암호화 기초 지식 노트: 블록체인 레이어 지식 그래프

1. 블록체인의 Layer란 무엇인가?

데이터 레이어(Data Layer): 분산형이며 변경 불가능한 특성을 가진 데이터로, 이 데이터는 모든 노드에 의해 공동으로 유지되어야 한다.

네트워크 레이어(Network Layer): 블록체인 상의 모든 노드로 구성된 방대한 분산형 P2P 네트워크.

합의 레이어(Consensus Layer): 블록체인은 데이터의 일관성을 유지하기 위해 합의 메커니즘이 필요하며, 유명한 합의 메커니즘으로는 PoW, PoS 및 DPoS가 있다.

인센티브 레이어(Actuator Layer): 블록체인의 보상 메커니즘으로, 각 노드가 블록체인 네트워크를 유지함으로써 블록을 패키징하고 장부 기록 권리를 확보한다.

계약 레이어(Contract Layer): 블록체인의 코드는 제3자의 간섭 없이 체인상의 스마트 계약 애플리케이션의 기초를 부여한다.

응용 레이어(Application Layer): 블록체인 시스템에서 기술 개발을 기반으로 다원적 응용 솔루션이 확장된다.

블록체인 시스템의 6대 아키텍처는 필수적이며, 그 중 데이터 레이어와 네트워크 레이어는 블록체인 시스템의 가장 하위 레이어로, 그 위에는 합의 레이어, 인센티브 레이어, 계약 레이어 및 응용 레이어가 함께 블록체인 프로토콜을 구성한다. 우리는 블록체인 시스템의 아키텍처에 따라 다시 구분할 수 있으며, 하단부터 각각 Layer 0에서 Layer 4까지이다.

2. 블록체인 Layer의 사례

블록체인의 발전에 따라 그 요구에 맞는 솔루션을 만들 수 있다는 것을 알게 되었을 때, 이들은 각각 어디에 적용될 수 있을까? 아래에서는 사고의 지도를 통해 일반적인 블록체인 응용 프로그램과 어떤 암호화폐나 애플리케이션이 있는지 간단히 설명하겠다. 부록 1 (2024년 8월 기준 데이터)

비트코인 라이트닝 네트워크

비트코인에서 주요한 Layer2 확장 솔루션은 라이트닝 네트워크(Lightning Network)로, 소액 결제 시나리오를 최적화한다. 라이트닝 네트워크의 주요 구현은 결제 당사자들이 체인 외부에서 "채널"을 구축하여, 양측이 이 "채널"에서 여러 번 결제 거래를 수행할 수 있으며, 결제가 필요할 때 채널을 닫으면 된다. 결제 당사자 간에 직접적인 "채널"이 없을 경우, 제3자 노드를 통해 중계할 수 있다. 부록 2 (2024년 8월 기준 데이터)

3. 블록체인 불가능한 삼각형

블록체인 불가능한 삼각형은 이더리움 창시자 비탈릭 부테린(Vitalik Buterin)이 제안한 이론으로, 블록체인 네트워크가 보안성, 탈중앙화 및 확장성을 동시에 만족할 수 없음을 의미한다.

(1) 보안성

악의적인 공격에 대한 네트워크의 저항 능력을 의미하며, 이중 지불 공격이나 51% 공격을 방지하고 거래의 변경 불가능성을 보장한다.

(2) 탈중앙화

네트워크의 비중앙화 구조를 의미하며, 모든 노드가 동등한 지위를 가지고 공동으로 의사결정에 참여하는 것으로, 이는 블록체인이 검열과 단일 실패 지점에 저항하는 핵심이다.

(3) 확장성

블록체인이 거래를 처리하는 능력을 의미하며, 높은 거래 처리량과 낮은 지연 시간을 포함하여 대규모 응용 프로그램을 실현하는 전제 조건이다.

불가능한 삼각형 현상이 발생하는 이유는 블록체인의 거래 처리 속도와 용량을 높이기 위해 일반적으로 더 많은 계산 능력과 네트워크 대역폭이 필요하며, 이는 노드 운영을 더 비싸고 어렵게 만든다. 이는 네트워크의 노드 수를 줄이고 더욱 집중화될 수 있으며, 보안성과 탈중앙화 특성을 해칠 수 있다.

따라서 불가능한 삼각형 문제는 블록체인이 확장성을 추구할 때 직면하는 균형과 진정한 탈중앙화 및 확장 가능한 블록체인을 실현하는 데 있어 겪는 도전을 강조한다.

4. Layer2의 구현 방식

블록체인 Layer2는 확장성 솔루션으로, 기본 블록체인 프로토콜 위에서 실행되는 네트워크 또는 기술을 의미하며, 네트워크의 확장성을 높이고 거래 속도를 증가시키며 비용을 낮추고 보안을 보장한다. 일부 거래를 두 번째 레이어로 이동시킴으로써, Layer2 기술은 혼잡함과 높은 기본 블록체인 거래 비용 문제를 효과적으로 완화할 수 있다.

기본 블록체인이 탈중앙화, 보안성, 사용 가능성 등 핵심 측면에 집중하게 함으로써, Layer2 솔루션은 사용자 경험을 향상시키고 전체 암호화 산업의 성장에 중요한 역할을 한다.

현재 주류 Layer2 솔루션에는 Optimistic Rollups, Zero-Knowledge Rollups, 사이드체인 등이 있다.

(1) Optimistic Rollup이란 무엇인가?

Optimistic Rollups는 Layer2 프로토콜로, 사용자가 체인 외부에서 계산 및 상태 저장을 수행할 수 있게 하여 이더리움 블록체인의 처리 속도를 높이고 거래 비용을 낮춘다.

Optimistic Rollups 운영자는 여러 체인 외부 거래를 대량으로 패키징하여 이더리움 네트워크에 제출하는 과정에서 고정 비용을 분산시켜 최종 사용자의 비용을 낮춘다.

Optimistic Rollups의 아키텍처는 체인 상 계약과 체인 외부 가상 머신으로 구성된다.

Optimistic Rollups의 운영은 이더리움에서 실행되는 스마트 계약에 의해 제어되며, 여기에는 블록 저장, 상태 업데이트 모니터링 및 사용자 예치금을 추적하는 계약이 포함된다.

Optimistic Rollup의 가장 두드러진 두 가지 솔루션은 Arbitrum과 Optimism이다.

(2) ZK Rollup이란 무엇인가?

Zero-Knowledge Rollups는 또 다른 Layer2 솔루션으로, ZK 증명을 사용하여 한 번에 수천 건의 거래 유효성을 검증한 후 최소한의 요약 데이터를 메인 체인에 게시한다.

제로 지식 증명(Zero-Knowledge Proof, ZKPs)은 한 쪽(증명자)이 실제 정보를 공개하지 않고도 다른 쪽(검증자)에게 비밀이나 주장이 진실임을 증명할 수 있는 방법이다.

이는 거래에 대한 민감한 정보를 유출하지 않고도 거래를 검증할 수 있게 하여 블록체인에서의 프라이버시를 향상시키는 데 사용될 수 있다.

Zero-Knowledge Rollups의 상태는 이더리움 네트워크에 배포된 스마트 계약에 의해 유지되며, 이 상태를 업데이트하기 위해 Zero-Knowledge Rollups 노드는 유효성 증명을 제출해야 한다.

이 유효성 증명은 제안된 상태 변경이 주어진 거래 배치의 결과임을 나타내는 암호화 보증이다.

이는 Zero-Knowledge Rollups가 이더리움에서 거래를 완료하기 위해 유효성 증명만 제공하면 되며, Optimistic Rollups처럼 모든 거래 데이터를 체인에 게시할 필요가 없음을 의미한다.

현재 Loopring, zkSync, Starknet 등 다양한 Zero-Knowledge Rollups 구현이 존재하며, zkEVM을 사용하는 프로젝트에는 Polygon zkEVM, Scroll, Taiko 등이 있다.

(3) Optimistic Rollup과 ZK Rollup 기술 특성 비교도

이번 소절의 내용은 여기까지입니다. 이는 《암호화 기초 지식 노트》 시리즈 연재의 첫 번째 부분 내용이며, 지식 아키텍처 도표 안의 더 많은 내용은 지속적으로 연재하여 공유할 예정입니다. 완전판 《암호화 기초 지식 노트》는 연재 업데이트가 완료된 후 통합 정리하여 PDF로 제공할 것입니다.

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