모듈형 블록체인: 웹3의 마지막 퍼즐 조각

2024.05.14

모듈형 블록체인: 웹3의 마지막 퍼즐 조각

모듈형 블록체인의 트렌드는 단순한 기술적 변화를 넘어, 블록체인 생태계 전반으로 하여금 미래의 과제들을 해결해 나가도록 이끄는 중요한 전략이다.

2024.05.14 - 01:22:05

模块化

Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰

글: GeekCartel

일. 서론

모듈러 블록체인은 시스템의 효율성과 확장성을 향상시키기 위해 전문화와 분업을 활용하는 혁신적인 블록체인 설계 패러다임이다. 모듈러 블록체인이 등장하기 이전에는 단일(Monolithic) 체인이 실행 계층, 데이터 가용성 계층, 합의 계층 및 결제 계층을 포함한 모든 작업을 처리해야 했다.모듈러 블록체인은 이러한 문제를 해결하기 위해 각 작업을 자유롭게 조합 가능한 모듈로 간주하며, 각 모듈은 특정 기능에 집중한다.

실행(Execution) 계층: 모든 트랜잭션을 처리하고 검증하며 블록체인 상태 변경을 관리한다.
합의(Consensus) 계층: 트랜잭션 순서에 대해 합의한다.
결제(Settlement) 계층: 트랜잭션 완료, 증명 검증 및 다양한 실행 계층 간 연결을 제공한다.
데이터 가용성(Data Availability) 계층: 네트워크 참여자들이 검증을 위해 필요한 모든 데이터에 접근할 수 있도록 보장한다.

모듈러 블록체인의 추세는 단순한 기술적 변화를 넘어, 전체 블록체인 생태계가 미래의 도전에 대비하도록 추진하는 중요한 전략이다. GeekCartel은 모듈러 블록체인 개념과 관련 프로젝트를 분석하여 포괄적이고 실용적인 지식 해설을 제공함으로써 독자들이 모듈러 블록체인을 더 잘 이해하고 미래 발전 방향을 조망할 수 있도록 한다. 참고: 본문 내용은 투자 조언을 구성하지 않는다.

이. 모듈러 블록체인의 선구자 - Celestia

2018년, Mustafa Albasan과 Vitalik Buterin은 블록체인 확장성 문제 해결을 위한 새로운 아이디어를 제시하는 획기적인 논문을 발표했다. 「데이터 가용성 샘플링 및 사기 증명」은 네트워크 노드 증가에 따라 저장 공간이 자동으로 확장되는 블록체인 구현 방법을 소개했다. 2019년, Mustafa Albasan은 「Lazy Ledger」를 심층적으로 연구하여 데이터 가용성만 처리하는 블록체인 시스템 개념을 제안했다.

이러한 개념을 바탕으로 Celestia가 탄생하였으며, 이는 최초의 모듈화된 구조를 채택한 데이터 가용성(DA) 네트워크다. Celestia는 CometBFT와 Cosmos SDK를 활용해 구축된 지분 증명(PoS) 블록체인으로, 확장성을 효과적으로 향상시키면서도 탈중앙화 특성을 유지한다.

DA 계층은 블록체인의 보안에서 매우 중요하며, 누구나 거래 원장을 확인하고 검증할 수 있도록 보장한다.블록 생산자가 모든 데이터가 가용하지 않은 상태에서 블록을 생성하면, 해당 블록은 최종 결정되더라도 무효 트랜잭션을 포함하게 된다. 블록이 유효하더라도 검증이 불완전한 경우 사용자와 네트워크 기능에 부정적인 영향을 미친다.

Celestia는 두 가지 핵심 기능을 구현했는데, 바로 데이터 가용성 샘플링(DAS)과 네임스페이스 머클 트리(NMT)이다. DAS는 경량 노드가 전체 블록을 다운로드하지 않고도 데이터 가용성을 검증할 수 있게 한다. NMT는 블록 데이터를 서로 다른 애플리케이션의 개별 네임스페이스로 나누어, 각 애플리케이션이 자신과 관련된 데이터만 다운로드하고 처리하게 하여 데이터 처리 요구를 크게 줄인다. 특히 DAS 덕분에 사용자(경량 노드) 수가 증가함에 따라 Celestia도 확장되며 최종 사용자의 보안은 영향을 받지 않는다.

모듈러 블록체인은 이전에 없던 방식으로 새로운 체인 구축을 가능하게 하고 있으며, 다양한 종류의 모듈러 블록체인은 목적과 아키텍처에 따라 상호 협력할 수 있다. Celestia 공식에서는 여러 가지모듈러 아키텍처 설계 아이디어와 사례를 제시하며 모듈러 블록체인의 유연성과 조합 가능성을 보여준다:

그림 1 Layer1 및 Layer2 아키텍처

Layer 1과 Layer 2:Celestia는 이를 소박한 모듈화라고 부르며, 원래는 단일형 Layer 1인 이더리움의 확장성을 위해 고안되었다. Layer 2는 실행에 집중하고 Layer 1은 기타 핵심 기능을 제공한다.

Celestia는 Arbitrum Orbit, Optimism Stack 및 Polygon CDK(곧 지원 예정) 기술 스택을 기반으로 구축된 체인이 Celestia를 DA 계층으로 사용할 수 있도록 지원한다. 기존 Layer2는 롤업(Rollup) 기술을 이용해 데이터 게시를 이더리움에서 Celestia로 전환할 수 있다. 블록 커밋은 Celestia에 게시되며, 이는 기존의 단일 체인에 데이터를 게시하는 것보다 확장성이 뛰어나다.
Celestia는 Dymension 기술 구성 요소로 구성된 RollApp(애플리케이션 전용 체인)을 실행 계층으로 사용할 수 있도록 지원한다. 이는 이더리움의 Layer1과 Layer2 개념과 유사하며, RollApps의 결제 계층은 Dymension Hub(아래에서 설명)에 의존하고, DA 계층은 Celestia를 사용하며, 체인 간 통신은 IBC 프로토콜을 통해 이루어진다(IBC는 Cosmos SDK 기반으로 블록체인 간 통신을 가능하게 하는 프로토콜이며, 바이트 단위로 인코딩된 한계 내에서 어떤 형태의 데이터도 공유할 수 있음).

그림 2: 실행, 결제 및 DA 계층 아키텍처

실행, 결제 및 데이터 가용성:최적화된 모듈러 블록체인은 실행, 결제 및 데이터 가용성 계층을 전용 모듈러 블록체인 사이에서 분리할 수 있다.

그림 3: 실행 및 DA 계층 아키텍처

실행 및 DA:모듈러 블록체인을 구현하는 목적은 유연하기 때문에 실행 계층은 반드시 결제 계층에 블록을 게시할 필요가 없다. 예를 들어, 결제 계층을 포함하지 않고 실행 계층 위에 합의 계층과 데이터 가용성 계층만 존재하는 모듈러 스택을 만들 수 있다.

이 모듈러 스택 하에서 실행 계층은 주권(sovereign)을 가지며, 자신의 정렬과 데이터 가용성을 위해 다른 블록체인에 트랜잭션을 게시하지만 자체적으로 결제를 처리한다. 모듈러 스택 맥락에서 주권 롤업은 실행과 결제를 담당하고, DA 계층은 합의와 데이터 가용성을 처리한다.

주권 롤업과 스마트 계약 롤업의 차이점:

스마트 계약 롤업의 트랜잭션은 결제 계층의 스마트 계약에 의해 검증된다. 주권 롤업의 트랜잭션은 주권 롤업의 노드에 의해 검증된다.
스마트 계약 롤업과 비교해 주권 롤업의 노드는 자율성을 가진다. 주권 롤업에서 트랜잭션 정렬과 유효성은 롤업 자체 네트워크가 관리하며 별도의 결제 계층에 의존하지 않는다.

현재 Rollkit과 Sovereign SDK는 Celestia에서 주권 롤업 테스트넷을 배포할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

삼. 블록체인 생태계 속 모듈화 방안 탐색

1. 실행 계층의 모듈화

실행 계층 모듈화를 소개하기 전에 먼저 롤업 기술이 무엇인지 이해해야 한다.

현재 실행 계층 모듈화 기술은 주로 롤업에 의존하며, 이는 Layer1 체인 외부에서 동작하는 확장 솔루션이다. 이 솔루션은 체인 외부에서 트랜잭션을 실행하므로 더 적은 블록 공간을 차지하며, 이더리움의 중요한 확장 방안 중 하나이다. 트랜잭션 실행 후, 일괄된 트랜잭션 데이터 또는 실행 증명을 Layer1에 보내고 Layer1에서 결제를 진행한다. 롤업 기술은 탈중앙화와 보안을 유지하면서 Layer1 네트워크에 확장성 솔루션을 제공한다.

그림 4: 롤업 기술 아키텍처

예를 들어 이더리움의 경우, ZK-Rollup 또는 Optimistic Rollup을 사용하여 롤업 기술의 성능과 개인정보 보호를 더욱 향상시킬 수 있다.

ZK-Rollup은 제로노우ledged 증명을 사용하여 번들된 트랜잭션의 정확성을 검증함으로써 거래의 보안성과 개인정보 보호를 보장한다.
Optimistic Rollup은 이더리움 메인체인에 트랜잭션 상태를 제출하기 전에 우선 해당 트랜잭션이 유효하다고 가정하며, 도전 기간 동안 누구든지 사기 증명을 계산하여 트랜잭션을 검증할 수 있다.

1.1 이더리움 Layer2: 미래의 확장 솔루션 구축

이더리움은 초기에 사이드체인과 샤딩 기술을 사용하여 확장했지만, 사이드체인은 높은 처리량을 실현하기 위해 일부 탈중앙화와 보안을 희생하였다. 반면 Layer 2 롤업의 발전 속도는 예상보다 훨씬 빠르며 이미 상당한 확장을 제공하고 있으며, Proto-Danksharding 도입 이후 더욱 많은 확장을 제공할 것으로 보인다. 이는 더 이상 '샤딩 체인'이 필요하지 않음을 의미하며, 현재 이더리움 로드맵에서 삭제되었다.

이더리움은 EVM이 롤업 계층에서 실행되는 스마트 계약에 표준화되고 안전한 실행 환경을 제공함으로써 메인체인 부담을 줄이기 위해 실행 계층을 롤업 기술 기반의 Layer2s에 위탁한다.일부 롤업 솔루션은 EVM과의 호환성을 염두에 두고 설계되어 롤업 계층에서 실행되는 스마트 계약이 여전히 EVM의 특성과 기능을 활용할 수 있게 하며, OP Mainnet, Arbitrum One 및 Polygon zkEVM 등이 있다.

그림 5: 이더리움의 2단계 확장 솔루션

이러한 Layer2s는 스마트 계약을 실행하고 트랜잭션을 처리하지만, 다음 작업에 대해서는 여전히 이더리움에 의존한다:

결제:모든 롤업 트랜잭션은 이더리움 메인넷에서 완료된다. Optimistic Rollups 사용자는 도전 기간이 지날 때까지 기다려야 하거나 사기 계산 후에 트랜잭션이 유효하다고 간주된다. ZK Rollups 사용자는 유효성이 입증될 때까지 기다려야 한다.
합의 및 데이터 가용성:롤업은 CallData 형식으로 트랜잭션 데이터를 이더리움 메인넷에 게시하여 누구나 롤업 트랜잭션을 실행하고 필요 시 상태를 재구성할 수 있도록 한다. 이더리움 메인체인에서 확인되기 전에 Optimistic Rollups는 많은 블록 공간과 7일의 도전 기간을 필요로 한다. ZK Rollups는 즉각적인 최종성을 제공하며 검증에 사용할 수 있는 데이터를 30일간 저장하지만, 증명 생성에 많은 계산 능력을 필요로 한다.

1.2 B² Network: 비트코인 ZK-Rollup 개척

B² Network는 보안성을 희생하지 않고도 거래 속도를 높일 수 있는 비트코인 최초의 ZK-Rollup이다.롤업 기술을 활용해 B² Network는 체인 외부에서 트랜잭션을 수행하고 튜링 완전한 스마트 계약을 실행할 수 있는 플랫폼을 제공함으로써 거래 효율을 높이고 비용을 최소화한다.

그림 6: B² Network 아키텍처

그림에서 보듯이 B² Network의 ZK-Rollup 계층은 zkEVM 솔루션을 채택하여 Layer2 네트워크 내 사용자 트랜잭션의 실행과 관련 증명 출력을 담당한다.

다른 롤업과는 달리, B² Network ZK-Rollup은 계정추상화 모듈, RPC Service, Mempool, Sequencers, zkEVM, Aggregators, Synchronizers 및 Prover 등 여러 구성 요소로 이루어져 있다. 그 중 계정 추상화 모듈은 본원적 계정 추상화를 구현하여 사용자가 자신의 계정에 더 높은 보안성과 더 나은 사용자 경험을 프로그래밍할 수 있도록 한다. zkEVM은 EVM과 호환되며 개발자가 다른 EVM 호환 체인의 DApp을 B² Network로 쉽게 이전할 수 있도록 도와준다.

Synchronizers는 B² 노드에서 롤업 계층으로 정보를 동기화하며, 시퀀스 정보, 비트코인 트랜잭션 데이터 등의 세부사항을 포함한다. B² 노드는 오프체인 검증자 역할을 하며, B² 네트워크의 다양한 독특한 기능을 실행한다. B² 노드의 비트코인 Committer 모듈은 B² Rollup 데이터를 기록하는 데이터 구조를 생성하고 'B² 명문'이라고 불리는 Tapscript를 생성한다. 그런 다음 비트코인 Committer는 $B^{2}$ 명문을 포함하는 Taproot 주소로 1사토시(satoshi) 단위의 UTXO를 전송하여 롤업 데이터를 비트코인에 기록한다.

또한, 비트코인 Committer는 zk 증명 검증 커밋에 대한 도전 시간 잠금을 설정하여 도전자들이 증명을 도전할 수 있도록 한다. 만약 시간 잠금 기간 내에 도전자가 없거나 도전이 실패하면 롤업은 비트코인에서 최종적으로 확인된다. 도전이 성공하면 롤업은 되돌아간다.

이더리움이나 비트코인 모두 근본적으로 Layer1은 단일 체인이며, Layer2로부터 확장된 데이터를 수신한다. 대부분의 경우 Layer2의 용량도 Layer1의 용량에 의존한다.따라서 확장성 측면에서 Layer1과 Layer2 스택의 구현은 이상적이지 않다. Layer1이 처리량 한계에 도달하면 Layer2도 영향을 받게 되어 거래 수수료 상승과 확인 시간 연장이 발생하며, 이는 전체 시스템의 효율성과 사용자 경험에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

2. DA 계층의 모듈화

Celestia의 DA 솔루션이 Layer2s에게 선호되는 것 외에도, 블록체인 생태계 전반에서 중요한 역할을 하는 다른 DA 중심의 혁신적 솔루션들이 등장하고 있다.

2.1 EigenDA: 롤업 기술에 힘을 실어주는

EigenDA 는 Danksharding에서 영감을 얻은 안전하고, 높은 처리량을 가지며 탈중앙화된 DA 서비스이다.롤업은 데이터를 EigenDA에 게시함으로써 EigenLayer 생태계 전반에서 낮은 거래 비용, 높은 처리량 및 안전한 조합성을 얻을 수 있다.

이더리움 롤업이 탈중앙화된 임시 데이터 저장소를 구축할 때, 데이터 저장은 EigenDA 운영자에 의해 직접 처리될 수 있다. 운영자(Operators)는 네트워크 운영에 참여하고 데이터 처리, 검증 및 저장을 담당하며, EigenDA는 지분량과 운영자 수 증가에 따라 수평적으로 확장될 수 있다.

EigenDA는 롤업 기술과 결합하여 DA 부분을 체인 외부로 이전함으로써 확장성을 실현한다. 따라서 실제 트랜잭션 데이터는 더 이상 모든 노드에서 복제 및 저장할 필요가 없어 대역폭과 저장 요구가 줄어든다. 체인 상에서는 데이터 가용성과 관련된 메타데이터 및 책임 메커니즘만 처리된다(책임 메커니즘은 데이터가 체인 외부에 저장되더라도 필요 시 데이터의 무결성과 진실성을 검증할 수 있도록 함).

그림 7: EigenDA의 기본 데이터 흐름

그림에서 보듯이 롤업은 거래 묶음을 DA 계층에 기록한다. EigenDA는 데이터를 블록으로 분할하고 KZG 커밋과 다중 공개 증명을 생성하며, 노드가 전체 blob을 다운로드하는 대신 소량의 데이터 [O（1/n）]만 다운로드하도록 요구한다. 롤업의 사기 중재 프로토콜은 blob 데이터가 EigenDA 증명에 제공된 KZG 커밋과 일치하는지 검증할 수 있다. 이 검증 과정을 통해 Layer2 체인은 롤업 상태 루트의 트랜잭션 데이터가 정렬기/제안자에 의해 조작되지 않았음을 보장할 수 있다.

2.2 Nubit: 비트코인 상 최초의 모듈화된 DA 솔루션

Nubit 는 확장 가능하고 비트코인 원생(native)인 DA 계층이다.Nubit은 비트코인 원생 미래를 개척하며, 생태계의 성장하는 요구를 충족시키기 위해 데이터 처리량과 가용성 서비스를 향상시키는 것을 목표로 한다. 그들의 비전은 방대한 개발자 커뮤니티를 비트코인 생태계로 유입하고, 확장 가능하고, 안전하며, 탈중앙화된 도구를 제공하는 것이다.

Nubit 팀원들은 UCSB(캘리포니아대학교 산타바바라) 교수 및 박사과정 학생들로, 탁월한 학문적 명성과 글로벌 영향력을 지닌다. 그들은 학문적 연구뿐 아니라 블록체인 엔지니어링 구현에서도 풍부한 경험을 갖추고 있다. 팀은 domo(BRC20 창시자)와 함께 모듈화된 인덱서 논문을 작성하여 DA 계층 설계를 비트코인 메타 프로토콜의 인덱서 구조에 통합하고, 산업 표준 수립에 참여하고 있다.

Nubit의 핵심 혁신: 합의 메커니즘, 신뢰 없는 브릿지, 데이터 가용성, Nubit은 SNARK 기반의 PBFT(실용적 비잔틴 장애 허용)에 기반한 효율적인 합의를 탐색하며, 서명 집계에 사용된다. PBFT 방식과 zkSNARK 기술을 결합하면 검증자 간 서명 검증 통신 복잡성을 크게 줄일 수 있으며, 전체 데이터셋에 접근하지 않고도 트랜잭션의 정확성을 검증할 수 있다.

합의 메커니즘:Nubit은 SNARK가 지원하는 PBFT(실용적 비잔틴 장애 허용) 기반의 효율적인 합의를 탐색하며, 서명 집계에 사용된다. PBFT 방식과 zkSNARK 기술을 결합하면 검증자 간 서명 검증 통신 복잡성을 크게 줄일 수 있으며, 전체 데이터셋에 접근하지 않고도 트랜잭션의 정확성을 검증할 수 있다.
DAS:Nubit의 DAS는 블록 데이터의 일부를 여러 라운드에 걸쳐 무작위로 샘플링함으로써 구현된다. 각 라운드의 성공적인 샘플링은 데이터가 완전히 가용할 가능성을 높인다. 사전 정의된 신뢰 수준에 도달하면 블록 데이터는 접근 가능하다고 간주된다.
신뢰 없는 브릿지(Trustless Bridge):Nubit은 라이트닝 네트워크의 결제 채널을 활용한 신뢰 없는 브릿지를 사용한다. 이 방법은 로컬 비트코인 결제 방식과 일치할 뿐 아니라 추가적인 신뢰 요구를 더하지 않으며, 기존 브릿지 솔루션에 비해 사용자에게 더 낮은 리스크를 제공한다.