재귀 제로지식 증명을 통한 데이터 상호작용 구현: 미나 생태계의 다양한 응용 시나리오
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재귀 제로지식 증명을 통한 데이터 상호작용 구현: 미나 생태계의 다양한 응용 시나리오
성능 병목을 어떻게 극복하고 보다 안전하고 프라이버시를 보호하며 효율적인 온체인·오프체인 데이터 상호작용을 구현할 것인지는 현재 블록체인이 대중화로 나아가기 위해 시급히 해결해야 할 문제이며, Mina Protocol을 대표로 하는 zk-SNARKs 퍼블릭 블록체인의 발전 기회이기도 하다.
Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰2021년 9월 2일, 이더리움 창시자 비탈릭은 트위터에서 네티즌의 질문에 답변하며 다음과 같이 밝혔다.
나는 ZK-SNARK 기술이 향후 10~20년 내에 주류 사회로 확산되어 중대한 혁명을 일으킬 것으로 예상한다.
zk-SNARK 기술은 방대한 정보를 소위 '간결한 증명'으로 압축할 수 있게 해주어 네트워크 TPS 향상과 연산 가스(Gas) 절감 측면에서 중요한 역할을 한다. 블록체인 발전 역사 10여 년 동안 우리는 DeFi의 부상, NFT 열풍, 메타버스의 인기를 함께 지켜보았다. 이러한 시도들은 블록체인 활용 방식을 다양화했을 뿐 아니라 생태계의 경계를 넓히는 데 기여했다.
앞으로 응용 시나리오가 더욱 풍부해지고 블록체인이 현실 세계와 더 긴밀하게 융합되는 것은 대세이다. 성능 병목 현상을 어떻게 돌파하고 보다 안전하고 프라이버시 친화적이며 효율적인 체인 내외 데이터 상호작용을 실현할 것인지가 현재 블록체인이 대중화되기 위해 해결해야 할 시급한 과제이며, Mina Protocol과 같은 zk-SNARK 기반 공개 블록체인의 발전 기회이기도 하다.
재귀적 제로지식 증명: 더 간결하고 안전한 블록체인 구축
빅데이터를 통한 가격 차별; 사용자 데이터 판매; 데이터 불투명성으로 인한 사용자 사기 사건 등… 중심화된 구조의 단점이 점점 두드러지고 있으며, 사람들은 블록체인이 가지는 탈중앙화, 위변조 불가능한 '신뢰 없음(trustless)' 아키텍처를 통해 신뢰 매개체를 제거하고 다양한 거래와 협업을 수행하기를 원한다. 모든 정보를 체인에 올리고 모두가 그 사실을 증인하는 것이다.
하지만 아쉬운 점은 정보의 체인 등재가 프라이버시 보호와 배치된다는 것이며, 탈중앙화는 번거로운 반복 계산을 초래한다. 거래 규모가 증가함에 따라 각 블록체인 참여자가 기록해야 하는 데이터도 늘어나며 블록체인은 점점 무거워진다. 새로 참여하는 사용자는 오랜 시간 동안 데이터를 동기화해야 할 뿐 아니라 고가의 하드웨어 장비를 갖추고 많은 전력을 소비해야 하므로 노드가 되는 데 드는 진입 장벽이 자연스럽게 높아진다. 이 때문에 현재 블록체인 생태계는 여전히 제3자에게 거래 검증을 의존하는 현상이 존재하며, 이는 블록체인 네트워크 보안에도 위협이 된다.
zk-SNARKs는 이러한 문제를 해결할 수 있는 실현 가능한 기술이다.
zk-SNARKs를 이해하기 전에 먼저 제로지식 증명(Zero Knowledge Proof) 개념을 살펴보자.
복잡한 수학적 논리는 잠시 제쳐두고, 말 그대로 제로지식 증명이란 증명자가 검증자에게 어떤 유용한 정보도 제공하지 않으면서도 검증자로 하여금 특정 주장이 옳음을 믿게 만드는 것을 의미한다. 이를 팬더 찾기 게임으로 설명해보자.
여러 사람이 아래 이미지 속 숨어있는 팬더를 찾고 있다. 소A가 가장 먼저 팬더 위치를 발견했지만, 바로 알려줄 수는 없다. 왜냐하면 다른 사람들의 게임 경험을 망치게 되기 때문이다.
소A가 팬더의 위치를 알고 있다는 것을 증명하면서도 다른 누구에게도 정답을 알려주지 않는 방법은 없을까?
이에 소A는 한 가지 방법을 떠올린다.
그는 매우 큰 흰 종이를 가져와 팬더가 있는 사진 위에 아무렇게나 덮은 후, 흰 종이에 작은 구멍을 뚫어 팬더만 보이게 한다.
이렇게 하면 팬더의 위치라는 핵심 정보는 보호되면서도 소A는 다른 사람에게 팬더의 위치를 알려주지 않고 자신이 팬더를 찾았음을 증명할 수 있다. 이것이 바로 제로지식 증명이다.
zk-SNARKs는 Zero Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge의 약자로, 비대화형 제로지식 증명이라 불리며 제로지식 증명 기술을 바탕으로 한 혁신적 발전이다. zk-SNARKs는 "위조 불가능한 증명"을 제공하여 전체 계산 과정을 공개하지 않고도 계산이 올바르게 수행되었음을 입증할 수 있다. 기존 제로지식 증명과 비교해 zk-SNARKs는 정보를 유출하지 않을 뿐 아니라 상호작용이 필요 없으며, 복잡한 논리도 쉽게 검증 가능하고 증명 자체를 매우 작게 압축할 수 있다.
따라서 많은 zk-SNARKs 기술을 도입한 공개 블록체인들은 각 블록마다 SNARK 증명을 생성하는데, 하나의 SNARK 크기는 약 1KB 정도이며 모든 거래를 표시하지 않아도 블록 거래 이력의 정확성을 증명할 수 있으므로 블록 크기를 크게 줄일 수 있다.
zk-SNARKs를 도입한 블록이 이미 작긴 하지만, 블록이 계속 쌓이면서 SNARK 증명도 점점 많아지고 결국 블록 데이터는 여전히 선형적으로 증가하게 된다. 블록체인은 더 간결해질 수 있다.
따라서 초경량 블록체인 프로토콜 Mina Protocol은 혁신적으로 재귀적 제로지식 증명이라는 개념을 제안했다.
블록체인 전체 상태를 스냅샷으로 찍고, 이에 대한 SNARK 증명을 생성한다. 다음 블록이 생성될 때는 기존 블록체인 상태 스냅샷을 기반으로 다시 스냅샷을 찍고 또 다른 SNARK 증명을 생성한 후 이를 다음 블록에 중첩시키는 식으로 반복적으로 수행함으로써 블록 크기를 일정하게 유지할 수 있다.
자주 인용되는 예시 하나를 들어보자.
당신이 1년 내내 매일 광장에 다녀왔음을 증명하고자 한다(광장에는 날짜가 표시된 시계 있음). 가장 쉬운 방법은 365일 동안 매일 사진을 찍어 출석을 확인하는 것이다. 결국 365장의 사진이 최종 증거가 된다.
또 다른 방법은 둘째 날부터 매일 사진을 찍을 때 전날의 사진을 들고 찍는 것이다. 그렇게 하면 일 년 후에는 단 한 장의 사진만으로도 증명이 가능하다. 이것이 바로 Mina가 채택한 재귀적 증명 방식이다.
이 덕분에 Mina 노드는 전체 이력을 동기화할 필요가 없다. 비록 이러한 노드들이 완전 노드(full node)는 아니지만, SNARK가 거래의 정확성을 증명해주기 때문에 완전 노드와 동일한 수준의 보안성을 가진다.
재귀적 제로지식 증명을 통해 Mina 블록체인은 매우 '가벼워진다'. Mina의 전체 노드는 단 10KB만으로도 가능하며, 이는 Mina가 효율성과 보안성 면에서 다른 공개 블록체인들과 차별화되는 요소가 된다.
'가볍기' 때문에 네트워크 운영 효율이 높아져 현재 이더리움을 오랫동안 고통스럽게 하는 네트워크 혼잡 문제를 추가로 회피할 수 있다.
'가볍기' 때문에 역사 데이터를 동기화하기 위한 높은 하드웨어 조건이 필요 없어 Mina 네트워크의 노드가 되는 진입 장벽이 매우 낮아진다. 모바일처럼 연산 능력이 상대적으로 낮은 기기, 즉 스마트폰이나 태블릿에서도 Mina 네트워크를 동기화하고 검증할 수 있다.
'가볍기' 때문에 전체 네트워크의 노드 수가 증가하여 검증 속도뿐만 아니라 네트워크 전체의 보안성도 향상된다. 누군가 잘못된 SNARK 증명을 제출하더라도 누구의 기기라도 즉시 검증하고 문제를 발견할 수 있다.
Snapp: SNARK 기반 탈중앙화 애플리케이션
모든 공개 블록체인은 각자의 생태계를 발전시키길 원하며, Mina 역시 마찬가지이다.
Mina는 제로지식 증명을 중심으로 하는 생태계를 구축하고자 하며, 이 생태계는 Snapp으로 구성된다. Snapp은 SNARK가 구동하는 탈중앙화 애플리케이션이다.
기존의 다른 블록체인 애플리케이션에서는 모든 거래, 거래 내역, 데이터가 공개적으로 체인에 올라가야 하지만, 실제로 우리가 필요한 것은 데이터 자체가 아니라 데이터의 정확성을 검증하는 것이다. 따라서 많은 계산은 본질적으로 의미가 적다.
Snapp의 가장 큰 특징은 사용자의 프라이버시를 보호하면서 오프라인 데이터를 활용할 수 있다는 점이다. Snapp에서는 사용자가 자신의 개인정보를 체인에 올릴 필요 없이 데이터의 증명만 제출하면 된다. 또한 Mina는 전체 계산을 직접 수행할 필요 없이 데이터가 특정 조건을 충족하는지를 검증하기만 하면 된다.
따라서 Mina의 제로지식 증명 기반으로 개발된 Snapp은 다음과 같은 장점을 갖는다:
1) 프라이버시 보호 기능;
2) 대규모 데이터를 안전하게 검증할 수 있는 능력;
3) 간결성에서 비롯된 낮은 비용과 높은 확장성.
DeFi를 예로 들어보자.
현재 대부분의 대출형 DeFi는 과도 담보 방식을 취하고 있어 자금 활용 효율이 낮다. 그러나 Mina를 통해 안전하고 프라이버시를 보호하는 신용 평가 시스템을 구축한다면 저담보 대출 시장을 열 수 있는 가능성도 있다.
대출 이전에 사용자는 신용 점수 조회 서비스 웹사이트에 접속해 자신의 신용 점수를 확인한 후 로컬 기기에서 해당 점수의 증명을 생성하여 체인에 제출한다.
사용자의 자산 상황, 사회보장 번호 등의 데이터는 체인에 올라가지 않기 때문에 번거로운 계산을 피할 수 있을 뿐 아니라 개인정보도 보호된다. 이 증명을 바탕으로 대출 프로젝트는 대출 여부 및 대출 한도 등을 판단할 수 있다.
이러한 특성 덕분에 Mina Snapp은 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다.
신뢰할 수 있는 브리지로서: 제로지식 증명 기반 생태계 구축
블록체인의 본질은 탈중앙화 원장이며, 체인 간, 체인과 인터넷 애플리케이션 간의 상호작용은 원활하지 못하고 정보 아일랜드가 쉽게 형성되어 블록체인의 활용 범위가 직접적으로 제한된다. 따라서 '브리지(Bridge)'의 중요성이 부각되고 있다.
블록체인 세계에서 Mina는 '크로스체인 브리지' 역할을 훌륭히 수행할 수 있다.
당신이 이더리움 개발자라고 가정하자. 지금 다른 체인으로 브리징하고자 할 경우 여러 문제가 발생한다. 우선 다른 체인의 실제 합의 상태를 파악해야 하는데, 이를 위해선 방대한 데이터를 다운로드하고 많은 계산을 수행해야 하며, 비용과 효율성 측면에서 큰 부담이 된다. 그러나 Mina는 매우 작기 때문에 거의 모든 체인이 자신의 스마트 컨트랙트 내에서 Mina의 모든 데이터를 검증할 수 있다.
사용자 입장에서도 이러한 접근은 안전하고 무감각하다. 당신이 이더리움 사용자이고 인기 있는 Snapp을 이용하고자 한다면, Mina의 신뢰할 수 있는 브리지를 통해 증명을 생성함으로써 어떠한 데이터 이전 없이도 Snapp을 사용할 수 있다.
이러한 방식으로 Mina는 쉽게 다른 체인의 생태계에 접속할 수 있으며, Mina 생태계는 다중 체인의 응용 시나리오와 사용자 트래픽을 유입받을 수 있다.
재귀적 제로지식 증명을 활용해 간결한 블록체인을 구축한 공개 블록체인 프로젝트인 Mina는 다른 공개 블록체인의 확장 솔루션으로도 매우 적합하여 타 공개 블록체인과의 생태계 연동이 가능하다. 실제로 Mina는 공개 블록체인 생태계의 선두주자인 이더리움과 협력하고 있으며, 양측 재단은 제3자 팀을 통해 Pickles SNARK를 효율적으로 검증할 수 있는 EVM 개선 방안을 마련하고자 공동 투자를 진행하고 있다. 이는 두 체인의 장점을 동시에 활용하면서 Mina와 ETH 간 상호 운용성을 실현하기 위한 노력이다.
다른 한편으로, Mina는 블록체인과 현실 세계를 연결하는 게이트웨이 역할을 할 수 있는 강력한 역량을 가지고 있으며, 이 게이트웨이는 개방적이면서도 은밀하다.
개방성은 HTTPS 프로토콜을 지원하는 웹사이트라면 인터넷 데이터가 Mina로 매끄럽게 입력될 수 있고, 이 데이터는 검증 가능하다는 점에서 나타난다.
은밀함은 사용자 데이터 자체가 노출되지 않으며, 단지 해당 데이터로부터 생성된 증명만을 검증하고 공유한다는 점에서 드러난다.
예를 들어, 어느 회사에서 올해의 최우수 직원을 선정한다고 하자. 1년 이상 근무한 직원만 투표에 참여할 수 있다.
투표 시스템에서 직원은 입사 메일을 제시하여 투표권이 있음을 증명하고, 투표 완료 후 증명을 생성하여 체인에 올린다. 이 증명을 통해 Mina 체인 상의 투표 애플리케이션 상태를 업데이트할 수 있다.
전 과정에서 투표자는 본인이 누구인지, 누구에게 투표했는지를 드러내지 않는다. 투표 기간이 끝나면 누구나 투표 결과를 검증할 수 있다.
익명 투표 외에도 Mina 게이트웨이는 다음과 같은 분야에 적합하다.
1) 신원 로그인 검증;
2) 계좌 잔액 검증;
3) 신용 평가 검증;
4) 대학 성적 검증;
5) 직장 성과 검증;
6) 건강 정보 검증…
데이터 검증이 필요한 모든 시나리오에서 Mina가 구축한 '신뢰 설정이 필요 없는 조합 가능한 스마트 컨트랙트'는 안전하고 효율적이며 완전히 제3자에 의존하지 않는 증명을 제공할 수 있다. 이는 Mina가 확장성 측면에서 거대한 잠재력을 지녔음을 보여준다.
기술 SDK: 개발 중
물론 Snapp에 대한 다양한 구상이 현실이 될 수 있을지는 Mina 자체의 기술 우수성 외에도 개발 진입 장벽이 낮은지도 중요한 요소 중 하나이다.
제로지식 증명은 견고한 수학적 기반과 개발 경험을 필요로 한다. 개발 장벽을 낮추기 위해 Mina 공동 창립자 에반(Evan)과 이자악(Izaak)은 2017년부터 제로지식 증명을 구축하기 위한 컴퓨터 프로그래밍 언어인 Snarky를 개발했으며, Javascript 내에서 DSL(특화 언어) 형태로 작동하도록 설계했다. 개발자들은 완전히 새로운 언어를 배울 필요가 없어 제로지식 증명 개발의 장벽이 크게 낮아졌다.
또한 재귀적 제로지식 증명이 더 많은 사용자에게 서비스하기 위해 Mina SDK 개발 툴킷이 현재 긴밀하게 개발 중이다. SDK를 통해 개발자들은 SNARK 증명 생성기, 해시 생성기, Mina 인터페이스를 자신의 애플리케이션에 쉽게 통합할 수 있다. 출시 후 개발자들은 몇 가지 API 인터페이스만 호출하면 Mina의 핵심 기능을 통합할 수 있다.
공식 팀에 따르면 Mina SDK 개발 툴킷은 2021년 4분기에 출시될 예정이며, 개발자들이 Mina에 Snapp을 배포할 수 있도록 돕는 동시에 애플리케이션 배포 및 기술 SDK 사용을 위한 다양한 지원 정책과 인센티브도 함께 발표될 예정이다. 이때 Mina 생태계가 단계적인 폭발을 맞이할지, 개발자뿐 아니라 전체 커뮤니티가 기대해볼 만하다.
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