블록체인에서 확장이란 무엇을 의미하며, 왜 어려운가?

블록체인 확장이란 무엇인가요?

블록체인에서 확장이란 성능, 보안 또는 탈중앙화에 영향을 미치지 않으면서 증가하는 거래 수 또는 사용자 기반을 처리할 수 있는 블록체인 네트워크의 역량을 의미합니다. 확장의 근본적인 목표는 처리량(초당 트랜잭션 수)을 높이고, 지연 시간을 줄이며, 특히 도입이 증가함에 따라 네트워크 사용 관련 비용을 제어하는 ​​것입니다.

예를 들어, 최초의 블록체인 네트워크인 비트코인은 초당 약 7건의 거래(TPS)를 처리할 수 있는 반면, 선도적인 스마트 계약 플랫폼인 이더리움은 약 15~30건의 TPS를 처리합니다. 반면 비자와 같은 기존 결제 시스템은 24,000건 이상의 TPS를 처리할 수 있습니다. 이러한 엄청난 차이는 블록체인 기술이 직면한 확장성 문제를 보여줍니다.

확장 방식에는 크게 두 가지 범주가 있습니다.

• 온체인 확장: 초당 더 많은 거래를 허용하도록 주요 블록체인 프로토콜을 변경하는 것입니다. 여기에는 블록 크기 증가, 블록 시간 단축 또는 합의 알고리즘 변경이 포함될 수 있습니다.
• 오프체인 확장: 트랜잭션 처리를 메인 블록체인과 상호 작용하지만 독립적으로 작동하는 보조 시스템 또는 보조 계층으로 이전하여 전체 처리량을 향상시킵니다.

효과적인 확장은 블록체인의 보안과 분산화를 유지해야 합니다. 그러나 이는 심각한 기술적 과제를 야기합니다. 한 측면을 변경하면 다른 측면이 손상될 수 있으며, 이는 "확장성 트릴레마"로 이어집니다.

확장성 트릴레마

이더리움 공동 창립자 비탈릭 부테린이 만들어낸 확장성 트릴레마는 블록체인 시스템이 다음 세 가지 속성 중 최대 두 가지를 동시에 달성할 수 있다는 것을 전제로 합니다.

• 탈중앙화: 중앙 기관에 의존하지 않고 독립 노드의 동등한 참여.
• 보안: 공격이나 조작으로부터 보호.
• 확장성: 더 많은 양의 거래를 효율적으로 처리할 수 있는 능력.

이 세 가지 모두를 최적화하는 것이 어렵습니다. 처리량을 늘리면 블록 크기가 커져 확장성이 향상될 수 있지만, 이를 위해서는 더 높은 컴퓨팅 파워, 노드 참여의 중앙 집중화, 그리고 탈중앙화 약화가 필요합니다. 마찬가지로, 추가적인 합의 단계를 추가하면 보안은 강화되지만 확장성은 저하될 수 있습니다.

금융부터 공급망에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 블록체인 도입이 증가함에 따라 확장성 문제 해결이 무엇보다 중요합니다. 개발자와 연구자들은 핵심 가치를 유지하면서 블록체인 네트워크를 확장할 수 있는 혁신적인 방법을 적극적으로 모색하고 있습니다.

블록체인 확장이 왜 이렇게 어려울까요?

블록체인 네트워크 확장은 탈중앙화와 보안을 우선시하는 근본적인 설계 선택으로 인해 본질적으로 어렵습니다. 불변성 및 무신뢰성과 같은 블록체인의 가장 큰 이점을 제공하는 이러한 설계 원칙은 처리 속도와 데이터 저장에 한계를 초래합니다.

1. 합의 메커니즘

모든 블록체인 네트워크의 핵심은 합의 메커니즘, 즉 참여자들이 원장의 상태에 동의하는 방식입니다. 작업 증명(PoW)이나 지분 증명(PoS)과 같은 널리 사용되는 메커니즘은 모든 거래의 적법성을 보장하기 위해 집중적인 연산이나 분산 검증을 필요로 합니다.

이러한 메커니즘은 사기 및 변조를 방지하지만, 지연 시간을 발생시킵니다. 비트코인의 경우 평균 블록 생성 시간이 10분으로, 거래 완료 속도에 제한을 줍니다. 더 많은 거래를 담기 위해 블록 크기를 늘리는 것은 도움이 될 수 있지만, 데이터 부하가 커져 노드에 부담을 주어 참여를 저해하고 제어를 중앙화할 가능성이 있습니다.

2. 네트워크 전파

또 다른 장애물은 전체 네트워크에 새로운 블록을 전파하는 데 필요한 시간입니다. 분산 시스템에서 노드는 분산된 지역에서 통신해야 합니다. 블록이 클수록 전파 시간이 길어져 고아 블록과 합의 문제가 발생할 가능성이 높아지고, 이는 신뢰성과 효율성을 저해합니다.

3. 데이터 저장 및 노드 요구 사항

블록체인 데이터는 모든 전체 노드에 중복 저장됩니다. 블록체인이 커짐에 따라 노드를 운영하는 데 필요한 저장 공간과 대역폭 요구 사항도 증가합니다. 신중한 균형 조정이 이루어지지 않으면 노드를 운영할 수 있는 사람이 줄어들어 탈중앙화가 다시 위태로워집니다. 예를 들어, 이더리움은 확장성을 저해하는 과도한 데이터 저장 문제를 해결하기 위해 "국가 임대료" 제안을 도입했습니다.

4. 하위 호환성 및 포킹

확장성 개선을 구현하려면 일반적으로 블록체인의 핵심 프로토콜을 변경해야 합니다. 이러한 변경은 기존 체인과 생태계를 분리하는 "하드 포크"로 이어지는 경우가 많습니다. 이는 혼란, 파편화, 그리고 커뮤니티 합의 상실을 초래할 수 있습니다. 확장 가능한 업그레이드를 구현하는 동시에 하위 호환성을 유지하는 것은 여전히 ​​중요한 과제입니다.

5. 보안 취약점

확장 노력은 의도치 않게 추가적인 공격 벡터를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 사이드체인이나 롤업과 같은 레이어 2 솔루션은 부분적으로 오프체인에서 작동하며 메인 체인보다 보안 가정이 약할 수 있습니다. 시스템을 더 취약하게 만들지 않으면서 더 광범위한 확장성을 보장하는 것은 개발자에게 지속적인 관심사입니다.

요약하자면, 블록체인 솔루션을 확장하려는 모든 시도는 여러 가지 상충 관계를 고려해야 합니다. 프로토콜 최적화를 통해서든 오프체인 솔루션을 통해서든 개발자는 전 세계적으로 분산된 환경에서 성능을 향상시키면서 블록체인의 핵심 요소인 보안과 탈중앙화를 유지해야 합니다. 모든 네트워크에 적합한 단일 솔루션은 없기 때문에 플랫폼마다 전략이 다양합니다.

블록체인 확장성 솔루션

위에서 설명한 과제를 해결하기 위해 개발자들은 블록체인 네트워크 확장을 위해 다각적인 접근 방식을 취해 왔습니다. 이러한 솔루션은 거래량, 합의 효율성, 데이터 저장과 같은 문제점을 해결합니다. 이러한 솔루션은 온체인 및 오프체인 확장 방식과 하이브리드 모델로 크게 분류됩니다.

1. 레이어 2 솔루션

• 상태 채널: 상태 채널은 두 당사자가 오프체인에서 거래하고 최종 결과만 메인 체인에 커밋하여 혼잡을 크게 줄일 수 있도록 합니다. 비트코인의 라이트닝 네트워크와 이더리움의 레이든 네트워크가 그 예입니다.
• 플라즈마 및 롤업: 플라즈마 체인은 메인 체인에 거래를 정산하기 전에 거래를 묶는 반자율적인 자식 체인으로 작동합니다. 롤업(낙관적 또는 영지식)은 거래 데이터를 압축하여 오프체인에서 처리하고 증거는 온체인에 저장합니다. 이를 통해 보안을 유지하고 처리량을 향상시킬 수 있습니다.

레이어 2 옵션은 기본 프로토콜을 변경하지 않고도 거래 용량을 크게 늘릴 수 있기 때문에 점점 더 선호되고 있습니다.

2. 샤딩

샤딩은 블록체인을 더 작은 조각, 즉 "샤드"로 분할하는 것을 의미하며, 각 조각은 거래와 스마트 계약을 처리할 수 있습니다. 메인 체인에 의해 조정되는 샤드는 네트워크 크기에 따라 선형적으로 확장될 수 있습니다. 이더리움 2.0은 샤딩을 중앙 확장성 기능으로 구상하고 있지만, 구현은 복잡하고 지속적으로 진행됩니다.

3. 대체 합의 메커니즘

일부 최신 블록체인은 본질적으로 더 나은 확장성을 제공하는 합의 모델을 채택합니다.

• 위임 지분 증명(DPoS): EOS와 Tron에서 사용되는 DPoS는 제한된 검증자 집합에 의존하여 탈중앙화는 감소하지만 거래 속도는 향상됩니다.
• 역사 증명(PoH): Solana에서 사용되는 PoH는 빠른 거래 순서 지정을 가능하게 하여 처리량을 향상시킵니다.

이러한 메커니즘은 보안과 확장성의 균형을 맞추려고 하지만, 각각 한계와 중앙화 위험이 있습니다.

4. 블록체인 정리 및 저장 효율성

전체 블록체인 아카이브는 방대하기 때문에 높은 저장 용량이 필요합니다. 불필요한 데이터나 과거 데이터를 제거하는 정리 기술은 노드의 참여를 용이하게 하는 것을 목표로 합니다. 일부 블록체인은 검증에 현재 상태 데이터만 필요하여 전체 부하를 줄이는 상태 비저장 클라이언트 모델을 모색하기도 합니다.

5. 상호운용성 및 사이드체인

메인 체인에 연결된 병렬 블록체인인 사이드체인을 활용하면 트랜잭션 부하를 분산할 수 있습니다. 예를 들어, Polygon은 연산 및 저장 부담을 덜어주는 이더리움 호환 사이드체인을 제공합니다. Polkadot 및 Cosmos와 같은 상호운용성 프로토콜은 크로스 체인 트랜잭션을 촉진하여 확장 가능한 멀티 체인 생태계를 구축합니다.

6. 결론 및 향후 계획

블록체인 확장성 문제를 해결하는 단일 솔루션은 없습니다. 발전은 반복적이며 종종 상충 관계를 필요로 합니다. 이더리움과 같은 주요 플랫폼은 샤딩과 롤업을 점진적으로 구현하고 있으며, 다른 블록체인들은 새로운 아키텍처를 모색하고 있습니다. 한편, 연구자들은 DAG 기반 원장부터 AI 지원 거래 검증에 이르기까지 혁신을 계속해서 탐구하고 있습니다.

궁극적으로 블록체인의 효과적인 확장성은 글로벌 상거래, 금융 등 다양한 분야에서 얼마나 널리 채택될지 결정할 것입니다. 확장성은 여전히 ​​기술적 난관인 동시에 분산형 시스템을 통해 디지털 인프라를 재편할 수 있는 기회이기도 합니다.