, 사용자가 특정 탈중앙화 금융(DeFi) 프로토콜이나 서비스에 접근하는 것을 제한할 수 있다.
조작 리스크: 트랜잭션 정렬 과정에서 sequencer가 자신의 트랜잭션을 우선 처리하거나 거래 수수료를 올려 부당한 이득을 얻는 MEV(최대 추출 가치)를 획득할 수 있다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 Metis는 여러 Sequencer 노드로 구성된 탈중앙화된 Sequencer 풀을 설계하였으며, 이들은 공동으로 트랜잭션의 집계, 정렬, 실행을 수행한다. 이 설계는 시스템의 공정성과 투명성을 보장한다:

컨센서스 메커니즘: 새로운 블록의 상태에 대해 전체 Sequencer 노드의 3분의 2 이상이 합의해야 트랜잭션 배치를 이더리움 메인넷(L1)에 제출할 수 있다.
다자간 계산(MPC) 서명: 트랜잭션 배치가 L1에 제출되기 전, MPC 서명을 통해 배치의 진위를 검증하여 데이터의 정확성을 보장한다.

탈중앙화 Sequencer의 장점:

보안성 강화: 다수의 노드가 공동으로 결정함으로써 단일 실패 지점의 위험이 줄어들어 네트워크의 강인성과 보안성이 향상된다.
검열 및 조작 가능성 감소: 여러 Sequencer가 존재함으로써 단일 노드가 트랜잭션을 조작하거나 검열하기 어렵게 되어, 사용자의 트랜잭션 자유가 보호된다.
안정성과 중복성: 시스템은 Sequencer의 원활한 교체를 지원하여 고장이나 중단의 영향을 최소화하고, 전체 네트워크의 안정성을 높인다.

Metis의 탈중앙화 Sequencer 모델에서 각 노드는 몇 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있다:

L2 Geth(OP-Node 포함): 트랜잭션 정렬과 블록 조립을 담당한다.
어댑터 모듈: 외부 모듈(특히 PoS 노드)과 상호작용하는 매개체 역할을 한다.
배치 제출자(Proposer): 여러 Sequencer의 승인을 얻은 후 트랜잭션 배치를 구성하고 L1에 제출한다.
PoS 노드: 이더리움, 컨센서스, Metis 계층 사이에서 조율하며 자산의 안전한 락업과 검증자 보상을 보장한다.
컨센서스 계층: 이더리움 메인넷과 병렬로 실행되는 일련의 Tendermint PoS 노드로 구성되며, 운영 효율을 보장하면서 메인넷 프로세스를 방해하지 않는다.