블록체인 트릴레마 해결을 위한 코인들의 사투

[Xangle Originals]

요약

• 블록체인 트릴레마는 블록체인에서 탈중앙화, 보안성, 확장성 세 가지 문제가 한 번에 해결될 수 없음을 뜻함
• 대표적인 탈중앙화 블록체인 프로젝트인 비트코인과 이더리움 역시 블록체인 트릴레마를 해결하지 못했으며, 이 두 프로젝트는 확장성이 떨어진다는 단점이 있음
• 확장성을 해결하기 위해 여러 메인넷이 출시되었으나 탈중앙성이나 보안성을 충족시키지 못하고 있음
• 다만, 아직 블록체인 역사가 짧으며 트릴레마를 해결하고자 하는 레이어 1 및 레이어 2 솔루션이 지속적으로 등장하고 있는 만큼 향후 이 문제가 해결될 수 있을지 귀추가 주목됨

블록체인 트릴레마 뜻

Blockchain Trillema: 블록체인 트릴레마란 이더리움의 창시자 비탈릭 부테린 (Vitalik Buterin)에 의해 제안된 개념으로, 블록체인에서 탈중앙화 (Decentralization), 보안성 (Security), 확장성 (Scalability)의 세 가지 문제는 한 번에 해결되기 어려움을 뜻합니다.

블록체인 트릴레마의 세 요소

1. 탈중앙성

중앙집중화가 아닌 분산된 소규모 단위로 어떤 그룹도 합의를 통해 전송되는 데이터를 제어하거나 검열할 수 없음

2. 보안성

블록체인이 외부 해킹으로부터 안전하며 기밀성, 무결성, 가용성, 프라이버시 등 다양한 요소를 충족한다는 의미

3. 확장성

블록체인 사용자 증가에 따라 트랜잭션 수가 늘어나더라도 무리 없이 처리를 할 수 있는 능력

블록체인 트릴레마가 해결될 수 없는 이유는 세 요소가 모두 비례관계(한 요소가 높아질수록 다른 요소도 같이 높아지는 관계)에 있지 않기 때문입니다. 탈중앙성과 확장성은 반비례하며, 확장성과 보안성은 비례하는 관계를 가집니다.

비트코인과 이더리움의 확장성 문제

1세대 암호화폐 비트코인, 2세대 암호화폐 이더리움 역시 확장성의 한계로 블록체인 트릴레마를 극복하지 못했습니다. 비트코인은 블록체인 프로젝트 중 가장 많은 노드 수(약 1.4만개)를 보유하고, 2009년 네트워크가 가동된 이래로 단 한번도 해킹이 되지 않아 가장 안전하고 탈중앙화되어 있는 프로젝트로 평가받고 있습니다. 다만, 초당 7건의 트랜잭션 밖에 처리하지 못한다는 단점이 있습니다.

<출처: Cryptokitties>

이더리움은 블록체인 기술 스마트 계약 기능을 구현하기 위한 분산 컴퓨팅 플랫폼으로, 2015년 출시되어 현재까지 셧다운없이 운영되고 있는 블록체인 애플리케이션 플랫폼의 최강자입니다. 다만, 2017년 이더리움 네트워크에서 크립토키티(Cryptokitties)라는 NFT 게임이 선풍적인 인기를 끌면서 이더리움의 확장성 문제가 본격적으로 대두되기 시작했습니다. 게임 플레이어가 많아지면서 사용자는 크립토키티를 플레이하기 위해서 상당 시간을 기다려야 했고, 매우 비싼 가스비를 소모해야 했습니다.

<출처: CryptoKitties Transaction Network Analysis: The Rise and Fall of the First Blockchain Game Mania>

비트코인 이더리움 확장성 해결을 위해 나온 메인넷들

이후 3세대 블록체인이 비트코인과 이더리움의 확장성 문제를 해결하기 위해 등장하였습니다. 확장성을 높이기 위해 노드 수를 제한하거나 컨센서스 매커니즘을 바꾸었으나, 이는 오히려 탈중앙성과 보안성을 떨어뜨리는 결과를 가져왔습니다.

1. 솔라나 = 확장성 O, 안정성 X, 탈중앙성 △

솔라나는 PoH(Proof of History) 합의 알고리즘을 통해 나스닥 거래소 수준의 확장성을 제공하면서 큰 인기를 끌었습니다. 2020년 3월 메인넷 출시 이후 낮은 수수료로 약 500억 건의 트랜잭션을 (이더리움 트랜잭션 수의 약 33배) 처리하였으며, 우수한 확장성을 바탕으로 생태계를 빠르게 확장시켰습니다. 그러나 이러한 저렴한 수수료와 높은 TPS가 솔라나 네트워크의 보안성을 저하시키는 원인이 되고 있습니다. 트랜잭션 폭증으로 인해 네트워크 과부하가 일어나면서 최근 6개월 동안 네트워크가 세 차례나 셧다운되었습니다. (자세한 내용은 다음 글 참조)

2. 팬텀, 바이낸스 코인 = 확장성 O, 안정성 △, 탈중앙성 X

팬텀은 DAG를 기반으로 하여 aBFT 합의 알고리즘인 Lachesis를 도입하여 1만 TPS와 1초 이내 거래 완결에 도달하는 메인넷입니다. 확장성과 함께 EVM 호환을 내세워 타 메인넷의 주요 디파이 프로젝트를 성공적으로 유치하였는 등 디파이 특화 레이어1로 주목을 받고 있습니다. 그러나 속도 저하 없이 1,000개 이상의 검증인 노드를 구동할 수 있다는 팬텀의 주장과 달리 현재 팬텀 네트워크에서는 노드 수 51개만이 운영 중입니다. 또한 2021년 2월, 당시 1/3 이상의 지분을 보유한 단 2개의 검증인 노드가 정상적으로 구동하지 않아 신규 블록 검증이 지연되어 7시간 동안 메인넷이 셧다운되는 사건이 발생했습니다. 현재도 전체 검증인 노드 지분의 1/3 이상을 3개의 노드가 차지하고 있어 메인넷의 탈중앙화 수준에 대한 우려가 존재하고 있습니다.

바이낸스 코인은 세계 최대 거래소 바이낸스를 기반으로 한 탄탄한 운영으로 현재 시가총액 3위에 위치한 메인넷입니다. 바이낸스 코인은 위임지분증명과 권위증명을 합친 PoSA(Proof of Staked Authority) 합의 매커니즘을 사용하여 21개의 벨리데이터가 네트워크의 검증을 도맡는 중앙화된 형태를 택했습니다. 주요 노드 또한 바이낸스 파트너나 바이낸스과 연관이 있는 프로젝트가 운영 중으로, 누구나 노드 운영을 할 수 없고 바이낸스 승인을 통해서만 운영이 가능하다는 진입장벽 또한 존재합니다. 이처럼 소수 노드 만이 블록을 생성하기 때문에 높은 확장성을 달성하였으나 블록체인 이념과는 맞지 않는 중앙화된 체인이라는 비판은 피하기 어려운 상황입니다.

3. 클레이튼 = 확장성 O, 안정성 X, 탈중앙성 X

클레이튼은 블록체인 대중화를 목표로 카카오에서 주도하는 플랫폼으로 4,000 TPS (프로젝트 발표 수치), 즉각적인 완결성 (finality), 저렴한 트랜잭션 수수료로 기업들의 블록체인 도입을 촉진하고 있는 프로젝트 입니다. 다만, 노드 개수가 30개로 한정된 프로젝트로 낮은 분산화와 합의 결과 불투명성은 단점으로 꼽히고 있습니다. 또한, 거버넌스와 노드 운영 참여가 자유롭지 않는 상대적으로 중앙화된 프로젝트로 메인넷 런칭 이후 2건의 셧다운 문제가 발생하며 네트워크 안정성을 위해 보다 개방되고 탈중앙화될 필요가 있다는 분석이 나오고 있습니다.

블록체인 트릴레마 해결될 수 있을까

블록체인 트릴레마 해결이 곧, 기술력이 우수한 블록체인를 뜻하게 되면서 이를 전면에 내세운 메인넷들이 등장했습니다. 다만, 확장성을 높인 대신 탈중앙성이나 안전성에 문제가 생기는 프로젝트들이 많아 현재까지 블록체인 트릴레마를 해결한 프로젝트는 없어 보입니다. 블록체인 트릴레마는 영원히 해결할 수 없는 문제일까요?

CAP 이론에 따르면 블록체인 트릴레마 해결될 수 없다?

NULS 개발진들에 의하면 블록체인 트릴레마는 2002년 낸시 린치와 세스 길버트에 의해 제안된 CAP이론에 의해 해결 불가능함이 증명될 수 있습니다. CAP 이론은 분산형 시스템에서 일관성(Consistency), 가용성(Availability) 및 분단 허용성(Partition Tolerance)라는 세 가지 특성을 동시에 모두 달성하는 것이 불가능하다고 증명합니다.

• 일관성: 모든 노드들은 같은 시간에 동일한 항목에 대하여 같은 내용의 데이터가 저장되어 있어야 한다는 것. 블록체인 네트워크 상에서 노드 별로 저장된 데이터가 다를 경우 그 시스템은 안전하지 않다는 결론을 내릴 수 있음으로 블록체인 보안은 일관성보다 더 엄격한 개념
• 가용성: 모든 사용자들이 읽기 및 쓰기가 가능해야 하며, 장애가 있는 노드가 있어도 다른 노드에게 영향을 미치면 안됨. 기술적으로 높은 확장성은 읽기 및 쓰기 작업을 빠르게 수행하는 것. 블록체인에서 확장성은 초당 처리할 수 있는 트랜잭션 수를 의미하며 가용성이 없는 블록체인 시스템은 확장성을 달성할 수 있기 때문에 확장성이 가용성보다 더 엄격한 개념
• 분단 허용성: 여러 개의 클러스터가 있고, 클러스터 사이에 접속이 단절되어 서로 통신을 할 수 없는 상황에서도 시스템이 잘 동작해야 한다는 것. 실제로 분산된 환경에서는 시스템의 모든 노드가 장애를 일으키지 않을 것이라는 보장이 불가능하므로 탈중앙화는 필연적으로 클러스터로 나뉘어질 수 밖에 없음. 즉, 분단 허용성이 탈중앙화 실현의 전제

분산형 시스템에서는 CAP 이론이 사실이고, 블록체인은 분산형 시스템에 속하기 때문에 블록체인은 CAP 이론을 준수해야 합니다. 일관성은 보안을 위해, 가용성은 확장성을 위해, 파티션에 대한 내구성은 탈중앙성을 위해 필요합니다. 일관성, 가용성 및 분단 허용성 이라는 세 가지 속성을 모두 달성하는 것은 불가능하다는 CAP 이론의 정리에 따라 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다. CAP 이론의 조건에서는 보안과 확장성, 탈중앙화가 동시에 이루어질 수 없고, 다시 말해 블록체인의 트릴레마는 극복될 수 없습니다.

블록체인 트릴레마 해결하기 위해 지속되는 노력들 

1. 가장 앞서는 이더리움 2.0, PoS와 샤딩 기술을 바탕으로 확장성을 해결

이더리움 창시자 비탈릭 부테린은 이더리움 2.0을 발표하며 블록체인이 탈중앙성과 함께 확장성을 동시에 확보하는 것이 가능하다고 말하고 있습니다. 지분증명 방식과 샤딩 기술을 바탕으로 이더리움 2.0 구조를 새롭게 구성하면 실시간으로 거래를 처리할 수 있기 때문입니다. 현재 이더리움은 작업증명 방식의 합의 알고리즘을 따르고 있으며, 이는 낮은 처리속도와 이로 인한 확장성 한계, 막대한 전력 소모 등의 한계점을 지니고 있습니다. 비탈릭은 스마트 컨트랙트 플랫폼으로써 지속적인 경쟁력을 갖기 위해 프로젝트 런칭 초기부터 PoS 전환을 목표로 하였으며, 궁극적으로는 모듈형 블록체인, 즉 여러 레이어로 구성된 블록체인으로 거듭나 실행, 보안, 데이터 가용성 작업을 각기 다른 레이어에서 처리하여 개별 효율성을 확대하고 생산성을 극대화하여 확장성을 개선시키고자 합니다.

2. 카르다노 (Cardano), 우로보로스 증명으로 확장성 개선

카르다노(에이다)는 3세대 블록체인으로 지분 증명 메인넷 중 가장 탈중앙화가 잘 이루어진 메인넷입니다. 블록체인 트릴레마의 해결을 위해 거래와 연산을 구분하는 2개의 레이어를 사용해 스마트 컨트랙트 사용에 따른 트랜잭션 체증을 방지하였습니다. 또한, 우로보로스 지분증명(Ouroboros PoS)이라는 합의 알고리즘을 사용해 지분 증명의 예상되는 공격들을 사전에 방지하여 안전성을 높였습니다. 그러나 카르다노는 스마트 컨트랙트 도입에서 어려움을 겪고 있습니다. 카르다노는 수 년간의 개발을 통한 알론조 업그레이드로 네트워크에 스마트 컨트랙트를 도입하였으나 동시성 이슈로 인해서 스마트 컨트랙트 도입 시의 확장성의 문제가 대두되고 있습니다. 이로 인해 현재 출시된 선데이스왑 등의 디앱에서 트랜잭션이 몰리면 처리 속도가 급격히 늦어지는 문제점이 발견되어 해결책이 필요한 상황입니다.

3. 알고랜드 (Algorand), 순수 지분 증명으로 트릴레마 일부 해결

알고랜드는 2012 튜링상 수상자인 실비오 미칼리가 블록체인 트릴레마 해결을 위해 설계한 메인넷입니다. 알고랜드의 기술 핵심은 검증가능임의함수(VRF)를 통한 순수지분증명(Pure PoS) 방식으로 순수하게 스테이킹 수량과 무작위 선택만으로 블록을 생성합니다. 또한, 알고랜드는 연산의 복잡성에 따른 2개의 레이어를 통해 최대 1,100 TPS를 확보할 수 있으며, 무작위 선출을 통해 보안성도 높여 블록체인 트릴레마를 어느 정도 해결한 메인넷이라는 평가를 받고 있습니다. 그러나 알고랜드의 확장성은 아직 비자나 나스닥 거래소 등에 비해 부족한 수준입니다. 알고랜드는 2021년까지 45,000 TPS와 거래 완결 속도 2.5초로 향상을 통해 확장성을 확보하겠다는 로드맵을 발표했으나 아직까지도 개발이 진행 중인 상황입니다.

블록체인 트릴레마를 해결하기 위한 노력은 지속될 것으로 전망합니다. 확장성을 높이면서도 탈중앙성과 안정성 모두를 충족하고자 하는 레이어 1 및 레이어 2 솔루션이 지속적으로 등장하고 있기 때문입니다. 아직 개발 단계이긴 하나 위에 언급된 프로젝트 모두 높은 기술력을 바탕으로 블록체인 트릴레마를 해결하고자 노력하고 있습니다. 아직 블록체인 역사가 짧으며, 블록체인 트릴레마 개념을 제안한 비탈릭 또한 트릴레마 해결이 가능하다고 보는 만큼 향후 기술적인 발전을 통해 이 문제가 해결될 수 있을지 귀추가 주목되고 있습니다.

트릴레마 해결은 블록체인 기술이 실생활에 적용되기 위해 반드시 해결되어야 하는 부분입니다. 블록체인이 광범위하게 사용되기 위해서는 블록체인 기술을 수억명, 수십억명이 사용할 수 있는 확장성이 담보되어야 하기 때문입니다. 또한, 블록체인 기술이 진정한 의미를 갖기 위해서는 미들맨이 없어도 되고, 특정 주체에 의존하지 않는 탈중앙화된 네트워크 형태가 요구됩니다. 네트워크는 탈중앙화 될수록 해킹 위험이 줄어들기 때문에 이는 안전성과도 직결된 이슈로, 신뢰할 수 있는 서비스를 구축하기 위해서 블록체인 트릴레마 해결은 곧, 산업의 성장과도 연계되어 있는 매우 주요한 이슈입니다. 위에 언급한 프로젝트를 포함하여 과연 어떤 블록체인 프로젝트가 트릴레마를 해결하고, 블록체인의 ‘대중화’를 이끌어낼 수 있을지 기대됩니다.

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