롤업 정렬기의 탈중앙화 탐색: 에스프레소, 수아베 및 폴리곤

저자：100y

편집：0x11，Foresight News

• 이더리움 Rollup 네트워크의 채택은 2022년에 급증했지만 여전히 개선할 점이 있다.
• 정렬기는 사용자 제출 거래의 순서를 정하는 역할을 한다. 현재 거의 모든 Rollup은 단일 정렬기에 의존하고 있다. Rollup이 사기 또는 유효성 증명을 통해 이더리움의 보안성을 활용하는 점을 고려할 때, 중앙 집중식 정렬기는 큰 문제가 되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 탈중앙화된 정렬이 궁극적으로 더 나은 해결책이 될 것이다. 왜냐하면 중앙 집중식 정렬기는 MEV 추출 또는 검열과 관련된 위험이 있을 수 있기 때문이다.
• 본문에서는 Espresso Sequencer, SUAVE, Polygon PoE, EigenLayer 및 Cosmos ICS를 포함한 다양한 탈중앙화 정렬기 프로젝트를 소개할 것이다.

소개

이더리움 외부의 7대 네트워크의 TVL 지배 추세, 출처：Messari

2022년은 Rollup이 주목받는 해였다. 일부 Rollup 네트워크는 암호화폐 시장의 전반적인 하락세 속에서도 큰 성공을 거두었다. 2020년과 2021년에는 L1이 두각을 나타내며 많은 사람들이 SOLUNAVAX(솔라나, 루나, 아발란체)와 FOAN(판텀, 하모니 원, ATOM, NEAR)에 투자하여 큰 수익을 얻었다. 반면 2022년에는 거시 경제적 영향, 빈번한 해킹, 테라 붕괴로 인해 L1의 채택률이 급격히 감소하였고, 이는 다시 Rollup 네트워크에 대한 대중의 관심을 불러일으켰다.

이더리움 Rollup은 이더리움 네트워크에 상태(예: 지갑 잔액)와 거래 데이터의 요약(상태 루트)을 저장하고, 메인 체인 외부에서 거래를 실행할 때 이더리움의 보안성을 의존하여 확장성을 달성한다. 그렇다면 Optimism이나 Arbitrum과 같은 Rollup 네트워크를 완전히 신뢰하고 사용할 수 있을까? 불행히도 이 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 현재 Rollup 네트워크는 여전히 몇 가지 위험 요소가 존재한다.

Rollup 네트워크의 위험 분석, 출처：l2beat

위 표는 l2beat 웹사이트에서의 위험 분석으로, 현재 Rollup이 상당히 많은 위험 요소를 가지고 있음을 보여준다. 위 표에 언급된 위험은 본문의 초점은 아니지만, 그 의미를 간략히 되짚어볼 가치가 있다:

• 상태 검증: 상태 검증은 L2에서 실행된 유효성을 어떻게 증명하는지를 의미한다. 제로 지식 증명을 사용하는 네트워크의 경우, zk-SNARKs는 ZK 증명(SN)으로, zk-STARKs는 ZK 증명(ST)으로 표시된다. 많은 Optimistic Rollup은 상태 검증에서 위험이 있는 것으로 보인다: Optimism, Metis Andromeda 및 Boba Network와 같은 일부 프로젝트는 사기 증명 메커니즘을 개발 중이며, Arbitrum One 또는 Arbitrum Nova와 같은 다른 프로젝트는 실제로 사기 증명 계획이 있지만, 화이트리스트 참여자만 사기 증명을 제출할 수 있다.
• 데이터 가용성: 이는 L2 네트워크의 거래 데이터가 어디에 저장되는지를 다룬다. 거래 데이터가 완전하게 유지되어야 사용자가 유효성을 증명하거나 L2 네트워크에서 토큰을 인출할 수 있다. 거래 데이터가 이더리움에 저장될 때만 네트워크는 Rollup으로 간주될 수 있으며, 그렇지 않으면 해당 범주에 포함될 수 없다.
• 업그레이드 가능성: 이더리움 L1 네트워크의 Rollup 스마트 계약이 업그레이드 가능한지 여부이다. 위 표에서 '예'로 표시된 경우, 중앙 집중식 참여자는 언제든지 이를 업그레이드할 수 있으며, 'N일 지연'으로 표시된 경우, 해당 네트워크는 업그레이드 시간을 강제로 지연시킨다.
• 정렬기 고장: 이는 L2 네트워크에서 거래를 정렬하는 정렬기가 오프라인이거나 거래를 검열하는 것과 관련이 있다. 'L1을 통한 거래 사용'과 'L1으로 강제 종료'는 두 가지 안전한 방법으로, 전자는 사용자가 L1을 통해 직접 거래를 제출할 수 있게 하고, 후자는 사용자가 L1으로 강제 종료할 수 있게 한다.
• 검증자 고장: 이는 L2 네트워크의 블록 생산자가 오프라인이거나 검열을 결정할 때와 관련이 있다. '블록 제안'과 '탈출 해치(MP)'는 안전하며, 전자는 누구나 일정 시간 후 검증자가 될 수 있게 하고, 후자는 사용자가 상태 루트를 제출하여 안전하게 담보를 인출할 수 있게 한다.

지금까지 우리는 이더리움 L2 네트워크의 다양한 위험 요소를 검토했다. 그러나 해결되지 않은 위험이 하나 있다. 그것은 중앙 집중식 정렬이다. 정렬기는 L2 사용자가 제출한 거래를 수신하고 정렬하는 역할을 하며, 현재 중앙 집중식 정렬은 거의 모든 L2 네트워크의 표준이다. 심지어 두 개의 가장 큰 Rollup 네트워크인 Optimism과 Arbitrum도 모든 거래의 순서를 결정하기 위해 단일 정렬기를 운영하고 있다. 중앙 집중식 정렬기가 큰 위험을 초래할까? 위에 나열된 위험 요소와 비교할 때, 대답은 부정적이다.

사실, 표에 나열된 위험은 사용자 자금에 직접적인 피해를 줄 수 있지만, 중앙 집중식 정렬기는 그렇지 않다. 정렬이 단일 실체에 집중되든 여러 실체에 분산되든, L2 네트워크 거래의 유효성은 L1 네트워크에서 사기 증명 또는 유효성 증명을 통해 증명된다. 그럼에도 불구하고, 단일 정렬기가 부적절하게 행동할 경우 L2 네트워크의 사용자는 간접적인 손실을 입을 수 있다. 거래 순서를 독단적으로 결정할 수 있는 능력은 악의적인 MEV 추출을 조장할 수 있으며, 이는 사용자에게 재정적 손실을 초래하는 샌드위치 공격과 같은 형태로 나타날 수 있다. 심지어 거래를 검열할 수도 있다(이는 프로젝트에 따라 다르지만, L1을 통해 L2 블록에 거래를 포함시키는 강제 거래 메커니즘이 존재하기 때문에 악의적인 정렬기가 거래를 검열하고 완전히 차단하기는 어렵다. 그러나 악의적인 정렬기가 긴급 상황에서 거래를 검열할 경우, 예를 들어 대출 프로토콜의 청산과 같은 경우, L2에서 거래 지연이 발생할 수 있다).

대부분의 L2 프로젝트는 궁극적으로 정렬기를 탈중앙화할 계획이지만, 이는 새로운 거래 정렬 합의 메커니즘을 도입해야 한다. 여러 정렬기를 합의 메커니즘에 포함시키는 것은 불가피하게 확장성을 해칠 것이며, 이는 Rollup의 본래 목적에 반한다. 그러나 블록체인 정신에 기반한 탈중앙화 정렬은 확실히 장점이 있으며, 반드시 추구해야 할 최종 방향이다. 본문에서는 최근 탈중앙화 정렬기를 위한 시도와 노력을 탐구할 것이다.

탈중앙화 정렬기의 시도

Espresso Systems의 Espresso Sequencer

Espresso Systems는 블록체인 확장성과 프라이버시 솔루션 서비스 제공업체로, 2022년 5월 Electric Capital 및 Sequoia Capital 등으로부터 3200만 달러의 자금을 모금했다. Espresso Systems는 HyperPlonk라는 zkEVM 증명 시스템, 오픈 소스 암호학 라이브러리인 jellyfish, 기존 EVM 체인의 자산에 선택적 프라이버시를 제공하는 스마트 계약 애플리케이션인 CAPE, 스마트 계약에 프라이버시를 제공하는 시스템인 VERI-ZEXE와 같은 다른 솔루션도 개발 중이다. 이 글에서는 Espresso Systems가 개발한 탈중앙화 정렬기 Espresso Sequencer에 초점을 맞출 것이다.

Espresso Sequencer는 현재 중앙 집중식 정렬기를 사용하는 zk 및 Optimistic Rollups를 개선하는 데 도움을 주는 솔루션이다. Rollup을 위한 탈중앙화 정렬 및 데이터 가용성 계층으로서, L1과 L2 사이의 미들웨어 계층 역할을 할 수 있다. 거래는 L2에서 처리되지만, 그 최종성은 궁극적으로 이더리움의 L1에 의존한다. 네트워크의 합의 알고리즘은 보안성보다 활성화를 우선시한다. Espresso Sequencer는 HotStuff BFT 기반의 HotShot 합의 알고리즘을 도입하여 Rollup 정렬과 최종성이 L1에 의존해야 하는 문제를 해결한다. 이 알고리즘을 기반으로 여러 정렬기가 낙관적인 조건에서 L2 거래를 신속하게 처리한다.

최근 HotShot은 100개의 4GB 메모리와 2개의 CPU 코어로 구성된 노드 네트워크에서 1-2만 건의 ERC-20 거래 처리량을 구현한 Americano라는 테스트넷을 출시했다. 높은 성능은 HotShot 알고리즘이 낙관적인 상황에서 중앙 집중식 네트워크 구조를 활용한 덕분이다. 네트워크에 문제가 발생할 경우, 해당 알고리즘은 다른 메커니즘으로 전환하여 비관적인 조건에서 성능보다 안정성을 우선시한다.

Espresso Sequencer 로드맵 | 출처：Espresso Systems

현재 Americano 테스트넷은 낙관적인 응답의 거래 처리 방식만을 채택하고 있으며, 향후 Doppio 테스트넷에서 비관적인 처리 방식을 도입할 계획이다.

Flashbots의 SUAVE

출처：Flashbots

Flashbots는 이더리움 네트워크 MEV의 효율적인 추출 및 탈중앙화 분배를 위해 노력하는 연구 개발 기관이다. 과거에는 PoW 이더리움에 Flashbot Auction을 제공했으며, 현재 PoS 이더리움에 MEV 탈중앙화를 구현하는 미들웨어인 MEV-Boost를 기여하고 있다. 그러나 MEV-Boost에도 자체적인 한계가 있다: 블록 생성자의 중앙 집중화.

검증자나 제안자의 중앙 집중화는 네트워크 보안에 심각한 위협이 되지만, 블록 생성자의 중앙 집중화는 동일한 정도의 위험을 초래하지 않는다. 그럼에도 불구하고 중앙 집중식 생성자는 이상적인 상황이 아니다. EOF (외부 주문 흐름, 사용자가 거래를 특정 블록 생성자에게 전송하여 메모리 풀 대신 사용하여 생성자의 권한을 크게 강화함)는 네트워크가 MEV의 효율적인 추출 및 분배 목표에서 벗어나게 할 수 있다. Flashbots는 2022년 11월 23일 SUAVE (The Single Unifying Auction for Value Expression)라는 솔루션을 출시했다.

출처：Flashbots

SUAVE는 EVM 호환 블록체인 네트워크로, 거래 정렬 및 블록 생성을 처리하는 것을 목표로 하며, 다양한 dApp의 배포를 지원하지 않는다. 간단히 말해, SUAVE는 거래 정렬을 위한 블록 생성자 네트워크이자 1층 네트워크의 사전 확인 거래를 저장하는 메모리 풀이다. 또한 SUAVE는 다양한 EVM 체인과 호환되므로 이더리움뿐만 아니라 Optimism, Polygon 및 Arbitrum과 같은 L2 네트워크에서도 사용할 수 있다.

출처：Flashbots

SUAVE의 초기 목적은 모든 사람이 접근할 수 있는 개방된 환경에서 1) 암호화된 메모리 풀을 사용하여 사용자의 거래를 암호화하여 프라이버시를 보장하고, 최적의 실행 시장을 사용하여 EOF 상황을 완화하여 블록 생성자의 중앙 집중화를 방지하고, 2) 여러 네트워크의 정렬을 처리하여 크로스 체인 MEV 추출을 탈중앙화하여 특정 블록 생성자의 권한을 과도하게 강화하는 것을 방지하는 것이다. 그러나 SUAVE를 사용하면 추가적인 이점도 가져올 수 있다.

여러 네트워크의 정렬 계층으로서 SUAVE는 이를 사용하는 L2 네트워크에 탈중앙화 정렬기를 제공할 수 있다. 또한, 이는 MEV 추출 과정의 효율성을 높여 보다 지속 가능한 네트워크를 형성하는 추가적인 이점이 된다. 그러나 중앙 집중식 실체의 역할을 SUAVE와 같은 탈중앙화 계층에 위임하는 것은 지연 등의 성능 저하를 초래할 수 있는 잠재적인 단점이 있다. SUAVE는 아직 출시되지 않았기 때문에 실제 성능은 두고 볼 일이다.

Polygon의 PoE

Polygon zkEVM은 Polygon Hermez로 이름이 변경되었으며, Rollup 네트워크에 효율성 증명(PoE)이라는 합의 알고리즘을 도입하여 정렬기를 탈중앙화할 계획이다. PoE의 작동 방식은 다음과 같으며, 기존 정렬기 역할을 정렬기와 집계기로 분리한다. 정렬기는 사용자의 거래를 집계하여 배치로 만들고, 이를 이더리움 L1의 스마트 계약에 제출하며, 집계기는 정렬기가 발표한 거래 배치를 검증한다. PoE 및 그 전신인 기부 증명(PoD)에 대한 자세한 설명은 Polygon，모듈화 블록체인 미래의 선두주자라는 글의 5부를 참조하라.

PoE의 작동 원리, 출처：Polygon

EigenLayer

EigenLayer는 재질질 개념을 처음 도입한 프로토콜로, 스테이커가 이미 스테이킹된 ETH에 추가적인 감면 조건을 부여한다(자세한 내용은 EigenLayer：ETH를 재스테이킹하여 신뢰 네트워크 확장 참조). 이 방법의 장점은 다른 프로토콜이 이더리움의 막대한 시가총액을 기반으로 강력한 보안을 활용할 수 있다는 것이다. 또한, 추가적인 감면 조건을 추가함으로써 EigenLayer는 탈중앙화 목적을 더 잘 달성할 수 있다. EigenLayer는 현재 Rollup 정렬기를 탈중앙화하는 데 사용될 수 있으며, 탈중앙화 정렬기가 되고자 하는 기관은 EigenLayer를 통해 ETH를 재스테이킹하여 실체로서 활동할 수 있으며, 악의적인 행동으로 인해 벌금을 부과받을 수 있다. Rollup 네트워크의 원주율 토큰을 PoS 방식으로 사용하여 탈중앙화 정렬기를 구축할 수 있지만, EigenLayer는 상대적으로 더 안전한 ETH 토큰을 사용하여 더 나은 보호를 제공한다. 여기서 EigenLayer를 도입하는 것은 Rollup 정렬기의 PoS 과정에 ETH 토큰과 벌금 조건을 추가하는 것이다. 따라서 EigenLayer를 채택하기 전에 탈중앙화 정렬기를 어떻게 구현할 것인지 고려해야 한다. 해당 프로토콜은 아직 시작되지 않았으며, 2023년에 출시될 예정이다. 위에서 언급한 Rollup 정렬기 탈중앙화 방안은 아직 논의 중이며, EigenLayer의 출시 후 실제 사용은 두고 볼 일이다.

Cosmos Interchain Security

출처：Celestia

모듈화 블록체인의 대표 프로젝트 중 하나인 Celestia의 COO Nick White는 최근 Celestia 포럼에서 Rollup 정렬기 탈중앙화에 대한 흥미로운 제안을 공유했다. 그는 Cosmos 생태계에서 Interchain Security을 활용할 것을 제안했다. Interchain Security (ICS)는 Cosmos Hub의 검증자가 소비자 체인(ICS를 사용하는 특정 애플리케이션 체인)에 공유 보안을 제공하는 방식이다. 다시 말해, 이 아이디어는 Rollup 정렬기로서 Cosmos의 기존 검증자를 활용하는 것이다. Rollup이 새로운 토큰을 출시하고 PoS 기반의 탈중앙화 정렬기를 구축하는 것은 도전적이기 때문이다. 이는 EigenLayer를 활용한 탈중앙화 정렬의 아이디어와 기본적으로 유사하다.

이 방법을 도입하면 Celestia 네트워크는 '원자적 크로스 Rollup 조합 가능성'을 실현하는 강력한 도구를 제공할 수 있다. Celestia 네트워크는 여러 Rollup 네트워크의 데이터 가용성 계층을 호스팅하며, 이는 유동성 단편화 및 조합 가능성 저하를 초래할 수 있다. 여러 Rollup 네트워크가 ICS를 통해 설정된 동일한 정렬기를 사용하여 운영된다면, 이는 원자적 거래를 허용할 것이며, 동일한 참여자가 Rollup의 배치를 생성하게 된다. 서로 다른 Rollup의 dApp은 원활하게 상호작용할 수 있으며, Celestia 네트워크에서 유동성 분산 및 조합 가능성 악화 문제를 해결할 수 있다.

가령, A Rollup의 X 토큰을 담보로 제공하여 B Rollup의 Y 토큰을 빌리려는 경우를 가정해보자. 이 경우, A Rollup의 X 토큰이 적절하게 담보로 잠겨 있는지와 B Rollup의 Y 토큰이 올바르게 대출되었는지를 검증하는 데 상당한 시간이 소요된다. 그러나 Rollup A와 Rollup B가 동일한 탈중앙화 정렬기 집합을 공유한다면, 이들의 블록은 동일한 실체에 의해 생성되므로 대출 검증 과정을 크게 단순화할 수 있다. 이는 네트워크가 거의 동일한 네트워크 내에서처럼 상호작용할 수 있음을 의미하며, Rollup 간 상호작용의 사용자 경험을 크게 향상시킬 수 있다.

EigenLayer와 마찬가지로 Celestia와 Cosmos도 2023년에 ICS를 출시할 계획이다. 따라서 지금까지 논의된 제안은 탈중앙화 정렬의 잠재적 해결책으로 간주되어야 한다.

결론

본 글에서는 Rollup 탈중앙화에 대한 다양한 접근 방식을 살펴보았다: Polygon의 PoE 합의 알고리즘은 Rollup 네트워크 레벨에서 직접 탈중앙화 정렬을 구현하며, Espresso Systems의 Espresso Sequencer와 Flashbots의 SUAVE는 다른 계층을 통해 문제를 해결하고, EigenLayer와 Cosmos의 ICS는 이미 강력한 보안을 구축한 네트워크 검증자 집합을 활용한다. 정렬기의 탈중앙화는 매우 중요하므로, Celestia의 Alex Beckett는 2022년 6월 이 주제에 대한 글을 발표했다. 나는 Alex의 해결책을 간략히 요약하며 본문을 마치고자 한다.

첫 번째는 '리더 선출이 있는 무허가 PoS'이다. 이 방법에서는 누구나 Rollup 정렬기로 네트워크에 참여할 수 있으며, 토큰을 스테이킹하고 리더 선출 과정을 통해 네트워크의 블록 생산 순서를 결정한다. 위에서 언급한 Espresso Sequencer, EigenLayer 및 Cosmos ICS는 모두 이 방법을 채택하고 있다.

두 번째는 'MEV 경매를 통한 무허가 PoS'이다. 위와 같이 리더 선출 과정을 사용하여 어떤 정렬기가 다음 블록을 생성할지를 결정하는 것이 아니라, 경매 과정에서 가장 높은 입찰가를 제시한 정렬기가 블록을 생성하는 방식이다. Flashbots의 SUAVE 또는 앞서 논의된 Polygon zkEVM의 PoE 합의 알고리즘은 유사한 방법을 채택하고 있다.

마지막으로, '공정한 정렬을 수행하는 허가된 정렬기 집합'이다. 위에서 논의한 두 가지 해결책은 모두 무허가로, 누구나 특정 조건을 충족하면 정렬 과정에 참여할 수 있다. 반면, 허가된 정렬기가 포함된 해결책은 신뢰할 수 있는 실체와 비공식적으로 정렬기 집합을 만드는 것을 의미한다. 이를 통해 정렬기가 거래를 수집하고 선착순으로 공정하게 주문을 결정할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 신뢰를 요구하며, 진정한 Rollup 정렬기 탈중앙화 해결책으로 간주될 수 없다.

2022년 Rollup 네트워크가 큰 주목을 받았지만, 여전히 관련된 중대한 위험이 존재하며, 탈중앙화 정렬기는 일반적으로 낮은 우선순위의 위험으로 간주된다. 그럼에도 불구하고, 탈중앙화 정렬을 구현하는 것은 검열 문제를 해결하고 MEV 추출 효율성을 높이는 데 필수적이다. 2022년 Rollup 네트워크의 광범위한 채택으로 인해 그들은 점점 더 많은 자금을 처리하고 있으며, 이는 네트워크 보안성과 공정성을 높여야 할 필요성을 증가시킨다. 앞으로 정렬기의 탈중앙화가 개선되어 사용자들이 더 안전하고 공정한 Rollup 네트워크를 사용할 수 있기를 바란다.

참고 자료

https://www.espressosys.com/blog/decentralizing-Rollups-announcing-the-espresso-sequencer

https://www.espressosys.com/blog/espresso-hotshot-consensus-designed-for-Rollups

https://www.espressosys.com/blog/releasing-espresso-testnet-1-americano

https://writings.flashbots.net/the-future-of-mev-is-suave/

https://www.alexbeckett.xyz/decentralized-sequencers-where-do-we-go-next/

https://forum.celestia.org/t/decentralized-Rollup-sequencing-as-a-service-via-interchain-security/423