모듈형 아키텍처를 한눈에 이해하다: 플러그 앤 플레이 방식으로 블록체인 성능 병목 해결
글: @twilight_momo
지도 교수: @CryptoScott_ETH
TL;DR
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모놀리식 블록체인은 데이터 저장부터 거래 검증까지 네트워크의 모든 계층을 독자적으로 담당하며 포괄성을 자랑한다. 반면 모듈러 블록체인은 블록체인의 다양한 기능을 별도 모듈로 분리함으로써 특정 기능에서 성능과 원활한 사용자 경험을 제공하며 일정 부분 '불가능한 삼각형' 문제를 해결한다.
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이더리움은 스마트 컨트랙트를 지원하는 최초의 블록체인 플랫폼으로 모듈화 설계에 적합한 토양을 제공했다. 블록체인 기술의 발전에 따라 비트코인 생태계 역시 모듈화 가능성을 탐색하기 시작했으며, 새로운 모듈 추가를 통해 개선된 프라이버시 보호, 더 효율적인 거래 처리, 강화된 스마트 컨트랙트 기능 등의 고급 기능을 구현하고 있다.
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모듈러 기술은 더욱 '영혼 있는' 플러그 앤 플레이 제품 사고방식을 대표하며, 미래에는 더욱 유연하고 맞춤형 블록체인 솔루션이 등장할 것이다. 다양한 서비스와 기능들이 레고 블록처럼 쉽게 연결되고 분리될 수 있게 된다. 이러한 유연성 덕분에 개발자는 특정 애플리케이션 시나리오의 요구사항에 따라 신속하게 블록체인 솔루션을 구축하고 배포할 수 있다.
1. 모듈러 블록체인이란 무엇인가
출처: Celestia.org
모듈러 블록체인을 논의할 때 먼저 모놀리식 블록체인(Monolithic Blockchain) 개념을 이해해야 한다. 비트코인, 이더리움 등의 모놀리식 체인은 데이터 저장부터 거래 검증, 스마트 컨트랙트 실행에 이르기까지 네트워크의 모든 계층을 독자적으로 담당하며 포괄성으로 유명하다. 이 과정에서 모놀리식 체인은 모든 영역에 관여하는 다재다능한 역할(generalist)을 수행한다.
예를 들어 이더리움은 완성된 모놀리식 블록체인으로 일반적으로 다음과 같은 네 가지 아키텍처로 나뉜다:
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실행 계층 (Execution Layer)
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결제 계층 (Settlement Layer)
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데이터 가용성 계층 / DA 계층 (Data Availability Layer)
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합의 계층 (Consensus Layer)
아래 이미지는 블록체인 장부 기록을 축구 경기에 비유하여 각 계층의 역할을 상세히 설명한다:
이러한 비유를 통해 블록체인의 각 구성 요소가 어떻게 협력하는지 더 명확히 이해할 수 있다. 모놀리식 블록체인은 모든 기능을 동일한 체인 위에서 실행하는 반면, 모듈러 블록체인(Modular Blockchain)은 합의, 데이터 가용성, 실행, 결제 등 특정 작업을 담당하는 여러 전문 구성 요소 또는 계층으로 블록체인 시스템을 분해하는 새로운 형태의 블록체인 아키텍처이다.
모듈러 블록체인은 각자의 전문 분야에서 깊이 있는 연구와 기술 혁신에 집중하는 전문가(specialists) 그룹과 같다. 이러한 집중 덕분에 모듈러 블록체인은 특정 기능에서 뛰어난 성능과 사용자 경험을 제공할 수 있으며, 예를 들어 낮은 비용으로 더 빠른 거래 처리 속도를 제공할 수 있다.
노드 아키텍처 측면에서 모놀리식 체인은 전체 블록체인 데이터 사본을 다운로드하고 처리해야 하는 풀 노드에 의존한다. 이는 저장 및 컴퓨팅 리소스에 높은 요구를 제기할 뿐 아니라 네트워크 확장 속도도 제한한다. 반대로 모듈러 블록체인은 블록 헤더 정보만 처리하면 되는 라이트 노드 설계를 채택하여 거래 속도와 네트워크 효율을 크게 향상시킨다.
모듈러 블록체인의 두드러진 장점은 유연성과 협업성이다. 핵심 기능이 아닌 부분을 다른 전문가에게 아웃소싱함으로써 시너지를 창출하고 전체 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 이 설계 철학은 레고 블록과 같아서 개발자가 프로젝트 요구에 따라 다양한 모듈을 자유롭게 조합해 다양한 솔루션을 창조할 수 있도록 한다.
모놀리식 체인이 전반적인 통제력, 보안성, 안정성 면에서 우위를 점하고 있음에도 불구하고 확장성, 업그레이드 난이도, 새로운 요구사항에 적응하는 데 어려움을 겪고 있다. 반면 모듈러 블록체인은 높은 유연성과 맞춤형 특성으로 눈에 띄며, 새로운 블록체인 생성과 최적화 과정을 단순화한다.
하지만 모듈러 블록체인은 자체적인 도전 과제도 안고 있다. 복잡한 아키텍처는 설계, 개발, 유지보수 과정에서 개발자의 작업량을 증가시킨다. 새로운 기술로서 모듈러 블록체인은 아직 포괄적인 보안 테스트와 시장 변동의 시험을 받지 못했으며, 장기적인 안정성과 보안성은 여전히 추가 검증이 필요하다.
2. 왜 모듈러 블록체인이 필요한가
왜 모듈러 블록체인 기술이 광범위한 관심을 받으며 '미래 트렌드'로 예측되는가? 이는 블록체인 분야에서 유명한 '불가능한 삼각형' 이론과 밀접한 관련이 있다.
출처: chainlink
블록체인의 '불가능한 삼각형'이란 블록체인 네트워크가 동시에 보안성, 탈중앙성, 확장성이라는 세 가지 핵심 속성 모두에서 최적 상태를 달성하기 어렵다는 것을 의미한다.
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확장성은 네트워크가 많은 거래를 처리할 수 있는 능력과 사용자 및 거래량 증가 시에도 효율적이고 저렴하게 운영될 수 있는 능력을 말한다. 일반적으로 TPS(초당 거래량)와 지연 시간(거래 확인 소요 시간)으로 측정된다.
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보안성은 블록체인 네트워크를 공격으로부터 보호하는 비용과 난이도를 의미한다. 예를 들어, 비트코인의 PoW 메커니즘은 공격자가 전체 네트워크 해시파워의 51% 이상을 장악해야 하며, 이더리움의 PoS 메커니즘은 ⅓ 이상의 노드가 공모해야 한다.
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탈중앙성은 네트워크 운영이 단일 중심 노드에 의존하지 않고 다수의 노드에 분산되어 있다는 것을 설명한다. 노드가 많을수록 지리적 분포가 넓을수록 네트워크의 탈중앙화 정도가 높아진다.
'불가능한 삼각형'의 핵심 주장은 블록체인 시스템이 세 가지 특성 모두를 최적화하기 어렵다는 것이다. 예를 들어, 다수의 퍼블릭 체인 중 비트코인과 이더리움은 광범위한 노드 분포와 충분한 노드 수 덕분에 탈중앙성과 보안성에서 두각을 나타낸다.
그러나 이들은 확장성 일부를 희생하여 거래 속도가 느리고 거래 수수료가 높은 결과를 초래한다: 비트코인의 블록 생성 시간은 약 10분이며, 이더리움의 TPS는 약 13이다. 거래량이 급증할 경우 이더리움의 거래 수수료는 수백 달러에 이를 수 있다.
바로 이러한 배경에서 모듈러 블록체인 기술이 등장하였으며, 다양한 기능을 전담 모듈에 할당함으로써 기존 퍼블릭 체인의 확장성과 거래 비용 문제를 해결한다. 예를 들어, 비트코인의 라이트닝 네트워크와 이더리움의 롤업(Rollup) 기술은 모두 모듈화 사고방식의 구현이다.
모듈러 블록체인의 장점은 계층형 아키텍처에 있으며, 각 계층이 특정 요구사항에 맞춰 최적화될 수 있다. 데이터 계층은 데이터 저장과 검증에 집중할 수 있고, 실행 계층은 스마트 컨트랙트 로직을 처리할 수 있다. 이러한 분리는 성능과 효율을 향상시킬 뿐 아니라 서로 다른 블록체인 간의 상호 운용성을 촉진하여 개방적이고 연결된 생태계 구축의 기반을 마련한다.
종합하자면, 모듈러 블록체인 기술은 기존 퍼블릭 체인의 한계를 해결하는 새로운 방법을 제공한다. 탈중앙성과 보안성을 유지하면서 더 높은 확장성과 낮은 거래 비용을 실현하여 블록체인 기술의 광범위한 적용과 장기적 발전에 깊은 의미를 갖는다.
3. 모듈러 블록체인 분야 - 프로젝트 분석
모듈러 블록체인은 아키텍처 특성에 따라 다양한 유형으로 구분할 수 있다. 이러한 유형들 중 데이터 가용성 계층과 합의 계층은 밀접한 상호 의존성 때문에 종종 하나의 통합된 전체로 설계된다. 노드가 거래 데이터를 수신할 때 일반적으로 거래 순서도 동시에 결정되는데, 이는 블록체인의 보안성과 불변성의 핵심이기 때문이다.
이러한 설계 원칙을 바탕으로 실행 계층, 데이터 가용성 계층 및 합의 계층, 결제 계층 세 가지 측면에서 모듈러 블록체인의 다양한 프로젝트를 살펴볼 수 있다.
3.1 실행 계층
레이어 2 기술은 블록체인 아키텍처에서 실행 계층의 연장선으로, 모듈러 블록체인 개념의 일환으로 간주된다. 이는 기반 블록체인 위에 구축된 오프체인 네트워크, 시스템 또는 기술을 통해 메인체인의 확장성을 향상시키는 것을 목표로 한다.
@0xning이 제작한 Dune 대시보드에 따르면, 이더리움 생태계에서 레이어 2의 검증 및 정산에 소비되는 가스 비중은 평균 10% 미만으로, 사용자의 거래 비용을 크게 절감한다.
출처: https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war
롤업(Rollup) 기술은 현재 레이어 2에서 가장 주류가 된 해결책으로, 핵심 아이디어는 '오프체인 실행, 온체인 검증'이다. 즉, 오프체인에서 계산 등을 수행한 후 calldata를 메인넷으로 다시 업로드한다.
오프체인 실행
롤업 모델에서 거래는 오프체인에서 실행되며, 기반 블록체인은 스마트 컨트랙트 내 거래 증명을 검증하고 원시 거래 데이터를 저장하는 역할만 한다. 이 설계는 메인체인의 계산 부담을 크게 줄이고 저장 요구를 감소시켜 더 효율적인 거래 처리를 가능하게 한다.
비용을 추가로 절감하기 위해 롤업은 거래 패킹 기술을 활용한다. 마치 물류에서 화물 컨테이너링처럼, 개별 화물을 보내면 운송비가 매우 비싸다. 반면 롤업 기술은 여러 거래를 한데 묶어 '운송'을 한 번만 하므로 각 거래의 비용을 크게 낮춘다.
온체인 검증
온체인 검증은 레이어 2 네트워크 보안의 핵심이다. 레이어 2 네트워크는 기반 블록체인의 잠재적 분쟁을 해결하기 위해 암호화 증명을 제공해야 한다. 현재 두 가지 주류 증명 방식은 오류성 증명과 유효성 증명으로, 각각 Optimistic Rollups와 ZK Rollups를 지탱한다.
Optimistic Rollups의 오류성 증명
Optimistic Rollups는 모든 거래가 기본적으로 유효하다고 가정하는 낙관적 접근법을 사용하며, 오류가 있음을 입증할 명확한 증거가 없는 한 그렇다고 본다. 이 모델은 도전 기간 내 오류성 증명(사기 증명)에 의존하며, 네트워크 참여자는 누구나 스마트 컨트랙트 상태에 이의를 제기할 수 있어 네트워크의 공정성과 투명성을 보장한다.
L2BEAT의 데이터에 따르면, 현재 Optimistic Rollups 메커니즘을 사용하는 레이어 2는 총 16개로 Arbitrum, OP, Base, Blast 등이 있다.
출처: l2beat.com
ZK Rollups의 유효성 증명
Optimistic Rollups와 달리 ZK Rollups는 보다 신중한 접근법을 취하며, 모든 거래가 수락되기 전에 유효성 증명을 통과해야 한다. 이 증명 메커니즘은 검증 절차와 유사하여 레이어 2 네트워크의 모든 거래와 계산이 정확함을 보장한다.
간단히 말해, 유효성 증명은 ZK-Rollups의 기반이며, 매 거래 묶음마다 해당 증명을 첨부하여 기반 블록체인의 스마트 컨트랙트가 상태 변경을 검증하고 승인할 수 있도록 한다. 검증 노드 입장에서 ZK Rollups는 제로 에러 정산 메커니즘을 제공한다. 왜냐하면 모든 거래가 엄격한 유효성 검증을 통과해야 하기 때문이다.
L2BEAT의 데이터에 따르면, 현재 ZK Rollups 메커니즘을 사용하는 레이어 2는 총 11개로 Linea, Starknet, zkSync 등이 있다.
출처: l2beat.com
3.2 데이터 가용성 계층 및 합의 계층
3.2.1 Celestia
Celestia는 모듈러 블록체인 분야의 선구자로, 본질적으로 dApp 및 롤업 개발을 위한 견고한 기반을 제공하는 데이터 가용성 계층이다. Celestia의 데이터 가용성 계층과 합의 계층 위에 배포함으로써 애플리케이션 개발자는 실행 로직 최적화에 집중할 수 있으며, 데이터 가용성과 합의 메커니즘의 복잡성은 Celestia가 처리한다.
Celestia의 아키텍처 설계는 모듈화 확장을 위한 다양한 해결책을 제공하며, 주로 다음 세 가지 유형으로 구성된다:
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주권 롤업:Celestia는 데이터 가용성 계층과 합의 계층을 제공하고, 결제 계층과 실행 계층은 각각의 주권 체인이 독립적으로 구현한다.
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결제 롤업(예: Cevmos 프로젝트):Celestia가 제공하는 DA 및 합의 계층을 기반으로 Cevmos는 결제 계층 서비스를 제공하고, 애플리케이션 체인이 실행 계층의 역할을 맡는다.
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Celestium:데이터 가용성 계층은 Celestia가 담당하고, 합의 계층과 결제 계층은 이더리움의 강력한 네트워크에 의존하며, 애플리케이션 체인은 계속해서 실행 계층에 집중한다.
Celestia는 여러 혁신적인 기술을 도입하여 데이터 저장 비용을 크게 낮추고 저장 효율을 최적화했다.
삭제 코드 기술
Celestia의 혁신 중 하나는 삭제 코드(Erasure Codes)의 적용이다. Mustafa Albasan(Celestia 공동 창립자 중 한 명)과 Vitalik Buterin이 공동 집필한 논문 '데이터 가용성 샘플링과 사기 증명'에서는 새로운 아키텍처 아이디어를 제시하는데, 풀 노드는 블록 생성을 담당하고 라이트 노드는 블록 검증을 담당한다는 것이다. 삭제 코드 기술은 데이터 전송 과정에서 중복성을 도입하여 데이터의 50%가 유실되더라도 원래 데이터 블록을 완전히 복원할 수 있다.
이 메커니즘은 블록 데이터의 100% 가용성을 보장하기 위해 블록 생성자가 네트워크에 블록 데이터의 50%만 게시하면 된다는 것을 의미한다. 악의적인 생성자가 블록 데이터의 1%를 조작하려 한다면 실제로는 전체 데이터의 50%를 조작해야 하므로 악행 비용이 크게 증가한다.
데이터 가용성 샘플링
Celestia는 데이터 가용성 샘플링(Data Availability Sampling, DAS) 기술을 도입하여 블록체인 확장성 문제를 해결한다. DAS의 작동 흐름은 다음과 같은 핵심 단계를 포함한다:
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무작위 샘플링:라이트 노드는 블록 데이터에 대해 여러 차례 무작위 샘플링을 수행하며, 매번 블록 데이터의 일부만 요청한다.
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신뢰도 점진적 증가:라이트 노드가 더 많은 샘플링 라운드를 완료할수록 데이터 가용성에 대한 자신감이 점차 높아진다.
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신뢰 임계점 도달:라이트 노드가 샘플링을 통해 사전 설정된 신뢰 수준(예: 99%)에 도달하면 해당 블록의 데이터가 가용하다고 간주한다.
이 메커니즘 덕분에 라이트 노드는 전체 블록 데이터를 다운로드하지 않더라도 블록 데이터의 가용성을 검증할 수 있어 블록체인 데이터의 무결성과 가용성을 보장한다. Celestia는 상태 실행보다 데이터 가용성에 집중함으로써 블록 생산률을 높이고 각 블록에 더 많은 공간을 제공하여 더 많은 샘플링 데이터를 수용할 수 있으므로 TPS(초당 거래 처리량)를 크게 향상시킨다.
3.2.2 EigenLayer
EigenDA는 안전하고 고처리량, 탈중앙화된 데이터 가용성 서비스로, EigenLayer에서 처음으로 출시된 액티브 검증 서비스(AVS)이다. AVS는 노드 운영업체로 이해할 수 있으며, 이더리움의 수천 개 노드 운영업체 중에서 선택된 일부로, 본업(이더리움 합의 검증 담당) 외에 롤업 등 합의 검증이 필요한 네트워크를 위한 부업을 추가로 수행하여 추가 수익을 얻는다.
리스테이킹된 이더리움 수량이 증가하고 앞으로 더 많은 AVS가 EigenLayer 생태계에 참여함에 따라 롤업은 EigenLayer 생태계에서 더 낮은 거래 비용과 더 높은 보안 상호 운용성을 얻을 수 있다.
EigenLayer는 이더리움 기반 리스테이킹 프로토콜로, 이더리움 컨센서스 레이어의 스테이커를 검증자로 활용한다. 즉, 이더리움의 일부 보안성을 활용하여 중앙화된 서비스 제공업체나 자체 토큰의 신뢰 위험을 피함으로써 다른 프로젝트 팀의 개발 진입 장벽을 낮춘다. 동시에 이더리움의 신뢰 네트워크를 강화하고 이더리움의 가치와 영향력을 높인다.
아키텍처 측면에서 EigenDA는 ZK 기술을 사용하여 레이어 2가 제출한 상태 데이터를 검증하며, 리스테이킹된 ETH로 보장된 합의 보안의 EigenDA 네트워크가 최종성을 책임지고, 마지막으로 레이어 2의 상태 데이터를 이더리움 메인넷에 제출하고 저장한다. 따라서 EigenDA는 이더리움 메인넷의 DA 서비스 중 검증과 최종성 단계의 하청업체 역할을 하며, Celestia와 같은 경쟁자와는 다르다.
3.2.3 Avail
Avail은 Polygon 팀이 2023년 6월 발표한 모듈러 블록체인 프로젝트로, 올해 3월 Polygon에서 분사되어 독립 법인으로 운영되고 있다. 현재 Avail은 테스트넷에서 운영 중이며 최근 4300만 달러 규모의 A라운드 펀딩을 마쳤으며, Dragonfly와 Cyber Fund가 공동으로 리드했다.
Avail의 핵심 아키텍처는 주로 Avail DA, Avail Nexus, Avail Fusion 세 부분으로 구성된다. Avail DA는 모듈화된 데이터 가용성 계층으로, Celestia와 마찬가지로 다양한 블록체인에 DA 서비스를 제공한다. Avail Nexus는 표준화된 크로스체인 메시지 전달 프로토콜로 Cosmos의 IBC 프로토콜과 유사하며, 다양한 체인 간 상호 운용성을 제공한다. Avail Fusion은 다자산 스테이킹 PoS 합의를 도입하여 전체 Avail 네트워크에 보안 합의를 제공하는 것을 목표로 한다.
기술 측면에서 Avail DA는 사기 증명을 피하기 위해 Kate 다항식 커밋을 사용하며, 대부분의 노드가 정직하다는 가정이 필요 없고 풀 노드에 의존하지 않아 데이터 가용성을 얻는다. 이는 사기 증명에 기반한 Celestia의 아키텍처와 다르며, 기술적으로 근본적인 차이가 있다.
Celestia, Avail 등의 모듈화 데이터 가용성 블록체인 프로젝트의 등장으로 모듈화 DA 워(DA War)는 점점 더 치열해질 것이며, 이더리움의 DA 계층 기능도 분산될 가능성이 크다. 미래에는 '일초다강(一超多强)'의 경쟁 구도가 형성될 가능성이 높다.
3.3 결제 계층
3.3.1 Dymension
Dymension은 Cosmos 기반의 모듈러 블록체인 플랫폼으로, 내장된 확장 가능한 롤업 기술을 통해 RollApp 개발에 간결한 프레임워크를 제공한다. Dymension의 아키텍처에서 개발자는 Rollup 개발 툴킷(RDK)과 전용 결제 계층을 활용하여 특정 애플리케이션에 맞춘 롤업을 신속하게 배포하며, 비즈니스 로직 구현에 집중할 수 있다.
Dymension의 아키텍처는 두 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있다: RollApp과 Dymension Hub.
RollApp은 롤업과 앱의 융합체로, Dymension 상에서 특정 애플리케이션을 위한 고성능 모듈러 블록체인이다. RollApp은 DeFi 플랫폼, Web3 게임, NFT 거래시장 등의 탈중앙화 애플리케이션 전용 레이어 2 솔루션을 포함한 다양한 형태로 나타날 수 있다.
RollApp에서 정렬기(Sequencer)는 중요한 역할을 담당하며, 로컬 거래의 검증, 정렬 및 처리를 책임진다. 블록 패킹이 완료되면 이 데이터는 동등한 풀 노드로 전달되어 RollApp이 선택한 데이터 가용성 네트워크(예: Celestia)에 온체인으로 게시된다. Celestia로부터 응답을 받은 후 정렬기는 상태 루트를 Dymension Hub로 보내 합의 형성과 결제를 수행한다.
Dymension Hub는 전체 생태계의 중심으로 합의 계층과 결제 계층의 기능을 수행한다. RollApp에서 온 상태 루트를 수신하여 RollApp에 최종 거래 확인과 결제 서비스를 제공한다.
이러한 설계를 통해 롤업은 합의와 결제 작업을 Dymension Hub에 위임하고, 데이터 저장과 검증 작업은 Celestia 등의 DA 네트워크에 맡길 수 있다. 이렇게 함으로써 롤업은 두 네트워크의 경제적 보안을 공유하면서 애플리케이션 자체의 실행 효율성과 사용자 경험 향상에 집중할 수 있다.
3.3.2 Cevmos
Cevmos라는 이름은 Celestia, EVMos, CosmOS를 결합한 것으로, EVM 호환 롤업에 결제 계층을 제공하는 것을 목표로 한다.
Cevmos 자체가 롤업이기 때문에 그 위에 구축된 모든 롤업은 결제 롤업(settlement rollup)으로 통칭된다. 각 롤업은 Cevmos 롤업과의 최소한의 상호 신뢰 브리지(bridge)를 통해 기존 이더리움 롤업 컨트랙트와 애플리케이션을 재배포하여 마이그레이션 작업량을 줄인다. Cevmos 상의 롤업은 데이터를 Cevmos에 게시한 후, Cevmos가 데이터를 일괄 처리하여 Celestia에 게시한다. 이더리움과 마찬가지로 Cevmos는 롤업 증명을 수행하는 결제 계층 역할을 한다.
4. 비트코인 생태계의 모듈러 블록체인
Ordinals 프로토콜이 가져온 인스크립션 부자 현상과 비트코인 ETF 승인 등 여러 긍정적 요인이 겹쳐져 비트코인 생태계에 새로운 활력을 불어넣었다. 시장의 관심은 빠르게 비트코인 생태계로 쏠렸으며, 기관 투자자들의 자금도 이 분야로 몰리며 비트코인 생태계 미래 발전에 대한 자신감과 기대를 보였다.
이러한 배경에서 비트코인 레이어 2 기술은 번성하는 양상을 보이며, 다양한 기술 방안이 등장하여 다원적이고 활기찬 기술 생태계를 형성하고 있다. 다양한 혁신 방안이 등장하며 비트코인 네트워크의 확장과 최적화를 함께 추진하고 있다.
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