이더리움 Layer 2 자산 브리지 솔루션 분석: Arbitrum, zkSync 및 DeGate Bridge
이더리움 Layer 2 생태계는 백화제방의 국면을 맞이할 것이며, 각 Layer 2 간의 통신 및 Layer 1과의 통신 방법이 핵심 문제로 떠오를 것이다.본 문서의 저자: DeGate.
이더리움은 2015년 출범 이후 빠르게 성장하여 가장 활발하고 바쁜 블록체인이 되었습니다. 애플리케이션의 다양성, 체인상의 자산 규모, 거래량, 보안성 등의 지표에서 이더리움은 현재 논란의 여지 없는 공공 블록체인 왕국입니다. 그러나 이더리움 생태계의 빠른 발전, 특히 DeFi의 폭발적인 성장으로 인해 원래 설계된 처리량이 심각하게 부족해졌습니다. etherscan.io의 일일 거래 데이터 통계에 따르면 현재 이더리움 TPS는 약 17입니다(계약 작업 비율이 높아 이 수치를 낮추었습니다). 수십 달러, 심지어 백 달러가 넘는 가스 비용과 긴 거래 대기 시간은 이더리움 생태계의 추가적인 번영과 주류 세계로의 진입을 제한하는 주요 원인이 되고 있습니다.
오랫동안 이더리움 커뮤니티는 처리량과 높은 수수료 문제를 해결하기 위해 노력해왔으며, 그 중 하나의 주요 해결책이 바로 이더리움 2.0입니다. 이는 초당 거래 수를 대폭 증가시킬 것이며, 가장 빠르면 2021년 말에 출시될 예정입니다. EIP-1559 제안은 거래 수수료 청구 방식을 조정하여 간접적으로 가스 비용을 낮추는 것을 목표로 하고 있습니다.
동시에 한 가지 목소리가 등장했습니다: 모든 거래를 메인 체인에서 처리할 필요가 정말 있을까요?
Layer2 소개
이더리움 메인 체인인 Layer 1 (L1)에서 처리해야 할 거래를 Layer 2 (L2)로 이동시키고, 그 결과를 L2에서 L1으로 다시 전송하여 확인하는 이 솔루션을 우리는 이더리움 Layer 2라고 부릅니다. L2의 이론적 TPS는 2000-4000에 달하며, 이는 Visa의 처리 능력인 초당 1700건을 초과합니다. 따라서 많은 사람들은 L2 솔루션이 이더리움이 주류 사용자에게 다가가는 열쇠라고 생각합니다.
현재 존재하는 L2 솔루션은 주로 다음과 같습니다:
Optimistic Rollups: 데이터 온체인, 사기 증명. 애플리케이션 팀에는 Optimism, Offchain Labs Arbitrum Rollup, Fuel Network가 포함됩니다;
ZK Rollups: 데이터 온체인, 제로 지식 증명. 애플리케이션 팀에는 Loopring, Starkware, Matter Labs zkSync, Aztec 2.0이 포함됩니다;
Validium: 데이터 오프체인 저장, 제로 지식 증명. 애플리케이션 팀에는 Starkware, Matter Labs zkPorter가 포함됩니다;
Plasma: 데이터 오프체인 저장, 사기 증명. 애플리케이션 팀에는 OMG Network, Matic Network, Gazelle, Leap DAO가 포함됩니다;
State Channels: 애플리케이션 팀에는 Connext, Raiden, Perun이 포함됩니다.
특히 강조할 점은, 사이드 체인 솔루션은 L1의 합의 보안성을 상속받지 않기 때문에 우리는 사이드 체인을 L2 솔루션으로 간주하지 않습니다.
많은 솔루션 중에서 Rollups는 점차 시장의 인정을 받고 있으며, 이더리움의 가장 신뢰할 수 있는 확장 솔루션이 되고 있습니다. 한편으로 이 솔루션은 L1의 합의 메커니즘과 보안 특성을 직접 상속받으며, 다른 한편으로는 L1의 보안성과 주권을 해치지 않습니다. 사실, 비탈릭은 롤업이 이더리움의 장기 확장 솔루션 중 가장 빨리 구현될 수 있는 것이라고 솔직하게 말했습니다. 롤업의 두 가지 솔루션인 Optimistic Rollups와 ZK Rollups의 가장 큰 차이점은 각각 사기 증명(fraud proofs)과 유효성 증명(validity proofs)을 사용하여 배치의 후 상태 루트(post-state root)의 정확성을 보장한다는 점입니다.
롤업 솔루션에 있어 L1에서 L2로 자산을 입금하고, L2에서 L1으로 다시 인출하는 방법, 더 나아가 하나의 L2 네트워크에서 다른 L2 네트워크로 자산을 인출하는 방법은 핵심 문제입니다. 우리는 이 책임을 지는 인프라를 브리지(Bridge)라고 부릅니다.
네이티브 브리지 구현
우리는 현재 주류 롤업 솔루션의 네이티브 브리지 구현 원리를 연구하고, Optimistic과 zkSync 솔루션에서 각각 하나의 대표를 선택하여 비교합니다.
Arbitrum
Arbitrum 프로토콜은 L1과 L2 간의 통신 능력을 활용하여 이론적으로 신뢰할 필요 없이 이더리움 자산(이더, ERC20, ERC721 등)을 L1과 L2 간에 전송할 수 있습니다. L1에서 L2로 자산을 전송할 때, 자산은 L1의 Arbitrum 브리지 계약에 저장되며, 이후 동일한 수량의 자산이 L2에서 발행되어 지정된 주소에 저장됩니다. L2에서 L1으로 자산을 다시 전송할 때, 자산은 L2에서 소각되고, 이후 동일한 수량의 자산이 L1의 브리지 계약에서 사용 가능해집니다. 또한 L2에서 L1으로 자산을 인출할 때, 사용자 거래 후에는 반드시 도전 기간이 끝날 때까지 기다려야 최종적으로 L1에서 실행됩니다. 이는 Optimistic Rollup의 보안 모델에 의해 결정됩니다.
중요한 점은, 공식적으로 "재시도 티켓 Retryable Tickets" 메커니즘을 사용하여 L1과 L2 간의 통신을 권장합니다. 재시도 티켓의 작동 방식은 대략 다음과 같습니다: L1에서 L2로의 거래는 먼저 인박스에 저장되며, calldata, callvalue, gas 정보 등 거래 매개변수가 첨부됩니다. 이 거래가 처음 실행될 때 실패하면, L2의 "재시도 버퍼(retry buffer)"에 저장됩니다. 이는 일정 기간(일반적으로 도전 기간, 즉 약 일주일) 동안 누구나 이 거래를 재실행하여 티켓을 회수할 수 있음을 의미합니다. L2에서 L1으로의 재시도 거래는 시간 제한이 없으며, 분쟁 기간이 끝난 후 언제든지 가능합니다.
이 메커니즘 설계는 다음과 같은 시나리오에 대응하기 위해 주로 설계되었습니다: 사용자가 특정 토큰을 L1에서 L2로 입금하고자 할 때, 먼저 이 토큰을 L1의 브리지 계약에 저장하고, 동시에 L2에서 동일한 수량의 토큰을 발행합니다. L1에서의 거래가 완료되었지만 L2에서의 거래가 수수료 부족으로 실패하면 심각한 문제가 발생합니다: 사용자는 L1에서 토큰을 이미 전송했지만 L2에서는 토큰을 받지 못하게 됩니다. 사실, 이 토큰은 L1의 계약에 잠겨 있는 상태입니다. 재시도 티켓 메커니즘을 통해 사용자는(또는 다른 누구든지) 일주일 내에 충분한 수수료를 사용하여 이 거래를 재실행하고, 최종적으로 L2에서 토큰을 받을 수 있습니다.
다음은 Arbitrum 네이티브 브리지의 기본 단계입니다:
L1 ->L2
사용자가 L1에서 Deposit 거래를 시작합니다.
자산이 L1 계약에 저장되고, 거래가 인박스에 일괄 저장됩니다.
거래가 L2에서 실행되어 자산이 지정된 주소로 전송됩니다.
거래가 실패하면 거래가 L2의 재시도 버퍼에 저장되며, 사용자는 도전 기간 내에 재시도를 시작할 수 있습니다.
L2 -> L1
사용자가 L2에서 Withdraw 거래를 시작합니다.
L2 체인은 일정 시간 내에 수집된 거래를 패키징하여 머클 트리를 생성하고, 루트 노드를 OutboxEntry로 L1의 Outbox에 게시합니다.
사용자 또는 누구든지 루트 노드와 거래 정보를 머클 검증할 수 있습니다.
도전 기간이 끝난 후, 사용자는 L1에서 거래를 완료할 수 있으며, 거래가 실패하면 사용자는 재시도를 시작할 수 있습니다.
자세한 내용은 공식 문서를 참조하십시오.
zkSync
브리지 구현에서 zkSync는 Arbitrum과 비교할 때, 주된 차이점은 Withdraw 시 거래의 검증이 사기 증명이 아닌 제로 지식 증명 기반의 유효성 증명을 사용한다는 점입니다. 기본 단계는 다음과 같습니다:
L2--->L1
사용자가 L2에서 Withdraw 거래를 시작합니다: 거래 데이터를 바이트 문자열로 인코딩하고, 올바른 zkSync 개인 키로 해당 바이트 문자열에 서명하며, 거래 설명을 위해 이더리움 서명을 생성하거나 EIP-1712 서명을 제공합니다. 해당 JSON RPC 방법을 통해 거래를 전송합니다.
거래를 L1으로 전송합니다: 거래는 zkSync 운영자가 생성한 블록에 들어가고, L1의 zkSync 스마트 계약에 게시됩니다.
블록을 검증합니다: 몇 분 후, 해당 블록의 정확성을 증명하는 ZK 증명이 생성되며, 이 증명은 검증 거래를 통해 L1에 게시됩니다. 이 검증 거래가 완료될 때까지 Withdraw 거래가 완료되지 않습니다.
자세한 내용은 공식 문서를 참조하십시오.
퇴출 시간 측면에서 zk Rollup 솔루션은 Optimistic Rollup 솔루션보다 확연히 우수하지만, zk Rollup이 EVM과 완전히 호환되기까지는 시간이 필요하므로 Optimistic Rollup이 여전히 초기 주류 L2 솔루션이 될 것으로 예상됩니다. 이러한 이유로, Optimistic Rollup의 긴 퇴출 기간 문제를 해결하기 위해 제3자 브리지를 활용하여 사용자에게 더 나은 사용 경험을 제공하는 것이 일부 팀의 목표가 되고 있습니다.
DeGate Bridge 설계 이념 및 구현 원리
DeGate Bridge의 목표는 롤업 생태계 초기 단계에서 이더리움 자산의 이동 장벽을 최대한 낮추고, 이더리움 롤업 기반의 2층 인프라 애플리케이션의 대규모 배치를 지원하는 것입니다. 우리는 현재 인프라 조건 하에서 우수하고 충분히 좋은 유동성 솔루션이 다음과 같은 특성을 가져야 한다고 생각합니다:
첫째, 시장 방식으로 서로 다른 층의 유동성 분포를 자동으로 조정할 수 있어야 합니다.
둘째, 자금 효율성을 극대화하는 0 자금 동결 비선불 솔루션을 구현할 수 있어야 합니다.
셋째, 최소한의 가스 소비와 최적의 사용자 경험도 매우 중요합니다.
DeGate Bridge는 최적화된 스테이블코인 AMM 곡선과 거래 시장 방식을 기반으로 층 간 자산 이동의 빠른 통로를 구현합니다. L2 상태를 제공하는 오라클의 불완전성에 제한되어, 초기 DeGate Bridge는 중앙 집중식으로 자산을 관리하는 방식으로 구현됩니다. 이더리움 L2에서 성숙한 오라클 서비스가 등장하면, DeGate Bridge는 자산 브리지를 탈중앙화 방식으로 전환할 것입니다.
DeGate Bridge의 상세한 설계는 다음 기사를 참조하십시오: 저슬리피지 AMM 곡선을 기반으로 한 크로스 롤업 유동성 솔루션
브리지 솔루션 비교
이 소절에서는 이미 생산 또는 테스트넷에上线된 네이티브 브리지와 DeGate Bridge를 실험하고, 주로 다음과 같은 몇 가지 지표를 조사합니다:
상하 브리지 가스 비용;
상하 브리지 시효성;
작업 복잡도;
우리는 테스트에서 ERC20 토큰을 사용하며 ETH(ETH는 승인 필요 없고 수수료가 더 저렴)를 사용하지 않습니다. 또한 ETH 가격을 $4000, 가스 가격을 100Gwei로 설정하여 수수료를 추정합니다.
최종 비교 결과는 다음과 같습니다.
Withdraw 수수료 계산 방식 설명:
Optimism(SNX): 출금 작업은 여러 거래를 집계하여 총 수수료를 거래 수로 나누어 계산합니다.
Arbitrum (Testnet): 2층 비용은 계산하지 않고, 1층 거래에서 소모된 가스 비용만 계산합니다.
zkSync: 비용은 2층에서 여러 토큰으로 지불되며, 1층 도착 거래를 통해 대략적인 비용을 계산합니다.
DeGate Bridge: 비용은 2층에서 여러 토큰으로 지불되며, 1층 도착 거래를 통해 대략적인 비용을 계산합니다.
비교를 통해 다음과 같은 점을 알 수 있습니다:
시효성: Optimistic Rollup(Optimism 및 Arbitrum 포함)의 하브리지 시간은 일반적으로 2일에서 1주일이 걸리며, 성능이 좋지 않습니다. DeGate Bridge는 성능이 좋으며 거의 즉각적입니다.
가스 비용: Optimism은 가장 성능이 좋지 않으며, DeGate Bridge는 수수료 소비가 가장 적습니다. 특히 승인 수수료도 절약됩니다.
작업 복잡도: DeGate Bridge는 사용자가 승인 없이 직접 거래할 수 있어 사용자 경험이 더욱 친숙합니다.
전망
우리는 Layer2와 이더리움 2.0의 잇따른 출현이 이더리움의 두 번째 성장 곡선이 될 기회를 제공할 것이며, 이더리움이 수조 달러 규모의 경제 대역폭을 수용하는 방향으로 진화할 것이라고 믿습니다. L2 브리지는 블록체인 인프라 중 하나로서 이 과정에서 중요한 역할을 할 것입니다.
