제로지식 증명: 그것이 가져올 수 있는 변화는 얼마나 클까?
글: 0xKira
번역: Block unicorn
암호학과 블록체인의 지속적인 발전 속에서, 제로지식(ZK) 증명만큼 큰 주목을 받는 혁신은 거의 없다. 한때 컴퓨터 과학 이론 논문 속 난해한 학술 개념에 불과했던 제로지식 증명은 이제 종이 위의 아이디어를 넘어 메인넷으로 빠르게 전개되며 차세대 암호화 인프라의 기반이 되고 있다.
제로지식 증명의 핵심은 디지털 시스템에서 오랫동안 존재해온 하나의 가정을 도전하는 것이다. 즉, 검증에는 정보 노출이 필요하다는 점이다. 애플리케이션에 로그인하거나 신원을 인증하거나 거래를 확인할 때까지, 우리는 항상 신뢰를 얻기 위해 어떤 정보를 공개해야 했다. 제로지식 증명 기술은 이러한 트레이드오프를 깨뜨리며, 내부 정보를 공개하지 않고도 신원, 데이터 또는 계산에 관한 사실을 입증할 수 있게 해준다.
개인정보 보호 외에도, 제로지식 증명은 확장성, 상호운용성 및 신뢰 없이도 가능한 검증을 글로벌하게 실현할 수 있다. ZK 롤업을 통한 블록체인 처리량 확장부터 프라이버시 보호 신원 및 컴플라이언스 시스템에 이르기까지, 제로지식 증명은 암호화 영역의 가능성을 재정의하고 있다.
요약
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제로지식(ZK) 증명은 기본 데이터를 공개하지 않으면서도 신원, 잔고 또는 거래 유효성 등의 정보를 검증할 수 있다.
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제로지식 증명 기술은 1980년대에 처음 제안되었지만, 최근에야 컴퓨팅, 암호학 및 블록체인 기술의 발전으로 인해 실용화되었다.
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ZK 증명은 프라이빗 거래, 탈중앙화 신원, DAO 투표 및 크로스체인 상호운용성을 지원하며, ZK 롤업을 통해 수천 건의 거래를 단일 증명으로 묶어 이더리움의 규모를 확장한다.
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계산 부하가 크지만, ZK 롤업 알고리즘은 즉각적인 최종성, 더 낮은 수수료 및 강화된 보안을 제공하여 Optimistic 방식보다 앞서 있다.
제로지식 증명이란?
제로지식(ZK) 증명은 한 당사자(증명자)가 다른 당사자(검증자)에게 어떤 진술이 참임을 입증할 수 있지만, 그 진술이 왜 참인지 또는 추가 정보는 전혀 공개하지 않는 암호학적 방법이다.
예를 들어, 앨리스가 밥에게 동굴 안 숨겨진 문의 비밀번호를 알고 있다는 것을 증명하고 싶지만, 비밀번호를 직접 알려주고 싶지는 않다. 그녀는 동굴에 들어가 문을 열고 반대편에서 나타난다. 밥은 그녀가 어떻게 했는지는 보지 못했지만, 분명히 비밀번호를 알고 있다는 것을 알게 된다.
제로지식 증명의 고전적 비유 — Chainlink
전통적으로 검증은 일부 정보 공개를 필요로 한다. 예를 들어 신원 정보, 비밀번호 또는 데이터 등이다. 제로지식 증명은 이 패턴을 뒤집어, 데이터 자체를 노출하지 않고도 신원, 진위 여부 또는 소유권을 입증할 수 있게 한다.
디지털 시스템에서는 이를 통해 다음과 같은 일이 가능하다:
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생년월일을 공개하지 않고도 만 18세 이상임을 입증할 수 있다.
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지갑 잔액을 공개하지 않고도 자금이 충분함을 입증할 수 있다.
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거래 내용을 공개하지 않고도 거래의 유효성을 입증할 수 있다.
이러한 "정보를 공개하지 않으면서도 입증하는" 능력은 개인정보 보호, 보안 및 투명성을 동시에 유지하는 시스템의 기반이 되며, 제로지식 증명은 이 두 가지 특성을 모두 충족시킨다.
작동 원리는 무엇인가?
제로지식 증명은 난해한 수학 구조와 암호학 원리를 기반으로 하지만, 개념적으로 보면 다음 세 가지 기본 속성으로 요약된다:
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완전성(Completeness): 진술이 참이라면, 정직한 증명자는 검증자가 그 진술이 참임을 믿도록 설득할 수 있다.
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건전성(Soundness): 진술이 거짓이라면, 어떠한 부정직한 증명자도 검증자를 속여 그 진술이 참이라고 믿게 할 수 없다.
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제로지식(Zero-Knowledge): 검증자는 해당 진술이 참이라는 것 외에는 어떤 정보도 얻지 못한다.
실제로 제로지식 증명에는 여러 유형이 있지만, 현재 논의의 중심은 주로 두 가지 유형에 집중되어 있다: 대화형과 비대화형 제로지식 증명이다.
초기 설계에서는 제로지식 증명이 대화형이었다. 증명자와 검증자가 양방향 대화를 나누며, 검증자가 무작위 도전(challenge)을 제시하고 증명자가 응답으로 증명을 제공하여, 특정 진술의 진실성에 대한 신뢰를 함께 구축한다. 이 모델은 이론적으로는 효과적이지만, 블록체인 환경에서는 당사자들이 실시간으로 상호작용하기 어려워 효율성이 떨어진다.
이를 더욱 실용적으로 만들기 위해 암호학자들은 비대화형 제로지식 증명(NIZK)을 개발했다. 이 방식은 증명자가 검증자에게 단 한 번의 메시지만 보내면 검증을 완료할 수 있다. 가장 유명한 것은 zk-SNARKs로, 매우 간결한 증명을 생성하며 밀리초 안에 검증이 가능하다. 또 다른 변형인 zk-STARKs는 신뢰할 수 있는 설정(trusted setup)이 필요 없으며 양자 이후 보안 수준을 제공한다.
zk-SNARKs 작동 원리 — Midnight Network
본질적으로 이러한 시스템은 증명자가 유효한 계산의 수학적 '지문'을 생성하도록 허용한다. 검증자는 이후 전체 계산을 다시 수행하지 않고도 그 지문을 확인할 수 있다. 이것이 바로 블록체인 확장에서 이 기술이 매우 강력한 이유다. 단 하나의 암호학적 증명만 확인하면 수천 건의 거래를 빠르고 저비용으로 검증할 수 있기 때문이다.
제로지식 증명은 언제 발명되었는가?
제로지식 증명의 역사는 1980년대 중반으로 거슬러 올라간다. 연구자 Shafi Goldwasser, Silvio Micali, Charles Rackoff가 1985년 발표한 획기적인 논문 「대화형 증명 시스템의 지식 복잡성(The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems)」에서 이 개념을 처음 소개했다.
그들의 초기 이론 모델은 이후 수십 년간의 암호학적 혁신의 기초를 마련했지만, 컴퓨팅 효율성 향상과 블록체인 기술의 등장 덕분에 2010년대에 와서야 비로소 실용화될 수 있었다.
2016년 출시된 Zcash 등의 프로젝트는 zk-SNARKs를 사용해 공개 원장 상에서 프라이빗 거래를 구현하며, 제로지식 증명을 최초로 대규모로 적용한 사례 중 하나였다. 이후 제로지식 증명 기술은 눈부신 발전을 이루었으며, 효율성은 향상되고 증명 생성 속도는 빨라졌으며 새로운 프레임워크(zk-STARKs, Halo, PLONK 등)가 등장해 개발자들이 더 쉽게 사용할 수 있고 실제 시스템 확장에 더 적합해졌다.
암호화 분야에서의 제로지식 증명 활용 사례는 무엇인가?
가장 직관적이고 널리 알려진 사용 사례는 개인정보 보호 거래이다. 제로지식 증명을 통해 사용자는 공개 블록체인에서 거래 금액이나 거래 상대방 등의 민감 정보를 노출하지 않고도 거래를 수행할 수 있다. Zcash는 이 기술의 선구자로서, 사용자 프라이버시를 보호하면서도 체인 상에서 검증 가능한 무결성을 유지하는 '차폐 거래(shielded transactions)' 메커니즘을 도입했다. 이를 바탕으로 Tornado Cash, Aztec, Railgun 등의 프로젝트는 제로지식 증명 기술을 이더리움으로 확장해 프라이빗 스마트 컨트랙트 상호작용과 비공개 DeFi 거래를 가능하게 했다.
Tornado Cash 작동 원리 - Elliptic
개인정보 보호 외에도, 제로지식 증명은 디지털 신원 및 규제 준수 분야를 혁신하고 있다. 사용자가 개인 데이터를 공개하지 않으면서도 특정 사실을 입증할 수 있도록 선택적 정보 공개(selective disclosure)를 지원한다. 예를 들어, 이름을 공개하지 않아도 KYC 인증을 통과했음을 입증하거나, 신분 정보를 제공하지 않아도 제재 명단에 포함되지 않았음을 확인할 수 있다. 이 원칙은 Worldcoin의 인간성 증명, Polygon ID, zkPass 등의 새롭게 부상하는 제로지식 신원 시스템의 기반이 된다.
Polygon ID: 제로지식 증명을 지원하는 신원 시스템 - Polygon
제로지식 증명은 투표 및 거버넌스에서도 강력한 활용 가치를 지닌다. 탈중앙화 자율조직(DAO)에서 제로지식 증명은 익명이면서도 검증 가능한 투표 과정을 가능하게 하여 결과의 투명성을 보장하면서도 개인 투표자의 신원 프라이버시를 보호한다. 이는 강압이나 보복의 위험을 줄이고, 집단 의사결정에 더 정직하게 참여하도록 장려하며, 탈중앙화 거버넌스의 민주적 원칙을 강화한다.
제로지식 증명의 또 다른 장점은 크로스체인 검증 분야에서 드러난다. 멀티체인 환경에서, 전통적으로 서로 다른 블록체인 간에 신뢰를 구축하려면 중개기관이나 복잡한 브리지 메커니즘이 필요했다. 제로지식 증명은 더 우아한 해결책을 제공한다. 한 체인에서 생성된 증명은 그 상태의 유효성을 입증할 수 있으며, 다른 체인이 그 증명을 독립적으로 검증할 수 있다. 이를 통해 신뢰 없이도 상호운용성이 가능해져, 서로 다른 블록체인이 중앙화된 검증기에 의존하지 않고도 안전하게 통신할 수 있다.
ZK 기술은 또한 ZK 롤업을 통해 이더리움의 확장성도 향상시키고 있다. 수천 건의 거래를 단일 암호학적 증명으로 묶음으로써, 보안을 유지하면서 체인 상 데이터 부담을 크게 줄인다. 그 결과 거래 처리 속도가 빨라지고, 비용이 낮아지며, 효율성이 향상되어 이더리움이 탈중앙화 특성을 해치지 않고도 대규모 애플리케이션을 수용할 수 있는 기반을 마련한다.
ZK 롤업 상세 설명
제로지식 증명 기반의 모든 응용 중 ZK 롤업은 단연 가장 파격적인 기술이다. 이는 암호화폐 분야에서 가장 큰 도전 과제 중 하나인 블록체인 확장성 문제를 해결한다.
블록체인 기술이 등장한 이래, 모든 블록체인은 블록체인 삼중난제(trilemma)에 직면해왔다. 즉, 모든 블록체인은 보안성, 확장성, 탈중앙화라는 세 가지 핵심 속성 중 두 가지만 실현할 수 있다는 것이다. 이더리움과 같은 블록체인은 보안하고 탈중앙화되어 있지만, 여전히 느리고 수수료가 비싸다. 모든 거래는 모든 노드에 의해 검증되어야 하므로 병목 현상이 발생하고 처리량이 제한되며, 가스 수수료가 치솟아 블록체인의 실용성이 크게 저하된다.
롤업(Rollup)은 Layer-2 솔루션으로, 체인 외부에서 거래를 실행한 후 요약 정보를 메인체인 또는 Layer-1(보통 이더리움)으로 되돌려 보낸다. 롤업은 주로 두 가지로 나뉜다: Optimistic 롤업과 ZK 롤업이다.
ZK 롤업에서는 수백에서 수천 건의 오프체인 거래가 함께 패키징된다. 증명자는 모든 패키징된 거래가 블록체인 규칙을 따름을 나타내는 제로지식 증명(유효성 증명이라고도 함)을 생성한다. 그런 다음 이 단일 증명이 메인체인에 제출되며, 메인체인은 이를 빠르고 확실하게 검증할 수 있다.
ZK 롤업 작동 원리 - Messari
이 설계는 각 거래를 개별적으로 처리하는 것과 동일한 수준의 보안 보장을 유지하면서 Layer-1의 데이터량과 계산 부담을 크게 줄여, Layer-1의 속도와 규모 병목 현상을 해소한다.
대표적인 ZK 롤업 프로젝트로는 다음과 같은 것들이 있다:
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zkSync Era: Matter Labs가 개발했으며, zk-SNARKs를 사용해 빠른 최종성을 제공한다.
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StarkNet: zk-STARKs 기반으로 구축되어 확장성과 투명성을 강조한다.
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Polygon zkEVM: 이더리움 가상 머신(EVM)의 제로지식 구현으로, 기존 이더리움 스마트 컨트랙트와의 완전한 호환성을 제공한다.
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Lighter: Plonky2라고 하는 zk-SNARKs를 사용하는 맞춤형 ZK 롤업 기반의 영구 DEX 플랫폼이다.
ZK 롤업의 장점
수천 건의 거래를 단일 암호학적 증명으로 압축함으로써, ZK 롤업은 처리량을 크게 향상시켜 이더리움과 같은 블록체인이 탈중앙화나 보안성을 희생하지 않고도 더 많은 활동을 처리할 수 있게 한다.
보안성은 또 다른 핵심 장점이다. 일주일 정도의 도전 기간을 두고 사기 행위를 경제적 인센티브로 탐지하는 Optimistic 롤업과 달리, ZK 롤업은 수학적 유효성 증명을 사용해 사전에 정확성을 보장한다. 일단 체인 상에서 증명이 검증되면, 관련 거래는 즉시 최종적이며 변경 불가능해지므로 지연과 불확실성이 제거된다.
이는 더 빠른 확인 속도를 의미한다. ZK 롤업의 거래는 대응 증명이 검증된 직후 즉시 결제되며, Optimistic 시스템에서 흔한 대기 시간과 비교해 사용자는 거의 즉각적인 최종 결과를 얻을 수 있다.
비용 효율성 또한 주요 장점이다. ZK 롤업은 Layer-1 블록체인에 극소량의 데이터만 제출하므로 가스 수수료가 크게 낮아져 사용자와 애플리케이션이 이더리움 상에서 운영하는 비용이 절감된다.
더욱 흥미로운 점은, ZK 롤업이 프라이버시 보호 강화의 문을 열어준다는 것이다. 본질적으로 제로지식 암호학 위에 구축되어 있기 때문에, 이론적으로 기밀성을 롤업 자체에 직접 내장시켜 대규모의 비공개이면서도 검증 가능한 거래를 실현할 수 있다.
현재의 주요 제한은 계산 요구사항이다. 제로지식 증명 생성은 여전히 많은 자원을 소모하며, 강력한 하드웨어와 고급 암호학 기술이 필요하다. 그러나 하드웨어 가속, 회로 설계 및 재귀적 증명 분야에서의 지속적인 발전이 이러한 비용을 꾸준히 낮추고 있어, 매 세대마다 ZK 롤업의 효율성이 더욱 높아지고 있다.
Optimistic 롤업과의 비교
Arbitrum 및 Optimism과 같은 Optimistic 롤업은 다른 철학을 따른다. 이들은 오프체인 거래가 기본적으로 유효하다고 가정한다. 누군가 이 가정을 도전할 경우에만 시스템은 논쟁을 검증하기 위한 '사기 증명(fraud proof)'을 요구하며, 이 과정은 보통 일주일 정도 소요된다. 이 모델은 실무에서 잘 작동하지만, 거래 최종 확인에 지연이 발생하며 무효 활동을 발견하고 신고하도록 참여자를 유도하기 위해 인센티브 메커니즘에 의존한다.
반면 ZK 롤업은 각 거래 배치에 제로지식 유효성 증명을 첨부하여, 메인체인에 기록되기 전에 수학적으로 정확성을 확인함으로써 즉각적인 최종성과 더 강력한 보안을 제공한다. 다만 이는 더 높은 기술적 복잡성과 더 큰 계산량을 동반한다.
본질적으로 이 두 모델은 서로 다른 트레이드오프를 나타낸다. Optimistic 롤업은 구현이 더 쉬우며, 단순성과 이더리움 가상머신(EVM)과의 완전한 호환성 덕분에 현재 이더리움의 Layer-2 분야에서 주도적인 위치를 차지하고 있다. ZK 롤업은 더 복잡하고 계산 부하가 크지만, 더 빠른 결제 속도, 더 낮은 비용, 내장된 프라이버시 가능성이라는 장점을 제공한다.
결론
제로지식 증명은 디지털 시스템에서 신뢰, 개인정보 보호 및 검증 방식에 대한 패러다임 전환을 의미한다. 1980년대의 추상적 암호학 이론에서 시작된 이 기술은 오늘날 차세대 탈중앙화 인프라를 이끄는 가장 유망한 기술 중 하나가 되었다.
암호화 분야에서 제로지식 증명은 프라이빗 거래, 탈중앙화 신원, 크로스체인 상호운용성뿐 아니라, 특히 이더리움 수준의 보안성을 유지하면서 처리량을 수배 이상 증가시키는 확장 가능한 롤업 아키텍처를 지원한다. 그 응용 범위는 블록체인을 넘어 금융, 인공지능, 데이터 검증 분야로도 확장되고 있다.
제로지식 증명의 응용은 아직 비교적 초기 단계이지만, 발전 궤적은 이미 명확하다. 제로지식 증명은 암호학 분야의 기이한 기술에서 인프라 구축의 필수 구성 요소로 전환되고 있다. 블록체인이 개인정보 보호와 탈중앙화를 유지한 채 수십억 명의 사용자 규모로 확장하려면, 제로지식 증명이 바로 그 미래를 열 열쇠가 될 가능성이 높다.
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