MoleEdu Web3 시리즈 공개 강좌 회고: 이더리움과 Layer2 노트

저자: Moledao

Moledao와 OGBC가 공동 주최하는 Web3 시리즈 강좌가 드디어 2023년 1월 16일에 공식 시작되었습니다! 첫 주는 Web3 인프라 주간으로, 블록체인 기초, 이더리움과 Layer2, Layer0, 저장소를 다룹니다.

오늘은 2023년 1월 18일 Neil Han 멘토의 "이더리움과 Layer2" 강좌를 되돌아보겠습니다! 강좌 녹화는 Moledao의 Bilibili에 업로드되었습니다:

첫 주: 인프라 주간 | 이더리움과 Layer2

그럼 이제 "이더리움과 Layer2" 강좌의 노트를 함께 학습해봅시다!

멘토 소개

Neil HAN, Reddio 창립자 및 CEO. 전 Twilio 아시아 태평양 3번째 직원으로, 팀을 이끌며 4년 동안 아시아 태평양 수익을 30배 증가시켰습니다. 전 PingCAP/TiDB 해외 상업화 1번째 직원, 아시아 태평양 및 유럽 지역 GM입니다.

Neil 멘토는 2021년 말 퇴사 후 Reddio를 창립하였으며, Web3 인프라 회사로 싱가포르를 본사로 두고 전 세계 개발자에게 이더리움 확장을 위한 PaaS 서비스를 제공합니다. 이를 통해 더 높은 동시 처리, 더 낮은 가스 비용, 더 안전하고 빠르게 자산을 블록체인에 올릴 수 있도록 합니다. Reddio는 Paradigm이 투자한 아시아 태평양 최초의 인프라 회사입니다.

Neil 멘토는 또한 엔젤 투자자로, 미국 SaaS 회사에 투자하며 growrk.com, getbean.com, mynurse.ai 및 mileauto.com 등의 회사에 엔젤 투자자로 참여하고 있습니다.

학습 수확

이번 강좌에서 Neil 멘토는 이더리움 및 그 한계, 사이드체인, Layer2 확장 솔루션, Layer2의 삼중 선택, 기술 스택의 진화 등을 설명했습니다.

01 이더리움 및 그 한계

왜 이더리움인가? 2022년 상태가 그리 좋지 않았음에도 불구하고 이더리움은 여전히 생태계에서 지배적인 위치를 유지하고 있습니다. 또한 2022년 주요 NFT 거래는 이더리움에서 발생했습니다. 이더리움은 블록체인 산업에 진입하기 위해 반드시 알아야 할 체인입니다. 그러나 이더리움은 두 가지 큰 한계로 인해 발전이 제한됩니다:

첫 번째: 이더리움에서 어떤 작업을 하더라도 가스 비용이 발생하며, 가스 비용이 매우 높습니다.

위 그림에서 GAS는 측정 단위입니다. 송금 과정에서 21000개의 GAS가 발생합니다. 거래 발신자가 거래를 신속하게 처리해야 하는지에 따라 GAS 가격은 일정 범위 내에서 변동합니다. 하나의 GAS를 100 GWEI로 가정할 경우, GWEI는 10의 -9 제곱의 ETH에 해당합니다. 따라서 위 그림에서의 송금 과정에서 가스 비용은 0.0021 ETH입니다. ETH 가격이 $1800일 경우, 이 송금은 $3.78의 비용이 듭니다.

주의할 점: 이 가스 비용은 일정하지 않으며, 거래 발신자가 거래 확인을 매우 급하게 원할 경우 가스 비용이 증가합니다. 이는 채굴자의 경매 메커니즘 때문으로, 가스 비용을 높게 제시한 사람이 먼저 선택됩니다. 따라서 급한 거래 발신자는 더 높은 가스 비용을 제시하게 됩니다. 2021년에는 가스 비용이 $150에 달하는 NFT 거래가 발생한 적이 있으며, 이 금액은 매우 과장된 수치입니다. 모든 거래가 이처럼 비쌀 경우, 전체 체인 거래 시스템은 거의 사용할 수 없게 됩니다.

두 번째: 확장성

위 그림에서 이더리움의 TPS는 약 20건/초입니다. 그러나 VISA의 24000 TPS에 비하면 여전히 너무 적습니다.

이러한 한계로 인해 중앙화 거래소는 중앙화 방식으로만 거래를 처리할 수 있습니다. 이 점에 대해서는 Duke 멘토가 블록체인 기초 강좌에서 자세히 설명했습니다. 그러나 이러한 방식은 Web3의 이념과는 반대 방향으로, FTX와 같은 악성 사건이 발생하기도 했습니다.

이더리움은 이 문제를 잘 알고 있으며, 이는 이더리움의 제품 로드맵입니다. 이더리움은 지난해 POW에서 POS로 전환하였으며, 이는 전력 소비 문제를 해결하기 위한 주된 목적이었습니다. 채굴자의 작업이 제거되었고, 이러한 변화는 자원을 크게 절약하며 이더리움 생태계의 99% 전력을 절약했습니다. 그러나 TPS를 효과적으로 증가시키고 가스 비용을 낮추는 데는 효과적이지 않았습니다. 따라서 현재로서는 이 두 가지 한계가 크게 개선되지 않았습니다. 이후의 데이터 샤딩이 이 두 가지 문제를 잘 해결할 수 있지만, 그 이전에는 이더리움 자체로는 해결할 수 없습니다.

02 블록체인 확장

위 두 가지 한계를 바탕으로, 업계에서는 블록체인 확장에 대한 다양한 시도를 해왔으며, 위는 여러 가지 다른 솔루션을 나열한 것입니다. 다음으로 이더리움의 확장에 대해 중점적으로 설명하겠습니다.

2.1 사이드체인

사이드체인의 대표적인 예는 Polygon의 PoS 체인입니다. 이 체인이 하는 일은 이더리움의 가스 비용이 높고 처리 능력이 제한적이므로 새로운 체인을 구축하는 것입니다. 이 체인에서는 모든 노드, 합의 및 보안이 체인 자체에 의해 제어됩니다. 이더리움의 자산을 사이드체인으로 이동하려면, 먼저 자산을 Polygon의 이더리움 지갑에 잠궈야 하며, 그 후 사이드체인에서 해당 토큰을 생성하여 사이드체인의 해당 지갑으로 이동합니다. 사이드체인에서 토큰을 회수하는 과정도 유사합니다.

이 솔루션에서 사이드체인은 이 돈이 실제로 존재한다는 것을 증명해야 하며, 이를 위해 Merkle Proof라는 증명 메커니즘을 사용합니다.

2.1.1 Merkle Proof

Merkle Proof는 데이터 블록, Merkle Root 및 데이터 블록에서 루트 경로의 모든 해시로 구성된 "가지"를 포함합니다. 증명자는 주어진 데이터 블록의 해시(현재 가지에 대해 최소한) 및 루트 경로의 모든 노드의 해시의 일관성을 검증할 수 있으며, 최종적으로 주어진 데이터 블록이 실제로 트리의 노드에 존재하는지를 검증할 수 있습니다. 이러한 방식은 블록체인에서 널리 사용됩니다.

2.1.2 장단점

사이드체인 솔루션의 장점은 다음과 같습니다:

• 상대적으로 중앙화되어 있기 때문에 고성능 머신을 사용하여 거래 처리량을 높일 수 있습니다.
• 거래 수수료는 사이드체인에서 제어하므로 거래 가스 비용이 비교적 낮습니다.
• 거래의 비밀성을 보장할 수 있습니다. 데이터가 사이드체인에서 제어되므로 데이터를 숨기는 방법을 사용할 수 있습니다. 따라서 일부 기업은 사이드체인을 블록체인 솔루션으로 선택할 수 있습니다.

하지만 단점도 뚜렷합니다:

• 가장 큰 문제는 보안 문제입니다. 전체 보안이 제3자에 의해 중앙화되어 제어되므로, 예를 들어 Polygon PoS는 Polygon에 의해 보안이 제어됩니다.
• 크로스 체인 브리지는 상대적으로 적은 수의 노드에 의해 검증되므로 해커의 공격에 취약하며, 역사적으로 수많은 해킹 사건이 발생했습니다.

Neil 멘토는 사이드체인을 Layer2로 보지 않습니다. 그 이유는 사이드체인의 보안이 이더리움에 의존하지 않고, 사이드체인 자체의 보안에 의존하기 때문입니다. 이더리움의 보안을 상속받아야만 Layer2라고 불릴 수 있습니다.

03 Layer2 확장 솔루션

모든 Layer2의 확장 솔루션은 대부분의 거래를 Layer2에서 오프체인 계산으로 처리하여, 전체 거래 상태를 Layer1에 올려서 권리를 확인하는 방식입니다. 이렇게 하면 Layer1의 성능이 최적화됩니다.

3.1 상태 채널

상태 채널은 상대적으로 초기의 Layer2 확장 솔루션으로, 방법이 간단하고 직관적입니다. 위 그림의 상반부에서 Player1과 Player2 사이에 많은 거래가 발생할 수 있습니다. 그러나 Layer1에 있어서는 과정이 중요하지 않고, 최종 결과가 가장 중요합니다. 이 두 사람의 거래가 발생하기 전에, 두 사람 모두 개인 키로 로그인해야 하며, 그 후 상태 채널을 시작할 수 있습니다. 채널이 열릴 때 두 사람 모두 온라인이어야 하며, 모든 거래가 완료될 때까지 채널은 닫히지 않습니다. 따라서 전체 거래는 Layer1에서 시작 및 종료 상태만 기록되어 많은 계산 자원을 절약합니다.

하지만 상태 채널의 단점은 다음과 같습니다:

• 거래 양측 모두 개인 키로 로그인해야 합니다. 개인 키가 체인에 노출되면 공격받을 수 있습니다.
• 거래 양측 모두 로그인 상태를 유지해야 하며, 그렇지 않으면 채널이 자동으로 닫힙니다.
• 거래의 자산은 거래 시작 시 잠겨야 하므로 거래 기간 동안 다른 용도로 사용할 수 없습니다.
• 스마트 계약을 실행할 수 없습니다.

하지만 이러한 방식은 계약 기능이 없는 비트코인과 같은 체인에 더 적합하며, 결제 채널은 비트코인의 확장에서 사용되며 라이트닝 네트워크의 기본 원리입니다.

3.2 Layer2 아키텍처

Layer2의 주류 솔루션은 데이터 체인 상과 오프체인 저장으로 나눌 수 있습니다. 증명도 두 가지로 나눌 수 있으며, 하나는 유효성 증명(Validity Proof), 다른 하나는 사기 증명(Fraud Proof)입니다. 이는 다양한 솔루션으로 이어집니다.

3.3 사기 증명(Fraud Proof)

검증자는 Layer1 계약에서 거래 데이터를 다운로드한 후, 로컬에서 (Layer2 상태의) 머클 트리를 재구성할 수 있습니다. 검증자는 로컬과 계약의 머클 루트(상태 루트)를 비교하여 위조 행위가 있는지를 확인할 수 있습니다. 위조가 발견되면, 검증자는 Layer1 계약에 머클 증명을 제공해야 하며, 이는 그림의 녹색 부분으로 도전합니다.

3.4 플라즈마(Plasma) 솔루션

플라즈마는 Layer2의 한 솔루션으로, 기본 원리는 해당 스마트 계약을 통해 작업을 처리하고, 운영자(Operator)를 통해 거래를 서브체인에 올리는 것입니다. 서로 다른 서브체인은 서로 다른 작업을 처리합니다. 이렇게 하면 많은 작업을 서로 다른 서브체인에 올릴 수 있습니다. 보안을 보장하기 위해 사용자가 서브체인에서 Layer1으로 자산을 이동하려고 할 때, 플라즈마는 7~14일을 예약하여 사기 증명 노드가 도전할 수 있도록 합니다.

이 솔루션의 장점은:

• 자산을 누구에게나 전송할 수 있습니다.
• 메인 체인이 보안을 보장합니다.

단점은:

• 출금 작업은 7-14일의 검토가 필요하며, 이 기간은 사기 증명 노드가 검증하는 데 할당됩니다.
• 임의의 스마트 계약을 실행할 수 없습니다. 스마트 계약은 처음부터 고정되어 변경할 수 없습니다.
• 머클 루트만 메인 체인에 기록되므로 보안성이 다소 떨어집니다.

3.5 롤업(Rollups) 솔루션

롤업의 구현

먼저 Layer1에 계약을 작성해야 하며, 계약의 목적은 Layer2에서 모든 패키징 작업을 생성하여 머클 루트를 만들고, 이 머클 루트 상태를 Layer1에 올리는 것입니다. 패키징 작업에 변화가 생기면 이 머클 루트가 변경되며, Layer1의 계약을 통해 상태를 업데이트해야 합니다. 작업에 문제가 발생하면, 작업이 유효한지를 증명하는 두 가지 방법이 있습니다. 모든 롤업 작업은 위의 논리를 기반으로 구현됩니다.

주요 파벌

Layer2에서 거래의 유효성 증명에 대해 현재 두 가지 주요 파벌이 있으며, 하나는 낙관적 롤업(Optimistic Rollups), 다른 하나는 zk롤업(zkRollup)입니다. 현재 Optimism은 전 세계에서 가장 많은 자산이 잠겨 있는 플랫폼입니다. 그러나 그 큰 문제는 사기 증명 방식을 사용하기 때문에 자산을 빠르게 인출할 수 없다는 것입니다. zk롤업은 더 나은 솔루션이지만, 현재 배포 가능한 계약 솔루션은 아직 완전히 성숙하지 않았습니다.

Optimism에서 출금을 원할 경우, 모든 데이터를 다운로드하여 머클 트리를 실행하고 사기 증명을 검증해야 하므로 매우 시간이 많이 소요됩니다. 또한 메커니즘에는 역설이 존재하는데, 사기 증명을 실행하는 노드가 사기를 발견하지 못하면 그 노드는 돈을 벌 수 없습니다. 그러나 사기가 발생하면 이 체인은 매우 느려집니다.

Arbitrum은 작은 개선을 하여 모든 거래와 관련된 데이터를 다운로드하여 실행할 필요가 없으며, 이분법을 이용하여 특정 노드의 결과가 유효하다는 것만 증명하면 됩니다. 그러나 여전히 사기 증명에 많은 시간이 소요됩니다.

3.5.1 zk롤업

zk롤업에서 매우 중요한 개념은 제로 지식 증명(zero-knowledge proof)입니다. 우리는 레스토랑 영수증의 예를 통해 간단히 이해할 수 있습니다.

레스토랑 영수증의 구체적인 항목은 대부분의 사람들이 신경 쓰지 않습니다. 일반 고객은 각 요리의 비용을 합산하여 영수증의 총액과 비교하여 검증합니다. 따라서 세부 사항을 알지 못한 채 거래의 유효성을 증명할 수 있습니다. 이는 제로 지식 증명에 대한 매우 일상적인 비유일 뿐이며, 구체적인 원리는 여러분이 잘 연구해보시기 바랍니다.

따라서 zk롤업에서 증명의 속도는 매우 빠르며, 대략 몇 백 밀리초가 소요되어 실시간으로 검증할 수 있습니다. 대략 몇 분 내에 Layer1에서 권리를 확인할 수 있습니다. 이러한 혁신적인 솔루션은 많은 사람들이 기대하고 있으며, Vitalik Buterin도 이 솔루션을 높이 평가하고 있습니다. 이 솔루션은 Layer1의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 StarkEx는 Layer1에서 하나의 블록의 NFT 저장량을 150개에서 180만 개로 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 Layer2에서 NFT를 발행할 때 가스 비용이 거의 발생하지 않게 됩니다.

Validium 솔루션

상대적으로 고정된 작업, 예를 들어 NFT 전송은 표준 계약으로 변환됩니다. 그런 다음 이러한 작업을 제로 지식 증명을 통해 Layer1에서 증명합니다. 데이터가 Layer1에 저장되면 이더리움 TPS의 한계를 영원히 받게 되므로, 일부 데이터는 오프라인 또는 Layer2에 저장하는 것이 더 나은 솔루션이 됩니다. 보안성이 다소 떨어지지만, 보안 요구가 그리 높지 않은 프로젝트에 대해서는 더 나은 솔루션이 될 수 있습니다.

zk롤업 솔루션

zk롤업은 Validium의 오프체인 저장의 calldata를 모두 Layer1에 저장하고, 거래는 Layer2에서 처리하며, 이러한 작업을 제로 지식 증명을 통해 Layer1에서 증명합니다.

Volition 솔루션

Volition은 Validium의 오프체인 솔루션과 zk롤업의 온체인 솔루션을 통합한 것입니다. 사용자는 자유롭게 선택할 수 있습니다.

StarkEx 프로젝트

현재 가장 성숙한 zk롤업/Validium 솔루션입니다.

그의 Validium 처리 능력은 초당 9000건의 거래를 처리할 수 있으며, zk롤업의 처리 능력은 초당 2000건의 거래를 처리할 수 있습니다. 2022년 4월, StarkEx는 하루에 400만 건의 거래를 처리하여 역사상 가장 많은 체인 거래 일일 처리량 기록을 세웠습니다.

3.5.2 zk롤업과 zKEVM

StarkEx의 가장 큰 한계는 계약을 작성할 수 없다는 것입니다. 다음 프로젝트는 계약 기능을 추가했습니다. 그림에서 녹색 상자가 많을수록 EVM과의 호환성이 더 좋습니다. 현재 이러한 솔루션은 대규모 생산 사용 단계에 도달하지 않았으며, 가장 가까운 것은 StarkNet이며, 다른 프로젝트는 성숙해지기까지 몇 년이 더 걸릴 것입니다.

EVM 호환성은 이미 EVM 계약을 작성한 많은 엔지니어가 쉽게 이전할 수 있도록 도와주지만, EVM과의 호환성이 높을수록 성능이 떨어집니다. 아래 그래프에서 자세히 설명합니다. 완전히 EVM과 호환되는 zk롤업의 성능 한계는 이더리움의 한계이며, zk롤업 원리에 따라 설계된 zk롤업 솔루션은 EVM과 잘 호환되지 않지만, 상상할 수 있는 공간이 큽니다.

3.5.3 낙관적 롤업과 zk롤업 비교

04 Layer2의 삼중 선택

Layer2의 삼중 선택은 이더리움의 삼중 선택과 다릅니다. 아래는 두 가지 특성을 모두 고려한 프로젝트와 체인을 나열했습니다.

• 성능(Performance)
• 조합 가능성(Composability): 즉 계약을 작성할 수 있는지 여부.
• 탈중앙화(Decentralization)

프로젝트 팀은 자신의 중점을 기반으로 적절한 솔루션을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 Web3의 애플리케이션이나 게임은 논리와 거래가 비교적 고정되어 있으므로 현재로서는 StarkEx가 더 나은 선택입니다. 반면 DeFi와 같이 계약 요구가 높은 프로젝트 팀은 성능을 중시한다면 Polygon Pos가 더 나은 선택일 수 있으며, 탈중앙화 요구가 높은데 출금 시간이 긴 것을 신경 쓰지 않는 경우에는 낙관적 롤업이 더 나은 솔루션일 수 있습니다.

05 기술 스택의 진화

zk롤업의 지원으로 우리는 탈중앙화 솔루션의 기술 스택이 크게 변화하는 것을 보았습니다. 우리는 비교적 대표적인 탈중앙화 거래소 dYdX를 예로 들어, 사용자가 거래소의 상대적으로 중앙화된 서버에서 매수 및 매도 주문을 매칭한 후, 모든 거래가 zk롤업에서 발생하도록 합니다. 사용자는 모니터링 지갑을 사용하며, 이는 자산이 여전히 사용자에게 속해 있으며 언제든지 인출할 수 있음을 의미합니다.

다음은 Reddio의 기술 스택입니다. 우리는 개발자가 익숙한 언어를 사용하여 API 및 SDK 방식으로 개발자에게 서비스를 제공하여, 개발자가 ERC20 및 NFT를 이더리움 및 Layer2 zk롤업에 신속하게 배포할 수 있도록 하여, 더 높은 동시 처리(최대 10K TPS)와 매우 안정적으로 우리의 제품과 Layer2 솔루션을 사용할 수 있도록 합니다. 또한 Layer2 전용 체인 언어를 개발자가 자주 사용하는 API 및 SDK로 변환하여 개발자가 Layer2와 이더리움을 통합하는 시간을 크게 단축시킵니다. 따라서 EVM과 호환되지 않는 zk롤업이라도 개발자는 신속하게 사용할 수 있습니다. Reddio의 솔루션에 관심이 있으신 분들은 www.reddio.com에서 무료로 테스트해보시기 바랍니다.

zk롤업이 완성됨에 따라 우리는 완전히 탈중앙화된 온체인 DeFi, Web3 앱, 게임이 배포되고 폭발할 것을 보게 될 것이며, Web3의 판도도 크게 변화할 것입니다. 이는 더 많은 창업자에게 전례 없는 기회를 제공하며, 여러분과 함께 이러한 미래를 구축하기를 기대합니다.

06 감사의 말씀

이번 공익 강좌에 대한 다음 조직의 지원에 감사드립니다!

후원사 지원:

One Global Blockchain Centre (OGBC)

https://www.ogbc.com/

OGBC는 Web 3.0의 선도적인 인큐베이터로, 그들은 신생 암호화폐 스타트업과 협력하여 미래의 인프라를 구축합니다. OGBC의 암호화폐 분야의 전문 지식, 네트워크 및 자원을 활용하여 기업과 프로젝트는 잠재력을 최대한 발휘하고 블록체인 산업의 점점 더 많은 사용자에게 혁신적이고 가치 있는 솔루션을 개발하기 위해 노력할 수 있습니다.

기타 협력사 지원:

07 Moledao에 대하여

MoleDAO는 블록체인 개발자 커뮤니티로, 모든 블록체인 애호가가 블록체인 최신 동향을 이해하고 경험이 풍부한 블록체인 선구자 및 혁신가의 도움을 받아 성장하여 Web 3 생태계를 구축하는 데 더 많은 혁신적인 아이디어를 기여할 수 있도록 합니다.

우리는 블록체인 애호가 간의 교류 커뮤니티를 구축하고, 블록체인 프로젝트 지원을 제공하며, 글로벌 해커톤 시리즈 활동을 개최하고, 프로젝트 인재 매칭을 도와주고, 프로젝트 후원 및 지도를 제공하여 블록체인 개념을 모든 사람에게 전파하고 블록체인 생태계를 발전시키는 것을 목표로 합니다.

우리의 비전은 정교하게 기획된 원스톱 블록체인 생태계가 되는 것입니다. 블록체인 애호가, 블록체인 개발자, 기관 또는 투자자 누구나 Moledao에서 자신에게 적합한 위치를 찾을 수 있습니다.

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