이론에서 실천으로: Based Rollup이 L1 정렬 기반 Rollup 솔루션을 실현할 수 있을까?

저자: YBB Capital 연구원 Ac-Core

서론:

이더리움의 작동 원리는 각 노드가 사용자가 제출한 모든 거래를 저장하고 실행하는 것입니다. 전체 네트워크의 확장을 위해 이더리움은 롤업(Rollup) 솔루션을 채택했습니다. 간단히 말해, 이는 대부분의 거래 처리를 체인 외부(L2)로 이동시켜 이더리움 메인넷(L1)의 부담을 줄이고 거래 비용을 낮추는 것입니다. 즉, 롤업 = L1의 스마트 계약 집합 + L2의 네트워크 노드로, 체인 상의 스마트 계약과 체인 외부의 집계기입니다. 롤업은 자체적인 결제, 합의 및 데이터 가용성을 이더리움에 의존하며, 거래 실행만을 담당합니다. L2 네트워크 노드는 여러 부분으로 구성되며, 그중 가장 중요한 것은 정렬기(Sequencer)입니다. 그러나 현재 롤업의 정렬기는 중앙 집중화 문제에 직면해 있습니다.

롤업과 정렬기

롤업은 이더리움(L1)의 확장 솔루션으로, 체인 외부에서 거래를 실행하고 거래를 블록에 패키징합니다. 각 블록에 대해 롤업은 체인 상태를 재구성하는 데 필요한 데이터(데이터 가용성의 출처로서)를 데이터 가용성 계층에 게시하고, 체인 외부 실행의 정확성을 증명하는 증거를 결제 계층에 게시합니다(롤업에는 두 가지 유형이 있으며, ZK-롤업의 경우 각 블록마다 제로 지식 증명이 게시되고, 옵티미스틱 롤업의 경우 분쟁이 발생할 때만 사기 증명이 게시됩니다). EIP-4844 이후 데이터 게시가 블롭(blobs)으로 전환되면 이 계층을 "데이터 게시 계층"이라고 부를 수 있습니다. 롤업의 스마트 계약은 L1에서 게시된 증명을 검증하며, 각 롤업은 체인 간 데이터 전송 및 입출금을 구현하기 위해 하나 이상의 브리지를 갖습니다.

롤업의 구현 논리에서 정렬기(Sequencer)는 핵심 구성 요소로, 주로 L2에서 거래 요청을 수신하고 실행 순서를 결정하며 거래를 배치(Batch)로 패키징하여 최종적으로 L1의 롤업 스마트 계약에 전달하는 역할을 합니다. 이는 거래 처리 효율성을 높이고 비용을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.

정렬기의 기능과 작동 원리는 주로 네 가지 부분으로 나뉩니다.

1. 거래 수신: 정렬기는 사용자 또는 애플리케이션으로부터 거래 요청을 수신합니다. 이러한 거래는 이더리움 메인넷에서 직접 처리되지 않고 L2에서 먼저 처리됩니다;

2. 거래 정렬: 정렬기는 수신된 거래를 정렬하고 실행 순서를 결정합니다. 이 과정은 이더리움 채굴자가 거래를 블록에 패키징하기 전에 수행하는 작업과 유사합니다;

3. 거래 패키징: 정렬기는 정렬된 거래를 패키징하여 여러 거래의 요약 정보를 포함하는 배치를 생성합니다;

4. L1에 제출: 최종적으로 정렬기는 패키징된 거래 배치를 이더리움 메인넷(L1)에 제출하여 메인넷에서 결제 및 데이터 저장을 수행합니다. 이렇게 하면 L1이 L2의 상태 업데이트를 검증하고 저장할 수 있습니다.

롤업 기술이 효과적인 확장 솔루션을 제공하지만, 정렬기의 설계 및 구현에는 여전히 몇 가지 문제가 존재합니다. 가장 중요한 것은 중앙 집중화 문제로, 대부분의 롤업 프로젝트는 현재 중앙 집중화된 정렬기에 의존하고 있으며, 일반적으로 단일 엔터티 또는 소수의 엔터티에 의해 제어됩니다. 이는 투명성 부족과 단일 실패 지점의 직관적인 위험을 초래합니다.

위의 경직된 설명을 떠나, L2 탈중앙화 정렬기 솔루션에 대한 논의는 YBB Capital의 이전 기사에서 언급된 메티스(Metis)의 시장에 직접 개방된 정렬 풀 노드 스테이킹 L2 솔루션이나 독립 프로젝트인 에스프레소(Espresso) 솔루션 모두 본질적으로 정렬 "이익 케이크"의 분배와 미래 시장 조작의 공간 기대와 관련이 있습니다. 따라서 이익과 정통성이 올바른 것이 핵심적으로 피할 수 없는 요소입니다.

Based Rollup의 역사적 배경 및 설계

사진 출처: @drakefjustin

롤업 개념은 이더리움 창시자 비탈릭 부테린(Vitalik Buterin)에 의해 처음 제안되었습니다. 그의 초기 구상은 완전히 무제한적인 "Total Anarchy(무정부 상태)"를 실현하여 누구나 무제한으로 거래를 확장할 수 있도록 하는 것이었습니다. 위에서 언급한 현재 정렬기의 문제와 결합하여, 2023년 이더리움 연구원 저스틴 드레이크(Justin Drake)는 정렬기를 이더리움 L1 자체가 관리하는 솔루션인 Based Rollups를 제안했습니다. 그 내용은 다음과 같습니다(출처는 확장 링크 1 참조):

정의:

"집계된 정렬이 기본 계층(L1)에 의해 구동될 때, 우리는 이를 L1 기반 또는 L1 정렬 롤업이라고 부릅니다. 구체적으로, L1 기반 롤업은 다음 L1 제안자가 L1 검색자 및 구축자와 협력하여 허가 없이 다음 롤업 블록을 다음 L1 블록에 포함할 수 있음을 의미합니다."

장점:

• 활성화(liveness): Based Rollup은 L1과 동일한 활성화 보장을 누립니다. 주의할 점은, 탈출구(Escape Hatches)가 있는 비 Based Rollup의 활성화는 감소합니다(탈출구는 롤업에서의 안전 메커니즘으로, 롤업 시스템에 문제가 발생할 경우 사용자가 L2에서 자산을 안전하게 L1 메인 체인으로 인출할 수 있도록 허용합니다. 이는 비상 출구와 유사합니다);

• 약한 결제 보장: 결제가 보장되기 전, 탈출구의 거래는 일정한 초과 대기 시간을 기다려야 합니다;

• 검열 기반 MEV: 탈출구가 있는 롤업은 초과 대기 기간 동안 정렬기의 검열로 인한 불리한 MEV 영향을 받기 쉽습니다;

• 네트워크 효과의 위험: 정렬기 활성 실패로 인해 발생하는 대규모 퇴출(예: 탈중앙화 PoS 정렬 메커니즘에 대한 51% 공격)은 롤업의 네트워크 효과를 파괴할 것입니다. L1과 달리 롤업은 정렬기 활성 실패에서 사회적 합의를 통해 우아하게 복구할 수 없습니다. 모든 알려진 비 Based Rollup 설계에서 대규모 퇴출은 다모클레스의 검입니다;

• 가스 벌칙: 탈출구를 통해 결제된 거래는 일반적으로 사용자에게 가스 벌칙을 부과합니다(예: 거래가 비배치 패키징으로 인해 최적이 아닌 데이터 압축으로 인해 발생합니다).

• 탈중앙화(decentralization): Based Rollup은 L1의 탈중앙화를 상속받아 자연스럽게 L1 검색자 - 구축자 - 제안자의 인프라를 재사용합니다. L1 검색자와 구축자는 롤업 블록을 포함하여 롤업의 MEV를 추출하도록 유도됩니다. 이는 다시 L1 블록 제안자가 L1에서 롤업 블록을 패키징하도록 유도합니다.

• 간결성(simplicity): Based Rollup 정렬은 가장 간단하며, 중앙 집중화된 정렬보다 훨씬 간단합니다. Based Rollup은 정렬기 서명을 검증할 필요가 없으며, 탈출구도 필요 없고 외부 PoS 합의도 필요하지 않습니다.

역사적 주석: 2021년 1월, 비탈릭은 L1 기반 정렬 솔루션을 "완전한 무정부 상태"라고 언급하며, 이는 여러 롤업 블록을 동시에 제출하는 위험이 있어 가스와 작업량의 낭비를 초래할 수 있습니다. 현재의 블록 제안자 - 구축자 분리 설계(Proposer-Builder Separation, PBS)는 L1 정렬을 엄격하게 제어할 수 있으며, 각 L1 블록에는 최대 하나의 롤업 블록이 포함되고 가스 낭비가 없습니다. 롤업의 n+1 블록(또는 k >= 1, n+k)이 블록 n의 SNARK 증명을 포함할 때 ZK-롤업의 증명 작업 낭비를 피할 수 있습니다.

• 비용: Based Rollup의 가스 비용은 제로이며, 탈중앙화 또는 중앙 집중화된 정렬기에서 서명을 검증할 필요가 없습니다. Based Rollup의 간결성은 개발 비용을 줄이고 출시 시간을 단축시키며 코드 결함의 노출 면적을 줄입니다. Based Rollup의 정렬은 토큰이 필요 없으며, 토큰 기반 정렬기의 규제 부담을 피할 수 있습니다.

• L1 경제 일치(L1 economic alignment): Based Rollup에서 발생하는 MEV는 자연스럽게 기반이 되는 L1으로 흐릅니다. 이러한 흐름은 L1의 경제적 안전성을 강화하며, MEV가 소각되는 경우 L1의 원주율 토큰의 경제적 희소성을 높입니다. L1과의 경제적 긴밀한 결합은 Based Rollup의 정당성을 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다. 중요한 것은, MEV 수익을 희생하더라도 Based Rollup은 L2의 혼잡 수수료(예: EIP-1559 형태의 L2 기본 비용)에서 수익을 얻을 수 있는 옵션을 유지합니다.

• 주권성(sovereignty): 정렬이 L1에 위임되었지만, Based Rollup은 주권성을 유지합니다. Based Rollup은 거버넌스 토큰을 가질 수 있으며, 기본 비용을 수취하고 적절한 시기에 이러한 기본 비용의 수익을 사용할 수 있습니다(예: 옵티미즘이 공공 제품에 자금을 지원하는 경우).

단점:

• MEV 수익 없음: Based Rollup은 MEV를 L1에 넘겨주어 수익을 기본 비용으로 제한합니다. 직관적으로, 이는 Based Rollup의 총 수익을 증가시킬 수 있습니다. 그 이유는 롤업의 구도가 승자 독식으로 보이기 때문이며, 승리한 롤업은 Based Rollup의 안전성, 탈중앙화, 간결성 및 일관성을 활용하여 지배적 위치를 확보하고 궁극적으로 수익을 극대화할 수 있습니다.

• 제약된 정렬: 정렬을 L1에 위임하면 정렬의 유연성이 감소합니다. 이는 특정 정렬 서비스가 더 어려워지거나 심지어 불가능해질 수 있습니다:

• 사전 확인: 빠른 사전 확인은 중앙 집중화된 정렬에서는 문제가 되지 않으며, 외부 PoS 합의를 통해 달성할 수 있습니다. L1 정렬을 사용하여 빠른 사전 확인을 수행하는 것은 개방적인 문제이며, EigenL, 포함 목록(Inclusion Lists), 구축자 채권(Builder Bonds) 등 많은 유망한 연구 방향이 있습니다.

• 선착순(FCFS): 아르비트럼(Arbitrum) 방식의 FCFS 정렬이 Based Rollup에서 구현될 수 있을지는 불확실합니다. EigenL은 L1 정렬의 Based Rollup에 FCFS의 커버 레이어를 제공할 수 있습니다.

명명:

"Based Rollup"이라는 이름은 기본 체인(Base L1)과의 친밀함에서 유래되었습니다. 이는 코인베이스(Coinbase)가 최근 발표한 Base 체인과 충돌하며, 기묘한 우연입니다. 사실, 코인베이스는 그들의 Base 발표에서 두 가지 설계 목표를 공유했습니다:

• 무토큰(tokenlessness): "우리는 새로운 네트워크 토큰을 발행할 계획이 없습니다."

• 탈중앙화(decentralisation): "우리는 […] 시간이 지남에 따라 블록체인을 점진적으로 탈중앙화할 계획입니다."

Base는 Based Rollup이 됨으로써 무토큰의 탈중앙화를 실현할 수 있습니다.

사진 출처: @jchaskin22

이론적으로, Based Rollup은 누구나 롤업 블록으로 확장할 수 있게 하며, 정렬된 거래 상태 변화를 L1에 게시하여 L2에서 MEV를 추출할 수 있게 합니다. 모든 정렬과 안전성은 이더리움 L1에 의해 제공됩니다. 이렇게 하면 외부의 지분 증명 합의와 특정 롤업의 토큰 요구를 피할 수 있으며, 다른 롤업이 자산 안전을 유지하기 위해 필수적인 "비상 탈출구" 기능을 보유해야 하는 것과 비교하여, Based Rollup의 비전에서는 이를 제거할 수 있습니다. 이 과정은 이더리움의 안전한 운영을 보장하는 전제 하에 롤업에서 거래가 원활하게 완료될 수 있도록 합니다.

Based Rollup의 타이코 연구소

사진 출처: 타이코 공식 웹사이트

타이코 연구소(Taiko Labs)는 Based Rollup을 개발하고 홍보하는 주요 팀이며, Based Rollup은 타이코 연구소의 이더리움 제2층 확장 솔루션 프로젝트입니다. 그 비전은 Based Rollup과 같은 혁신 기술을 통해 이더리움 메인넷의 확장성 문제를 해결하는 것입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 완전히 이더리움의 EVM(Type 1) ZK-EVM과 동일함: 사용되는 (Type 1) zkEVM은 완전한 이더리움 호환성을 갖추고 있어 개발자는 이더리움과 타이코 간에 탈중앙화 애플리케이션(dApps)을 원활하게 이동할 수 있으며, 스마트 계약 실행 실패의 위험을 걱정할 필요가 없습니다;

2. 오픈 소스: 타이코의 모든 소스 코드는 GitHub에 공개되어 있어 누구나 이를 확인하고 구축하거나 수정할 수 있습니다. 이러한 오픈 소스 모델은 블록체인 기술의 발전이 소규모 팀의 노력에 국한되지 않고 전 세계의 커뮤니티와 개발자를 포함하도록 보장합니다;

3. 완전한 탈중앙화: EVM과의 높은 호환성을 보장하는 것 외에도, 타이코는 프로토콜의 완전한 탈중앙화를 실현하기 위해 노력하고 있습니다. 타이코는 탈중앙화된 제안자와 검증자를 통해 블록을 제출하고 zkPs를 생성하여 시스템의 탈중앙화 특성을 보장할 계획입니다.

타이코는 비탈릭 부테린이 《The different types of ZK-EVMs》(확장 링크 2 참조)에서 언급한 바와 같이 이더리움과 완전히 동등한 유형 1 ZK-EVM을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 그 목적은 이더리움과 완전히 호환되어 이더리움 블록을 검증하는 것입니다(최소한 실행 계층을 검증하며, 신호 체인 합의는 포함하지 않지만 모든 거래, 스마트 계약 및 계정 논리를 포함하며, 해시, 상태/트랜잭션 트리 및 기타 합의 논리를 대체하지 않습니다). 따라서 다른 유형에 비해 원주율 솔루션에 가까운 Type 1은 가장 복잡하고 도전적인 유형입니다.

사진 출처: 비탈릭 부테린: 《The different types of ZK-EVMs》

기타 핵심 구조:

경쟁 롤업(BCR - Base Competitive Rollup)

는 타이코 연구소가 개발한 혁신적인 블록체인 확장 솔루션입니다. BCR은 경쟁 메커니즘을 통해 롤업의 효율성과 안전성을 높이는 것을 목표로 하며, 다양한 참여자가 자유롭게 경쟁하여 블록을 제출하고 증명을 생성할 수 있도록 하여 전체 네트워크의 성능과 탈중앙화 정도를 향상시킵니다. 종합적으로 요약하면 다음과 같습니다.

• 특징

개방 경쟁: 자격을 갖춘 모든 참여자가 블록 제출 및 증명 생성을 위해 경쟁할 수 있도록 하여, 이러한 개방 메커니즘은 중앙 집중화된 제어를 줄이고 네트워크의 탈중앙화 정도를 높입니다. 경쟁자는 더 나은 서비스를 제공하여 보상과 거래 수수료를 얻습니다;

효율적인 확장: 블록 생성 및 검증의 효율성을 효과적으로 높일 수 있습니다. 여러 경쟁자가 병렬로 작업할 수 있어 단일 지점의 병목 현상을 피하고 거래 처리 속도와 네트워크 확장 능력을 향상시킵니다;

안전성: 다수의 참여자가 경쟁하는 메커니즘을 통해 시스템의 공격 저항 능력을 높입니다. 다수의 경쟁자가 생성한 블록과 증명은 시스템의 투명성과 안전성을 증가시켜 단일 엔터티가 제어하거나 공격하기 어렵게 만듭니다.

• 장점

EVM 호환성: BCR은 이더리움 가상 머신(EVM)과 완전히 호환되어 기존의 이더리움 스마트 계약과 탈중앙화 애플리케이션(DApps)을 쉽게 BCR에서 실행할 수 있도록 하며, 큰 수정 없이 가능합니다;

높은 처리량: BCR은 거래를 병렬로 처리하고 블록을 생성할 수 있어 네트워크의 처리량이 크게 향상되어 더 높은 거래량을 처리하고 거래 비용과 지연을 줄입니다;

탈중앙화: 탈중앙화된 블록 생성 및 증명 메커니즘을 통해 네트워크의 탈중앙화 특성을 보장하고 중앙 집중화된 엔터티의 제어 위험을 줄입니다.

• 단점

복잡성 증가: 시스템의 복잡성은 여러 경쟁자 간의 블록 생성 및 검증을 조정하기 위해 복잡한 알고리즘과 프로토콜을 필요로 하며, 스마트 계약의 복잡성은 스마트 계약이 경쟁 결과를 처리하기 위해 추가 논리를 필요로 할 수 있습니다;

잠재적 문제: BCR의 경쟁 메커니즘 하에서 여러 경쟁자가 동시에 블록을 계산하고 제출할 때 발생할 수 있는 비용 상승, 사용자가 BCR을 사용하여 거래할 때 특히 네트워크가 혼잡하거나 경쟁이 치열한 경우 높은 거래 비용에 직면할 수 있습니다. 또한 자원이 풍부한 대형 노드가 경쟁에서 우위를 점할 수 있어 중앙 집중화가 발생할 수 있습니다.

부스터 기반 롤업(BBR-Based Booster Rollup)

부스터(Booster)는 BBR에서 특별한 참여자로, 거래 배치를 최적화하고 거래 데이터를 압축하며 여러 거래 배치를 병렬 처리하는 역할을 합니다. 실제로 이는 실행과 저장을 분리하여 L2 실행을 유지하면서 L1의 탈중앙화를 보장하고, 스마트 계약이 L1과 모든 BBR의 주소에서 일관성을 유지하도록 합니다.

동시에 시스템 복잡성 증가, 자원 소모, 잠재적 중앙 집중화 등의 문제에 직면해 있습니다. 앞으로 BBR은 블록체인 기술의 지속적인 발전 요구를 충족하기 위해 추가적인 최적화와 확장이 필요합니다.

사진 출처: 타이코 연구소

결론:

현재 전체적으로 관찰할 때, Based Rollup은 이더리움 제2층 확장 방식의 큰 변화를 의미하며, 롤업의 정렬을 직접 1층 제안자에게 위임하고 제안자와 구축자의 분리 설계를 활용하여 1층이 롤업의 모든 정렬자 역할을 수행하게 합니다. 동시에 MEV가 확장되어 L2 검색자가 거래를 묶어 L2 구축자에게 보낼 수 있으며, 후자는 또한 L1의 검색자입니다. 이러한 완전한 L2 블록은 이후 L1 블록의 일부가 되어 최종적으로 L1 구축자와 이더리움 메인넷에 의해 처리됩니다.

Based Rollup이 롤업의 최종 해답으로 가정될 수 있을지는 검증이 필요하지만, 현재로서는 이더리움 제2층 확장의 중요한 혁신으로, 확장에 더 안전하고 탈중앙화된 솔루션을 제공합니다. 동일한 사고를 비트코인 생태계에 적용할 경우, 강력한 확장성을 가진 이더리움이 원주율적이고 탈중앙화된 VM을 구현하는 것과 비교할 때 그 실현 난이도는 부인할 수 없습니다. 따라서 현재 전체 산업은 진정한 탈중앙화 확장 문제를 해결하는 데 여전히 긴 여정을 남겨두고 있습니다.

확장 링크:

【1】 Based rollups---superpowers from L1 sequencing https://ethresear.ch/t/based-rollups-superpowers-from-l1-sequencing/15016/1

【2】The different types of ZK-EVMs https://vitalik.eth.limo/general/2022/08/04/zkevm.html

참고 기사:
【1】신뢰의 게임: 다중 서명 및 위원회에 의해 조작된 롤업들 https://mp.weixin.qq.com/s?_biz=Mzk0OTYwMDM1Mg==\&mid=2247486544\&idx=1\&sn=7a0ee8eb1d32e6ef0bd08354986c0a1f\&source=41#wechatredirect

【2】타이코 연구 보고서: 무결점 확장 및 완전 호환 이더리움 Layer 2 솔루션 구현 https://www.panewslab.com/zh/articledetails/id09jfto.html