공유 시퀀서 네트워크(Shared Sequencing Network): 롤업의 탈중앙화를 위한 미들웨어 블록체인

김재원 (포뇨)

Research Team Lead/

Xangle

2023.04.28

들어가며

롤업이 이더리움의 확장성을 개선하는 강력한 솔루션이 될 수 있다는 것을 아비트럼과 옵티미즘이 증명했다. 이제는 시퀀서를 탈중앙화 할 차례다. 외부에서는 크립토 업계에 종사하는 사람들을 ‘심심하면 탈중앙화를 외치는 반란분자 탈미새 아나키스트 집단’으로 인식하기도 한다. 그러나 철학적 관점이 아닌 실용적인 관점에서 봤을 때도 네트워크 탈중앙화가 가져다주는 장점은 명확하다. 본 리포트에서는 1) 중앙화된 시퀀싱 구조의 문제 2) 탈중앙화된 시퀀서 시스템의 종류 3) 공유 시퀀서 네트워크의 원리와 효과 4) 그리고 이를 개발하고 있는 주요 프로젝트들을 소개하고자 한다.

1. 롤업의 현주소와 미해결 과제: 단일 시퀀서

1-1. 현존하는 롤업들은 중앙화된 시퀀서를 사용

시퀀서의 중앙화 문제를 살펴보기에 앞서 롤업의 구성 요소부터 간략하게 짚고 넘어가고자 한다. 솔루션마다 조금씩 차이가 있을 수는 있으나 기본적으로 롤업은 각자 독자적인 클라이언트 소프트웨어, 실행 환경(VM), 멤풀, 증명 시스템 (ZK롤업에 한정), 그리고 L1에 존재하는 롤업 컨트랙트를 운영 및 배포하고 있으며 이 모든 구성 요소들은 서로 유기적으로 연결되어 작동한다.

이해를 돕기 위해 롤업의 트랜잭션 플로우를 한 번 들여다보자. 유저들이 메타마스크로 트랜잭션을 생성하면 해당 트랜잭션은 멤풀로 전송되며, 시퀀서는 해당 멤풀에서 트랜잭션을 선별하는 작업을 거친다. 현재 모든 롤업은 단일 시퀀서를 사용하며, 해당 네트워크의 운영 주체가 임시적으로 시퀀서 역할을 담당하고 있다 (아비트럼-Offchain Labs, 옵티미즘- OptimismPBC, 스타크넷- Starkware 등).

이후 롤업의 종류에 따라 과정이 나뉘는데, ZK롤업은 유효성 증명을 생성한 뒤 (이때, VM서 state transition이 일어난다) 해당 증명을 state root, calldata와 함께 L1 컨트랙트에 올리고 L2 블록을 생성한다. L1 컨트랙트에 올린 데이터의 유효성이 확인되고 나면 최종적으로 L1에 기록한다.

옵티미스틱 롤업의 경우, 시퀀서가 트랜잭션을 선별하고 나면 L2블록을 생성하고 state root, calldata를 L1 컨트랙트에 올린다. 이후 챌린저(challenger)들이 트랜잭션을 검증할 수 있도록 DTD(dispute time delay) 기간이 주어지는데, 일반적으로 7~14일 정도 걸린다. 챌린저(Challenger)들은 L1 컨트랙트에 있는 정보를 토대로 트랜잭션을을 오프체인으로 실행해보고 문제가 있을 경우 이의를 제기하고 문제가 없을 경우 state transition을 L1에 기록하여 완결(finalize)한다.

1-2. 이러한 구조는 검열 저항성, MEV, 상호운용성, 결합성 등 다양한 측면에서 문제를 야기

앞서 롤업은 각자 독자적인 클라이언트 소프트웨어, VM, 멤풀, 증명 시스템 (ZK롤업에 한정), 시퀀서, 그리고 L1 컨트랙트를 운영하고 있으며 시퀀서 역할은 해당 네트워크의 운영 주체가 홀로 담당하고 있다고 했다. 이러한 구조는 높은 확장성을 제공한다는 장점이 있으나, 다음과 같은 측면에서 문제를 야기한다.

낮은 검열 저항성(Censorship Resistance)과 SPOF(Single Point of Failure): 유저들은 L1 컨트랙트와 직접 상호작용할 수 있다. 그러나 이 방식은 수수료가 높고 비효율적이며 동시에 시퀀서가 L2 트랜잭션을 압축하여 L1 컨트랙트에 기록하는 이유이기도 하다. 때문에 유저들이 직접 L1 컨트랙트에 자신의 트랜잭션을 기록하는 경우는 L1에서 L2로 자산을 옮길 때를 제외하고는 매우 드물다. 그러나, 자산이 L2로 브릿징된 이후부터는 다르다. L1은 L2의 state을 추적하지 않기 때문에 유저들이 L2 → L1으로 자산을 옮기려면 유효성 증명(validity proof) 혹은 사기 증명(fraud proof)을 통해 해당 트랜잭션이 올바른 트랜잭션임을 증명해야 하는데, 사용자는 이 작업을 혼자서 할 수가 없다. 출금 등 state transition을 요구하는 작업은 시퀀서가 담당하며, 시퀀서가 다운되면 유저들은 자산을 출금할 수 없는 것은 물론 L2 블록도 생성을 멈춘다(SPOF). 스타크넷을 비롯한 ZK롤업은 시퀀서가 다운되도 유저들이 출금할 수 있도록 escape hatch를 개발하고 있기는 하지만, 이용료가 비싸다. 롤업의 구조상 시퀀서가 임의로 유저들의 자산을 갈취해갈 수는 없으나, 중앙화된 시퀀서의 검열 저항성이 낮다는 사실은 변함이 없다.
MEV 독식: 한 명의 시퀀서가 트랜잭션 배열(ordering)과 L2 블록 생성을 담당하기 때문에 MEV를 독식하고, 사용자들도 MEV공격으로부터 노출되어 있다.
낮은 상호운용성(Interoperability) 및 결합성(Composability): 롤업은 L1을 DA레이어로 공유하지만 그 이외에는 자체 인프라(시퀀서, 프루버, 실행 환경)를 사용하다 보니 상호운용성과 결합성(composable)이 제한된다. 사용자들은 수수료가 비싸고 사용하기 복잡한 크로스 시퀀서 브릿지(cross-sequencer bridge)를 이용해야 하고 디파이 서비스들은 파편화된 유동성에 대처해야 하는 등 비효율성이 발생하는 이유이다.

옵티미즘은 이러한 단점을 개선하기 위해 슈퍼체인(Superchain) 구조를 채택했다. 슈퍼체인내 OP체인(L2)들은 모두 동일한 크로스체인 메시징 프로토콜을 사용하고 오픈소스 모듈인 OP스택 기반으로 구축되었기 때문에 연결성, 상호운용성, 그리고 결합성이 뛰어나다. 또한, OP체인은 모두 시퀀서를 공유하고 있어 보안을 공유(shared security)할 수 있다는 점도 신생 L2 입장에서 매력적이다. 다만, 여전히 슈퍼체인 - 비슈퍼체인간 상호운용성 및 결합성은 낮다는 한계가 있어 완벽한 해결책으로 보기에는 무리가 있다.

2. 시퀀서 탈중앙화를 위해 수많은 솔루션들이 논의 및 개발되는 중

정리하면, 롤업은 단일 시퀀서를 사용하고 있어 검열 저항성이 낮고 SPOF 문제에 노출되어 있다. 뿐만 아니라, 롤업마다 자체 시퀀서와 개발 환경을 보유하고 있어 롤업간 상호운용성이 떨어진다. 이더리움과 L2 진영에서는 이러한 문제들을 해결하기 수많은 솔루션들을 논의 및 개발하고 있는 상황인데, 그 중 주목 받고 있는 솔루션들을 몇 가지 소개하고자 한다.

2-1. 대형 L2들은 PoA(Arbitrum, Optimism)와 PoS 기반 컨센서스(StarkNet)를 선택

아비트럼이나 스타크넷 등 현재 업계에서 주목 받고 있는 롤업들이 로드맵에서 제시한 시퀀서 탈중앙화 방법은 다음과 같다:

PoA (Proof of Authority): 명망있는 개인/법인으로 구성된 시퀀서 집단을 형성하여 한 명씩 돌아가면서 블록을 생성하는 방법이다. 시퀀싱 순서를 정하는 방식은 프로젝트마다 차이가 있다. PoA는 단일 시퀀서 대비 검열 저항성이 높고 적용하기 쉽지만 여전히 탈중앙화 수준은 낮다. PoA 방식을 사용하는 대표적인 프로젝트로 아비트럼이 있는데, 아비트럼의 AnyTrust DAC 혹은 사기 검증을 담당하는 Validator Set와 마찬가지로 시퀀서 위원회(Sequencer Committee) 또한 업계내 평판이 높은 법인들로 구성될 예정이다. 시퀀서 선출 및 해임에 대한 권한은 DAO에게 주어진다. 옵티미즘은 슈퍼체인내 OP체인들의 시퀀싱을 담당하는 Multiple Sequencer module 방식을 적용한다고 발표했는데, 주어진 내용으로만 봤을 때 마찬가지로 PoA의 한 종류일 가능성이 높아 보인다.
PoS 기반 L2 컨센서스 + 리더 선정: 시퀀서 선정과 로컬 컨센서스에 대한 합의를 이룰 수 있는 무허가 PoS를 롤업에 적용하는 방식으로, 단일 시퀀서 대비 검열 저항성과 네트워크 liveness가 안정적이다. L1에 완결되기 전에 L2 컨센서스를 한 번 더 거치기 때문에 pre-confirmation (soft-confirmation)에 대한 신뢰도도 상승한다는 장점이 있다. 다만, 로컬 컨센서스 기반이기 때문에 컨센서스에 참여하지 않는 기타 L2간 상호운용성과 결합성은 여전히 낮다. 이런 롤업의 트랜잭션 플로우는 다음과 같다: 1) 리더로 선정된 시퀀서가 블록을 생성 2) L2 컨센서스 프로토콜에 참여하고 있는 시퀀서들이 블록에 합의 3) 증명 생성 (ZK롤업에 한정) 4) L1에 state root, calldata, 증명 기록. 대표적으로 스타크넷이 $STARK을 이용하여 해당 방식을 사용할 예정인데, 이더리움 밸리데이터들이 ETH를 스테이킹하여 밸리데이터 자격을 획득하는 것처럼 스타크넷 시퀀서들도 $STARK을 스테이킹하여 컨센서스에 참여할 수 있다. 이더리움과 마찬가지로 L2 악의적으로 행동하거나 블록 생성을 하지 못하는 등 노드 운영을 소홀히 할 경우 슬래싱(slashing) 위험이 있다. 관련하여 구체적인 내용은 ‘Starknet Decentralized Protocol’ 시리즈를 참고하길 바란다. 한편, 로컬 컨센서스 없이 리더만 선정하는 PoS 프로토콜도 설계할 수 있는데, 대표적으로 코스모스의 Dymension이 있다.
MEV옥션(MEVA): 해당 방식을 채택한 롤업은 아직 없으나 흥미로운 개념이라 가져왔다. MEV옥션, 이하 MEVA는 2020년 1월 Ethresearch에서 처음 등장한 아이디어로, 골자는 누구나 참여할 수 있는 경매 시스템을 만들어 트랜잭션 구성(ordering)은 경매 우승자에게 맡기고, 트랜잭션 실행(execution) 및 생성은 L1 밸리데이터들에게 위임하자는 개념이다. MEV를 탈중앙화하기 위해 블록 생성 작업을 proposer과 builder로 분리하고자 하는 이더리움의 PBS(Proposer builder separation)와 흡사한 구조이며, 해당 방식을 사용할 경우 시퀀서를 따로 구축할 필요가 없고 MEV를 탈중앙화할 수 있다는 장점이 있다. 옥션은 블록 생성자들이 실행하는 MEVA 컨트랙트에 의해 투명하게 운영되며, 블록 구성(MEV 추출 기회)은 bid price를 가장 높게 부른 참여자에게 우선권이 주어진다.