a16z: 블록체인 메커니즘 설계에서의 8가지 과제
글: Tim Roughgarden, a16z crypto 연구 책임자
번역: 0xxz, 금색 재경
특정 분야에 깊이 몰입하면 현실 세계에서 발생하는 문제들이 이미 잘 해결된 문제들의 형편없는 변형에 불과하다는 것을 깨닫게 된다. 예를 들어 내가 알고리즘 기초를 가르칠 때, 학생들은 최단 경로 계산이나 선형 계획 문제로 귀결되는 문제들을 식별하는 법을 배운다.
이러한 패턴 인식은 메커니즘 디자인에서도 마찬가지로 유효하다. 메커니즘 디자인은 이상적인 결과를 달성하기 위해 인센티브를 활용하는 '반대 방향 게임 이론'이다. 메커니즘 디자인의 도구와 교훈은 특히 경매 이론, 시장 설계 및 사회 선택 이론에서 유용하다.
크립토 및 웹3에는 메커니즘 디자인 문제가 넘쳐난다. 많은 문제들이 교과서 내용을 그대로 적용하거나 오래된 아이디어를 새롭게 조정함으로써 해결될 수 있다고 생각할 수 있다. 그러나 허가 없이 접근 가능한 블록체인 프로토콜만의 독특한 도전과 제약은 종종 해결된 것으로 보이는 문제들에 대한 기본 원칙까지 다시 고민하게 만든다. 이것이 바로 웹3 내 메커니즘 디자인을 복잡하게 만드는 요인이다. 동시에 이러한 도전들이 웹3 메커니즘 디자인을 매력적으로 만든다.
본 글에서는 웹3 메커니즘 디자인이 직면한 주요 도전 과제들을 살펴볼 것이다. 암호화폐에 익숙한 사용자들에게는 이미 친숙할 수 있는 이 도전들은, 모든 개발자들에게 왜 이런 문제들이 해결하기 어려운지를 이해하는 새로운 관점을 제공할 것이다. 메커니즘 디자이너라면, 새로운 애플리케이션을 고안할 때 허가 없는 환경이 가져오는 도전에 관심을 가질 수 있을 것이다.
하지만 먼저, 메커니즘 디자인이란 무엇인지부터 알아보자.
메커니즘 디자인이라는 분야는 적어도 1961년으로 거슬러 올라간다. 당시 컬럼비아 대학교(Columbia University)의 경제학자이자 이후 노벨상을 수상한 윌리엄 비크리(William Vickrey)가 제2가격 밀봉 입찰 경매를 공식적으로 정립했기 때문이다. 사실 이 경매 방식은 1797년 작가 요한 볼프강 폰 괴테(Johann Wolfgang von Goethe)가 자신의 서사시 『헤르만과 도로테아』 원고를 판매할 때 이미 사용되었으며, 19세기에는 우표 수집가들 사이에서 널리 쓰였지만, 비로소 1961년 비크리에 의해 공식화되어 오늘날 "비크리 경매(Vickrey auction)"로 알려졌다. 비크리 경매에서는 가장 높은 입찰자가 낙찰되지만, 두 번째로 높은 입찰액을 지불한다. 이 방식은 입찰자의 진정한 선호를 자극하고, 물건을 가장 높게 평가한 사람에게 전달하는 효과를 갖는다.
비크리 경매는 우아하고 효율적인 설계이며, 실제 상황에 맞춰 조정되고 업데이트되며 실천이 이론에 정보를 제공하고, 반대로 이론도 실천을 발전시키는 전형적인 사례다. 비크리 경매와 마찬가지로 메커니즘 디자인이라는 공식 학문 분야의 발전사는 이론과 실천이 얽히고설킨, 깊고 아름다운 역사다.
게임 이론이 전략적 상호작용을 바탕으로 합리적인 행동 결과를 탐구한다면, 메커니즘 디자인은 반대로 시작한다. 즉 게임에서 출발하는 것이 아니라 원하는 결과에서 출발한다. 메커니즘 디자인의 목적은 효율성, 공정성 또는 특정 행동 특성을 갖는 바람직한 결과가 균형 상태에 도달하도록 게임을 역설계하는 것이다. 비크리 경매의 경우, 궁극적인 목표는 참여자를 처벌하지 않으면서도 각자가 지불하고자 하는 최대 금액을 드러내도록 유도하는 것이다.
웹3에서의 메커니즘 디자인 적용 가능성은 매우 많다. 예를 들어 블록체인 프로토콜은 프로토콜 참가자들이 성실하게 행동(예상 행동에서 벗어나지 않음)하기를 원할 수 있다. 혹은 프로토콜은 거래 가치에 대한 정확한 정보를 얻어 가장 가치 있는 거래에 블록 공간을 효율적으로 할당하고자 할 수도 있다.
이러한 메커니즘 디자인 문제는 언제나 도전적이지만, 블록체인 환경에서는 더욱 독특한 도전이 존재한다.
1. 신뢰 부족
신뢰할 수 있는 단일 기관이 메커니즘을 집행하지 못한다면, 블록체인 영역에서의 설계는 더욱 어려워진다.
허가 없는 블록체인 프로토콜을 사용하는 의미는 어떤 특정 실체나 개인도 신뢰할 필요 없이, 프로토콜을 운영하는 노드 중 충분히 많은 수가 성실하다는 ‘평균적인’ 신뢰 가정만 있으면 된다는 점이다.
그러나 블록체인 구조의 모순점 중 하나는 체인 기록에 추가되는 각 배치의 거래들이 프로토콜이 유지하는 가상 머신에서 실행된다는 점이며, 이 모든 것은 단일 노드의 일방적인 결정의 산물이라는 사실이다.
그 노드를 믿을 수 있을지 알 수 없다.
이 때문에 블록체인 분야에서는 비크리 경매를 거의 찾아볼 수 없다. 비크리 경매를 순진하게 구현하면 곧바로 신뢰할 수 없는 블록 생산자의 조작 위험에 직면하게 된다. 문제는 블록 생산자가 승자가 될 사람보다 약간 낮은 금액을 제시하는 'shill bid'(거짓 입찰)를 만들어내어, 승자가 두 번째로 높은 입찰액이 아닌 거의 자신의 전체 입찰액을 지불하도록 강요할 수 있다는 점이다.
신뢰할 수 없는 블록 생산자의 거짓 입찰은 비크리 경매를 실질적으로 제1가격 경매로 후퇴시켜 버리며, 이것이 웹3에서 제1가격 경매가 흔한 이유 중 하나다. (기존 메커니즘 디자인 문헌에서도 최근에 등장한 '신뢰할 수 없는 경매자'를 고려한 경매 설계 분야가 있지만, 그 관점은 다소 다르다.)
2. 종종 발생하는 공모
블록체인 메커니즘 디자인이 어려운 또 다른 이유는 블록체인 참여자들 간의 공모(collusion) 가능성이기 때문이다. 예를 들어 제2가격 경매는 보상 지급과 함께 쉽게 공모된다. 그 이유는 간단하다. 낙찰자는 두 번째로 높은 입찰액만 지불하므로, 입찰자는 두 번째 입찰자에게 뇌물을 주고 입찰액을 크게 낮추도록 유도할 수 있다.
메커니즘 디자인 학술 문헌은 이 문제에 대해 그리 걱정하지 않는다. 그 이유 중 하나는 현실 세계에서 공모, 특히 보상 지급을 동반한 공모가 실행되기 어렵기 때문일 수 있다. 공모 후 낙찰자가 뇌비 지급을 거부할 수 있으므로 신뢰할 수 있는 보상 지급을 확보하기 어렵다. (속담처럼 "도둑들 사이에도 의리는 없다.")
그러나 블록체인 맥락에서는 잠재적 공모자들이 스마트 계약을 통해 신뢰할 수 있는 약속을 제공함으로써 실제로 공모를 실행할 수 있다. 두 번째 이유는 보상 지급을 통한 공모를 억제할 수 있는 장치—즉 '가격 공시(price posting)' 메커니즘이 부족하다는 점이다. 이 메커니즘은 입찰가만을 공개하며 다른 정보는 제공하지 않는다.
더 나쁜 점은 프로토콜 사용자들이 서로 공모할 뿐 아니라 (신뢰할 수 없는) 블록 생산자와도 공모할 수 있다는 점이다. 이는 현실 세계의 경매에서 입찰자가 경매 주최자와 공모하는 것과 같다.
이러한 마지막 형태의 공모를 방어하기 위한 것이 바로 이더리움 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘에서 일부 수수료를 소각(burn)하는 주요 동기 중 하나다. 만약 '소각'이 없거나 (또는 블록 생산자로부터 수익을 차단하지 않는다면), 블록 생산자와 최종 사용자는 보상 지급을 통해 공모하여 이 메커니즘이 설정한 최저 가격을 회피할 수 있다.
3. 법치에만 의존할 수 없다
공모 문제는 결코 새로운 문제가 아니다. 수 세기 동안 현실 세계의 다양한 메커니즘들을 괴롭혀왔지만, 메커니즘 디자인 문헌을 보면 이 문제를 거의 다루지 않는다는 점에 놀랄지도 모른다. 문헌은 개별 참여자가 메커니즘을 일방적으로 조작하려는 동기를 직접 논의하지만, 공모 문제는 일반적으로 미명시적인 '법치' 개념에 맡겨진다. 예를 들어 메커니즘 참여자들이 공모하지 않겠다는 법적 계약을 체결할 수 있으며, 공모가 발견되면 법적 절차에 회부될 수 있다. 메커니즘 디자이너는 공모 여부를 비교적 쉽게 감지할 수 있도록 메커니즘을 설계함으로써 도울 수 있다.
많은 메커니즘 디자인 문헌 속에는 '법치 의존'이라는 묵시적인 비밀이 존재한다. 허가 없는 블록체인 프로토콜 영역에 법치가 전혀 없다고 말할 수는 없으며(우리는 종종 법집행 기관이 허가 없는 블록체인 상의 범죄 행위를 성공적으로 기소하는 사례를 본다), 하지만 전통적인 메커니즘 디자인 적용 분야에 비해 법치 수준은 훨씬 낮다.
외부적으로 법치에 의존할 수 없다면, 디자이너는 메커니즘 내부에서 문제를 해결할 책임을 져야 한다. 이 접근법은 블록체인 분야의 메커니즘 디자인 의사결정에서 널리 퍼져 있다. 특히 이더리움 프로토콜에서는 EIP-1559의 기본 수수료 소각에서부터 합의 프로토콜 내에서 부적절한 행동을 한 검증인에게 벌금(missing)을 부과하는 사례까지 쉽게 찾을 수 있다.
4. 더 넓은 설계 공간
웹3의 설계 공간은 메커니즘 디자이너들이 익숙한 것보다 훨씬 크다. 따라서 디자이너들은 기존의 모든 문제들을 다시 고려해야 한다. 예를 들어 많은 메커니즘은 지불을 포함하는데, 전통적인 메커니즘 디자인 적용 사례에서는 미국 달러 같은 법정화폐로 이루어진다. 많은 블록체인 프로토콜은 자체 토큰을 가지며, 프로토콜 내 메커니즘은 이러한 통화를 조작할 수 있다.
당신이 전통적인 메커니즘 디자인 논문을 쓸 때 메커니즘 설명의 일부가 "새로운 화폐를 대량으로 찍어내어 일군의 참가자들에게 나눠주라"고 한다고 상상해보라. 블록체인 외부 맥락에서 보면 이것은 터무니없는 이야기다. 그러나 블록체인 프로토콜 맥락에서 메커니즘 디자인을 논할 때, 당신은 실제로 이를 수행할 수 있다. 프로토콜이 통화를 제어하므로, 메커니즘의 일부로 토큰을 발행하거나 소각할 수 있다.
이는 원생 통화(native currency) 없이는 불가능했던 설계들이 가능해짐을 의미한다. 예를 들어 어떻게 비트코인 채굴자들이 예상대로 프로토콜을 수행하도록 유도할 수 있을까? 인플레이션 보상, 즉 새로운 비트코인을 찍어내어 이 블록 생산자들을 유인함으로써 가능하다. 원생 통화가 없다면 이러한 설계는 불가능했을 것이다.
5. 원생 통화가 다른 문제를 야기할 수 있음
앞서 언급한 점은 원생 통화의 힘을 강조했다. 원생 통화로 할 수 있는 두 가지는 '화폐 발행(minting)' (비트코인 프로토콜이 채굴자 인센티브를 위해 새 비트코인을 발행하는 방식)과 '토큰 소각(burning)' (이더리움 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘이 공모를 방어하기 위해 ETH를 소각하는 방식)이다. 그러나 원생 통화는 전통적인 메커니즘 디자인에는 존재하지 않던 위험을 숨기고 있다. 즉 미시경제적 설계 결정이 거시경제적 결과를 초래할 수 있다는 점이다.
전통적인 메커니즘 디자인에서는 거시경제적 힘을 걱정할 이유가 없다. 전통적인 경매 방식이 미국의 통화 공급이나 인플레이션률에 의미 있는 영향을 미치지는 않는다. 그러나 웹3 설계 분야에서는 이것이 새로운 도전 과제다. 어떤 문제가 발생할 수 있을까? 비트코인의 발행과 ETH의 소각 각각에 관한 두 가지 예를 들어보겠다.
채굴자 인센티브를 위해 새 화폐를 찍어내는 블록 보상 방식을 사용함으로써, 비트코인은 인플레이션을 피할 수 없게 되었다. 따라서 인플레이션률과 시간에 따른 변화 방식을 결정하는 적절한 통화 정책이 필요하다. 사토시 나카모토는 2100만 비트코인의 하드 공급 한도를 설정했다. 비트코인의 수량에 하드한 상한선이 있기 때문에 인플레이션률은 결국 제로에 수렴해야 한다.
만약 인플레이션률이 실제로 제로가 된다면, 채굴자가 계속해서 프로토콜을 운영하고 비트코인의 보안을 유지하도록 유도할 수단은 무엇이 될까? 사람들은 거래 수수료가 사라진 블록 보상의 역할을 대체하기를 기대해왔지만, 그 가능성이 희박하다는 것은 잘 알려져 있다. 만약 거래 수수료가 제로에 가까워진다면, 비트코인 프로토콜은 심각한 보안 문제에 직면하게 된다.
프린스턴 대학 컴퓨터 과학자 마일스 칼스튼(Miles Carlston), 해리 칼로드너(Harry Kalodner), 매튜 와인버그(Matthew Weinberg), 아르빈드 나라야난(Arvind Narayanan)은 논문에서 거래 수수료와 블록 보상 사이의 또 다른 차이점을 지적했다. 각 블록의 블록 보상은 동일하다(적어도 연속 두 번의 '반감기(halving)' 사이에서는 그렇다). 그러나 거래 수수료는 수십 배 이상 변동할 수 있으며, 이는 프로토콜에 새로운 게임 이론적 불안정성을 도입한다. 이 의미에서 고정된 공급 한도라는 거시경제적 결정은 프로토콜과 그 참가자들에게 부정적인 미시경제적 결과를 초래한다.
블록 보상 발행이 비트코인에 인플레이션 압력을 가하듯이, EIP-1559의 거래 수수료 소각은 이더리움에 디플레이션 압력을 가한다. 이더리움 프로토콜은 실제로 인플레이션 검증자 보상을 사용하고 있으므로, 이 두 힘 사이에 줄다리기가 벌어지며, 종종 디플레이션이 우세하다. 현재 ETH는 순 디플레이션 통화이며, 이는 프로토콜의 거래 수수료 메커니즘에서 미시경제적 인센티브 설계 결정이 초래한 거시경제적 결과다.
디플레이션은 이더리움 프로토콜에 좋을까 나쁠까? ETH 보유자들은 디플레이션을 좋아한다. 다른 조건이 동일하다면, 시간이 지남에 따라 그들의 토큰 가치가 증가하기 때문이다. (사실 이 부수효과가 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘으로의 전환을 지지하는 여론을 형성한 주요 원인이었을 수도 있다.) 그러나 '디플레이션'이라는 용어는 전통적인 거시경제학자들에게는 거부감을 준다. 1990년대 일본의 장기 침체를 떠올리게 하기 때문이다.
누가 옳은가? 개인적으로 나는 주권 국가의 법정화폐가 ETH 같은 암호화폐의 적절한 비교 대상이라고 생각하지 않는다. 그렇다면 올바른 비교 대상은 무엇일까? 이는 여전히 해결되지 않은 질문이며, 블록체인 연구자들이 더 깊이 탐구해야 할 부분이다. 왜 디플레이션 통화는 블록체인 프로토콜을 지원하는 암호화폐로서는 가능하지만, 주권 국가를 지원하는 법정화폐로서는 불가능한가?
6. 하위 계층을 무시할 수 없다
컴퓨터 과학에서 우리가 추구하는 목표 중 하나는 모듈화와 깔끔한 추상화로, 이는 시스템의 일부를 신뢰할 수 있게 해준다. 시스템의 일부를 설계하고 분석할 때, 다른 부분의 출력 기능을 알아야 할 수 있다. 그러나 이상적으로는 그 기능이 하위 계층에서 어떻게 구현되는지는 알 필요 없어야 한다.
블록체인 프로토콜에서는 아직 그런 이상 상태에 도달하지 못했다. 개발자와 메커니즘 디자이너들이 애플리케이션 레이어에 집중하고 싶더라도, 인프라 레이어의 작동 방식과 세부 사항을 무시할 수는 없다.
예를 들어 자동 시장 생성기(AMM)를 설계할 때, 신뢰할 수 없는 블록 생산자가 거래 순서를 결정할 수 있다는 점을 반드시 고려해야 한다. 또는 L2 롤업의 거래 수수료 메커니즘을 설계할 때, L2의 자원 소비 비용뿐 아니라 하위 L1 프로토콜이 발생시키는 모든 비용(예: calldata 저장)도 부담해야 한다.
이 두 예에서 모두, 한 레이어의 효과적인 메커니즘 디자인은 다른 레이어에 대한 상세한 이해를 요구한다. 아마도 블록체인 기술이 점점 성숙함에 따라 우리는 서로 다른 레이어를 명확히 분리하게 될 것이다. 그러나 지금은 분명히 그 단계에 도달하지 못했다.
7. 계산 능력이 제한된 환경에서 작업해야 함
블록체인 프로토콜이 구현하는 '하늘의 컴퓨터(computer in sky)'는 계산 능력이 제한된 환경이다. 전통적인 메커니즘 디자인은 경제적 인센티브에만 집중하며 계산 문제는 무시한다(예: 유명한 비크리-클락-그로브스 메커니즘은 고도로 복잡한 분배 문제에서는 실현 불가능하다).
Nisan과 Ronen이 1999년 알고리즘 메커니즘 디자인을 제안했을 때, 현실 세계에서 의미 있는 메커니즘을 위해서는 어떤 형태의 계산 가능성(tractability)이 필요하다고 지적했다. 따라서 그들은 문제 매개변수의 다항식 함수(지수 함수가 아닌)로 확장되는 계산과 통신을 사용하는 메커니즘에만 주목할 것을 제안했다.
블록체인 프로토콜의 가상 머신은 매우 제한된 계산 능력을 제공하므로, 체인 상의 메커니즘은 매우 가볍게 설계되어야 한다. 다항식 시간과 통신이 필수적이지만, 그것만으로는 충분하지 않다. 예를 들어 이더리움 DeFi에서 자동 시장 생성기가 제한 주문서(Limit Order Book) 같은 전통적 솔루션보다 지배적인 주된 이유는 바로 희소성(scarcity) 때문이다.
8. 여전히 초기 단계
사람들이 웹3가 여전히 초기 단계라고 말할 때, 보통은 투자 기회나 채택 수준을 의미한다. 그러나 과학적 관점에서 보면 우리는 그보다 훨씬 더 초기 단계에 있다. 이는 물론 더 어렵지만, 기회 또한 크다.
성숙한 연구 분야에서 일하는 것은 모두 당연하게 여기는 혜택을 제공한다. 공인된 모델과 정의가 존재하며, 중요한 문제들에 대해 합의가 이루어지고, 진전을 측정하는 기준이 마련되어 있고, 공용 어휘와 방대한 공개 지식 기반이 존재한다. 검증된 교과서, 온라인 강의 등 속도를 높여주는 다양한 자원들도 있다.
반면에 블록체인 분야의 많은 영역에서는 여전히 '올바른' 모델과 정의가 무엇인지 모르며, 중요 문제에 대해 명확히 사고하고 진전을 이루기 어렵다. 예를 들어 블록체인 프로토콜 맥락에서 호환 가능한 인센티브의 핵심 개념은 무엇인가? 웹3 스택에는 어떤 계층들이 있는가? MEV(Maximal Extractable Value)는 어떤 구성 요소들로 이루어졌는가? 이 모든 것이 여전히 미해결 문제들이다.
블록체인 과학에 관심 있는 사람들에게 이 분야의 미성숙은 확실히 도전이지만, 동시에 지금 바로 참여함으로써 독특한 기회를 얻을 수 있다.
메커니즘 디자인은 인터넷 애플리케이션 레이어에서 유용한 도구였다. 실시간 광고 경매, 전자상거래에서부터 공동 구매까지 오늘날 대부분의 온라인 소비 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 양면 시장 설계 등이 그러하다.
그러나 웹3에서는 메커니즘 디자인이 인프라 자체의 설계 결정에도 영향을 준다.
1970~80년대 인터넷 라우팅 프로토콜이 논의되고 설계되던 시기를 떠올려보자. 내 기억에 그 자리에는 인센티브와 메커니즘 디자인 전문가가 한 명도 없었다. 사후적으로 보면, 그런 전문가들이 있었다면 설계에 유용한 정보를 제공했을 수 있었음을 깨닫는다. 반면 웹3에서는 최초의 비트코인 백서 발표부터 인센티브가 논의의 일부였었다.
웹3의 '올바른' 모델, 정의, 성공 지표에 대한 혼란은 사실 우리가 황금기에 있다는 신호다. 후대의 학생들과 과학자들은 우리를 부러워할 것이다. 우리는 올바른 시점에 올바른 장소에 있어, 이 기술의 발전 궤적을 형성할 기회를 갖게 된 것이다. 따라서 이 분야의 교과서는 아직 많지 않겠지만, 언젠가는 반드시 생길 것이며, 그 책들이 기술하게 될 내용은 바로 우리가 지금 하고 있는 일이다.
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