비탈릭, 머스크에 응답: 블록체인 확장성 향상은 간단하지 않다

본 문서의 저자는 Vitalik Buterin이며, Alyson이 편집하였습니다.

얼마 전, 테슬라 창립자 일론 머스크가 트위터에 개짖는 코인이 이상적인 상황에서 블록 확인 시간을 10배 단축하고 블록 크기를 10배 늘리며 수수료를 100배 줄일 수 있다고 언급하며, 그렇게 되면 쉽게 승리할 것이라고 밝혔습니다.

이 발언은 암호화폐 업계의 많은 KOL들로부터 비판을 받았고, 이더리움 창립자 비탈릭은 오늘 이 문제에 대해 글을 쓰며 블록체인 네트워크의 매개변수를 단순히 높이는 것이 더 많은 문제를 초래할 것이라고 언급했습니다. 그는 블록체인 네트워크의 성능을 향상시키기 위해 직면해야 할 문제와 한계를 자세히 설명했습니다. 따라서 체인 캡처는 이 글을 번역하고 원래의 의미에 영향을 주지 않는 범위 내에서 일부 내용을 생략했습니다.

블록체인의 확장성을 얼마나 멀리 추진할 수 있을까요? 머스크가 바라는 것처럼, "블록 확인 시간을 10배 단축하고 블록 크기를 10배 늘리며 수수료를 100배 줄일 수" 있을까요? 그리고 그렇게 하면서 극단적인 중앙집중화를 초래하거나 블록체인의 기본 속성을 해치지 않을 수 있을까요? 만약 그렇지 않다면, 얼마나 멀리 갈 수 있을까요? 합의 알고리즘을 변경하면 어떻게 될까요? 더 중요한 것은, ZK-SNARK 또는 샤딩과 같은 기능을 도입하기 위해 기술을 변경하면 어떤 일이 발생할까요?

사실, 샤딩 여부와 관계없이 블록체인의 확장성을 제한하는 중요한 기술적 요소가 있습니다. 많은 경우 이러한 제한에는 해결책이 있지만, 해결책이 있더라도 한계가 존재합니다. 이 글에서는 이러한 문제를 탐구할 것입니다.

1. 노드는 충분히 분산되어야 한다

새벽 2시 35분, 당신은 세계 반대편의 파트너로부터 긴급 전화를 받습니다. 그는 당신의 채굴 풀(또는 스테이킹 풀)을 관리하는 데 도움을 주고 있습니다. 약 14분 전부터, 당신의 파트너는 당신에게 당신의 채굴 풀과 다른 몇 개의 풀들이 여전히 79%의 네트워크를 지탱하고 있는 블록체인에서 분리되었다고 말했습니다. 당신의 노드에 따르면, 다수 체인의 블록은 무효입니다. 여기서 잔액 오류가 발생했습니다: 중요한 블록이 450만 개의 추가 토큰을 알 수 없는 주소에 잘못 분배한 것처럼 보입니다.

한 시간 후, 당신은 다른 두 개의 작은 채굴 풀과 텔레그램 채팅을 하고 있습니다. 당신은 결국 누군가가 트위터에 게시된 메시지의 링크를 붙여넣는 것을 보게 됩니다. 이 트윗의 시작은 "새로운 온체인 지속 가능한 프로토콜 개발 기금을 발표합니다."입니다.

아침이 되자, 트위터와 커뮤니티 포럼에서의 논쟁이 난무합니다. 그러나 그때까지 이 450만 개의 토큰 중 상당 부분은 이미 체인에서 다른 자산으로 전환되었고, 수십억 달러의 DeFi 거래가 이루어졌습니다. 79%의 합의 노드와 모든 주요 블록체인 탐색기 및 경량 지갑의 노드가 이 새로운 체인을 따릅니다.

어쩌면 새로운 개발자 기금이 일부 개발에 자금을 지원할 수 있겠지만, 어쩌면 모든 것이 주요 거래소에 흡수될 수도 있습니다. 그러나 결과가 무엇이든, 이 기금은 모든 의도와 목적에 있어 기정사실이며, 일반 사용자들은 반격할 힘이 없습니다.

이런 일이 당신의 블록체인에서 발생할 수 있을까요? 당신이 속한 블록체인 커뮤니티의 엘리트들은 아마도 채굴 풀, 블록 탐색기 및 호스팅 노드와 잘 조정되어 있을 것입니다. 그들은 아마도 모두 같은 텔레그램 채널과 위챗 그룹에 있을 것입니다. 만약 그들이 정말로 자신의 이익을 위해 프로토콜 규칙을 갑자기 변경하고자 한다면, 그렇게 할 가능성이 높습니다. 이러한 협동적 사회 공격을 무효화하기 위한 유일한 신뢰할 수 있는 방법은 실제로 분산된 집단인 사용자들에 의해 이루어지는 수동 방어입니다.

사용자들이 블록체인을 검증하는 노드를 운영하고, 파괴적인 프로토콜 규칙의 블록을 자동으로 거부한다면(90% 이상의 채굴자나 이해관계자가 지지하더라도), 이야기는 어떻게 전개될까요? 만약 모든 사용자가 검증 노드를 운영한다면, 공격은 곧 실패할 것입니다: 일부 채굴 풀과 거래소가 이 과정에서 분기될 것이고, 그들은 꽤 어리석어 보일 것입니다.

하지만 일부 사용자만 검증 노드를 운영하더라도, 공격자는 대승을 거두지 못할 것입니다; 반대로, 혼란이 초래되고 서로 다른 사용자들이 서로 다른 블록체인 뷰를 보게 될 것입니다. 최소한, 그에 따른 시장의 공포와 지속적인 분열 가능성은 공격자의 이익을 크게 줄일 것입니다. 이러한 장기적인 갈등을 조정하는 생각 자체가 대부분의 공격을 저지할 것입니다.

Paradigm 연구 파트너 Hasu의 트위터

37개의 노드와 80,000개의 수동 청취 프로그램으로 구성된 커뮤니티가 서명을 확인하고 블록 헤드를 차단하는 경우, 공격자는 승리합니다. 만약 당신의 커뮤니티의 모든 사람이 노드를 운영한다면, 공격자는 실패할 것입니다. 우리는 협동 공격에 대한 집단 면역의 정확한 임계값이 무엇인지 알지 못하지만, 한 가지는 확실합니다: 더 많은 노드는 좋고, 더 적은 노드는 나쁩니다. 우리는 확실히 수십 개 또는 수백 개 이상의 노드가 필요합니다.

2. 노드 작업의 제한은 어디에 있는가?

운영할 수 있는 노드의 사용자 수를 극대화하기 위해, 우리는 일반 소비자 하드웨어에 초점을 맞출 것입니다. 전체 노드가 처리할 수 있는 거래의 양에는 세 가지 주요 제한이 있습니다:

• 계산 능력: 안전하게 노드를 운영하는 데 필요한 CPU의 비율은 얼마인가요?

• 대역폭: 현재 인터넷 연결의 현실을 고려할 때, 하나의 블록은 몇 바이트를 포함할 수 있나요?

• 저장소: 우리는 사용자에게 얼마나 많은 GB의 디스크 저장을 요구할 수 있나요? 또한, 얼마나 빨리 읽을 수 있어야 하나요? (즉, 하드 드라이브를 사용할 수 있나요, 아니면 SSD가 필요하나요?)

많은 사람들이 "간단한" 기술을 사용하여 블록체인을 얼마나 확장할 수 있는지에 대해 지나치게 낙관적이기 때문에 잘못된 생각을 하고 있습니다. 우리는 다음 세 가지 요소를 하나씩 살펴볼 수 있습니다:

1) 계산 능력

잘못된 답변: 100%의 CPU 능력을 블록 검증에 사용할 수 있습니다.

정답: 약 5-10%의 CPU 능력이 블록 검증에 사용될 수 있습니다.

이 비율이 이렇게 낮은 주된 이유는 네 가지입니다:

• 우리는 DoS 공격 가능성을 커버하기 위한 안전 마진이 필요합니다 (공격자가 코드의 약점을 이용하기 위해 수행하는 거래는 일반 거래보다 처리 시간이 더 길어야 합니다);

• 노드가 오프라인 상태가 되었을 때 블록체인을 동기화할 수 있어야 합니다. 내가 네트워크를 1분간 끊으면, 몇 초 안에 따라잡을 수 있어야 합니다;

• 노드를 운영하는 것이 너무 빨리 배터리를 소모하지 않아야 하며, 모든 다른 애플리케이션을 느리게 만들지 않아야 합니다;

• 노드는 또한 p2p 네트워크에서 들어오는 거래와 요청을 검증하고 응답하는 등 블록 생산 이외의 다른 작업을 수행해야 합니다.

주의할 점은, 최근까지 "왜 5-10%밖에 안 되는가?"에 대한 대부분의 설명이 다른 문제에 집중되어 있었다는 것입니다: PoW 블록이 무작위로 생성되기 때문에 블록 검증에 걸리는 시간이 길어지면 동시에 여러 블록이 생성될 위험이 증가합니다.

이 문제를 해결할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다(예: Bitcoin NG 또는 단순히 지분 증명 메커니즘 사용). 그러나 이러한 수정은 다른 네 가지 문제를 해결할 수 없으므로, 많은 사람들이 처음에 생각했던 것처럼 확장성 측면에서 큰 이익을 가져올 수 없습니다.

병렬성도 만능이 아닙니다. 일반적으로, 심지어 단일 스레드처럼 보이는 블록체인 클라이언트도 이미 병렬화되어 있습니다: 서명은 하나의 스레드에서 검증할 수 있고, 실행은 다른 스레드에서 수행되며, 별도의 스레드가 백그라운드에서 거래 풀 로직을 처리합니다. 그리고 모든 스레드의 사용률이 100%에 가까워질수록, 노드를 운영하는 데 소모되는 에너지가 더 많아지고, DoS에 대한 안전 마진이 더 낮아집니다.

2) 대역폭

잘못된 답변: 만약 우리가 2-3초마다 10MB의 데이터 블록을 가지고 있다면, 대부분의 사용자의 네트워크 속도가 > 10MB/s이므로, 그들은 분명히 처리할 수 있습니다.

정답: 아마도 우리는 매 12초마다 1-5MB의 블록을 처리할 수 있을 것이며, 이는 어렵습니다.

오늘날 우리는 인터넷 연결이 제공할 수 있는 대역폭에 대한 광고 통계를 자주 듣습니다: 일반적으로 100Mbps 또는 심지어 1Gbps의 숫자를 듣습니다. 그러나 다음 몇 가지 이유로 인해 광고된 대역폭 데이터와 실제 대역폭 사이에는 큰 차이가 있습니다:

• "Mbps"는 "초당 수백만 비트"를 의미하며, 비트는 바이트의 1/8이므로, 광고된 비트 수를 8로 나누어 광고된 바이트 수를 얻어야 합니다;

• 모든 회사와 마찬가지로, 인터넷 제공업체는 종종 거짓말을 합니다;

• 항상 여러 애플리케이션이 동일한 인터넷 연결을 사용하므로, 노드는 전체 대역폭을 사용할 수 없습니다;

• p2p 네트워크는 불가피하게 자체 오버헤드를 가져옵니다: 노드는 종종 동일한 블록을 여러 번 다운로드하고 다시 업로드합니다(블록에 포함되기 전에 mempool을 통해 방송된 거래는 말할 것도 없습니다).

Starkware가 2019년에 실험을 수행했을 때, 그들은 처음으로 500kb의 블록을 발표했습니다. 이는 거래 가스 비용의 감소가 처음으로 이러한 가능성을 가능하게 했기 때문이며, 실제로 몇몇 노드는 해당 크기의 블록을 처리할 수 없었습니다.

그 이후로 블록체인이 대형 데이터 블록을 처리하는 능력이 향상되었고 계속해서 향상될 것입니다. 그러나 우리가 무엇을 하든, 우리는 여전히 MB/s 단위의 평균 대역폭을 천진난만하게 얻을 수 없으며, 1초의 지연을 수용할 수 있다고 스스로를 설득할 수 없습니다.

3) 저장소

잘못된 답변: 10TB.

정답: 512G.

당신이 추측할 수 있듯이, 여기서의 주요 주장은 다른 곳과 마찬가지로 이론과 실제 간의 차이입니다. 이론적으로, 당신은 아마존에서 8TB의 SSD를 구매할 수 있습니다. 실제로, 이 블로그 글을 작성하는 데 사용된 노트북은 512GB이며, 사람들이 자신의 하드웨어를 구매하도록 하면, 그들 중 많은 사람들이 게을러지거나(또는 800달러의 8TB SSD를 구매할 여유가 없거나) 중앙집중식 공급업체를 사용할 것입니다.

또한, 블록 노드를 설치하고 일부 저장 디스크에서 실행할 수 있다고 하더라도, 높은 수준의 활동은 쉽게 디스크를 소모시켜 새로운 디스크를 지속적으로 구매해야 할 수 있습니다.

게다가, 저장소 크기는 새로운 노드가 온라인에 연결되고 네트워크에 참여하는 데 필요한 시간을 결정합니다. 기존 노드가 저장해야 하는 모든 데이터는 새로운 노드가 다운로드해야 하는 데이터입니다. 초기 동기화 시간(및 대역폭) 또한 사용자가 노드를 운영하는 주요 장애물입니다. 이 블로그를 작성할 때, 새로운 geth 노드를 동기화하는 데 약 15시간이 걸렸습니다.

3. 샤딩 블록체인의 위험

현재 이더리움 블록체인에서 노드를 운영하는 것은 많은 사용자에게 도전이 되고 있습니다. 따라서 우리는 병목 현상에 직면해 있습니다. 핵심 개발자들이 가장 걱정하는 문제는 저장소 크기입니다. 따라서 현재 계산 및 데이터 병목 현상을 해결하기 위한 노력, 심지어 합의 알고리즘의 변경조차도 가스 한도의 대규모 증가로 이어질 가능성은 낮습니다. 이더리움의 가장 두드러진 DoS 취약점을 해결하더라도 가스 한도가 20% 증가할 수 있을 뿐입니다.

저장소 크기 문제를 해결하는 유일한 방법은 무상태 및 상태 만료입니다. 무상태성은 영구 저장을 유지하지 않고 블록체인을 검증할 수 있는 노드의 한 종류를 허용합니다. 상태 만료는 최근에 접근하지 않은 상태를 명확히 하여 사용자가 수동으로 갱신 증명을 제공하도록 강제합니다.

이 두 가지 경로는 오랫동안 사용되어 왔으며, 무상태성의 개념 검증 구현도 시작되었습니다. 이 두 가지 개선이 결합되면 이러한 우려를 크게 완화하고 가스 한도를 대폭 증가시킬 수 있는 공간을 열 수 있습니다. 그러나 무상태성과 상태 만료가 구현된 이후에도 가스 한도는 약 3배 안전하게 증가할 수 있을 뿐이며, 다른 제한이 지배적이기 시작할 것입니다.

샤딩은 위의 제한을 근본적으로 우회합니다. 왜냐하면 블록체인에 포함된 데이터와 단일 노드가 처리하고 저장해야 하는 데이터를 분리하기 때문입니다. 그들은 고급 수학 및 암호 기술을 사용하여 노드가 직접 다운로드하고 실행하는 대신 블록을 간접적으로 검증합니다.

따라서 샤딩 블록체인은 안전하게 비샤딩 블록체인이 도달할 수 없는 거래 처리량 수준을 가질 수 있습니다. 이는 효율적이고 간단한 완전 검증 방법을 만들기 위해 많은 암호학적 지혜가 필요하지만, 이는 가능하며 이론은 이미 성숙해 있으며, 규격 초안 기반의 개념 검증이 진행 중입니다.

이더리움은 이차 곱셈 샤딩을 사용할 계획입니다. 노드는 단일 샤드와 신호 체인을 처리할 수 있어야 하며(각 샤드에 대해 일정량의 관리 작업을 수행해야 하므로), 따라서 총 확장성에 제한이 있습니다. 만약 샤드가 너무 크면, 노드는 더 이상 단일 샤드를 처리할 수 없고, 샤드가 너무 많으면 노드는 더 이상 신호 체인을 처리할 수 없습니다. 이 두 가지 제약의 곱은 상한선을 형성합니다.

입체 샤딩이나 지수 샤딩을 통해 더 멀리 나아갈 수 있다고 상상할 수 있습니다. 이러한 설계에서 데이터 가용성 샘플링은 확실히 훨씬 더 복잡해지겠지만, 이는 가능하며, 이더리움은 이차 곱셈 이상으로 나아가지 않을 것입니다. 그 이유는 거래 샤딩이 실제로 추가적인 확장성 이득을 달성할 수 없기 때문이며, 다른 위험이 매우 높아지지 않는 한 그렇습니다.

그렇다면 이러한 위험은 무엇일까요?

1) 최소 사용자 수

하나의 사용자가 참여할 의향이 있다면 비샤딩 블록체인은 운영될 수 있습니다. 샤딩 블록체인은 그렇지 않습니다: 어떤 노드도 전체 블록체인을 단독으로 처리할 수 없으므로, 충분한 노드가 함께 처리해야 합니다. 만약 각 노드가 50 TPS를 처리할 수 있고, 블록체인이 10,000 TPS를 처리해야 한다면, 체인에서 최소 200개의 노드가 필요합니다.

만약 블록체인이 어떤 시점에 200개 미만의 노드가 발생하면, 노드는 블록체인을 따라잡을 수 없거나, 무효 블록을 감지할 수 없거나, 또는 노드 소프트웨어의 설치 방식에 따라 많은 다른 불리한 상황이 발생할 수 있습니다.

샤딩 블록체인의 용량이 10배 증가하면, 최소 노드 수 또한 10배 증가합니다. 그렇다면, 왜 우리는 조금의 용량에서 시작하여 많은 사용자가 몰려들 때 용량을 늘리고, 사용자가 줄어들면 용량을 줄이지 않을까요? 그렇게 하면 실제로 필요한 부분을 파악할 수 있습니다.

여기 몇 가지 문제가 있습니다:

• 블록체인 자체는 몇 개의 고유 노드가 있는지 정확하게 감지할 수 없으므로, 이는 샤드 수를 감지하고 설정하기 위한 어떤 형태의 거버넌스가 필요합니다. 용량 한계를 초과하는 것은 분열과 갈등의 원인이 되기 쉽습니다.

• 많은 사용자가 갑자기 예기치 않게 퇴출되면 어떻게 될까요?

• 분기 시작에 필요한 최소 노드 수를 늘리면 악의적인 인수에 저항하기가 더 어려워집니다.

거의 확실히, 최소 노드 수는 1,000을 넘지 않는 것이 좋습니다. 따라서 수백 개의 샤드를 가진 블록체인이 합리적이라는 것을 증명하기는 어려워 보입니다.

2) 역사적 검색 가능성

사용자가 진정으로 소중히 여기는 블록체인의 중요한 속성은 영구성입니다. 회사가 파산하거나 해당 생태계를 유지할 능력을 잃으면, 서버에 저장된 디지털 자산은 10년 후에 삭제됩니다. 반면, 이더리움의 NFT는 영구적으로 존재합니다.

네, 사람들은 2371년에도 당신의 크립토캣을 다운로드하고 검색할 것입니다.

하지만 블록체인의 용량이 너무 높아지면, 모든 데이터를 저장하는 것이 더 어려워집니다. 만약 어떤 시점에 큰 위험이 발생하면, 역사적 일부를 저장할 사람이 없을 것입니다.

이 위험을 정량화하는 것은 쉽습니다. 블록체인의 데이터 용량(MB/s)으로 30을 곱하면 연간 TB 단위로 저장되는 데이터 양을 얻을 수 있습니다. 현재 샤딩 계획의 데이터 용량은 약 1.3 MB/s로, 연간 약 40 TB입니다. 만약 이를 10배 증가시키면, 400 TB/년이 됩니다.

우리가 데이터를 접근할 수 있을 뿐만 아니라 편리하게 도달할 수 있도록 하려면, 메타데이터(예: 롤업 거래 해제)도 필요하므로 매년 4 PB가 필요하며, 10년 후에는 40 PB에 도달해야 합니다. 이는 대부분의 샤딩 블록체인이 안전하게 달성할 수 있는 합리적인 상한선입니다.

따라서 두 가지 차원에서 이더리움 샤딩 설계는 실제로 합리적인 최대 안전 값에 매우 근접한 것으로 보입니다. 매개변수는 약간 증가할 수 있지만, 너무 많이 증가할 수는 없습니다.

4. 요약

블록체인을 확장하는 방법에는 두 가지가 있습니다: 기본 기술 개선과 단순한 매개변수 증가. 먼저, 매개변수 증가가 매력적으로 들리지만: 만약 당신이 냅킨 위에서 수학을 한다면, 가정용 노트북이 매초 수천 건의 거래를 처리할 수 있다고 스스로를 설득하기는 쉽습니다. ZK-SNARK, 롤업 또는 샤딩이 필요하지 않습니다. 불행히도, 이 방법은 근본적으로 결함이 있으며, 그 안에는 많은 미묘한 이유가 있습니다.

블록체인 노드를 운영하는 컴퓨터는 블록체인을 검증하기 위해 100%의 CPU 용량을 소모할 수 없습니다; 그들은 예기치 않은 DoS 공격에 저항하기 위해 큰 안전 마진이 필요하며, 메모리 풀에서 처리되는 거래와 같은 작업을 수행하기 위해 여유 용량이 필요합니다. 또한 사용자는 컴퓨터에서 노드를 운영하여 다른 애플리케이션을 동시에 사용할 수 없기를 원하지 않습니다.

대역폭도 마찬가지로 오버헤드가 있습니다: 10 MB/s의 연결이 있다고 해서 매초 10 MB의 블록을 가질 수 있는 것은 아니며, 매 12초마다 최대 1-5 MB의 블록이 있을 수 있으며, 저장소도 마찬가지입니다. 노드를 운영하는 하드웨어 구성을 늘리고 특정 참여자에게 노드 운영을 제한하는 것은 해결책이 아닙니다. 탈중앙화된 블록체인에 대해 일반 사용자가 노드를 운영하고 노드를 운영하는 일반적인 활동 문화가 있는 것이 매우 중요합니다.

기본 기술 개선은 확실히 효과가 있습니다. 현재 이더리움의 주요 병목 현상은 저장 용량이며, 무상태성과 상태 만료가 이 문제를 해결하고 약 3배까지 증가할 수 있게 해줍니다(그러나 300배를 초과할 수는 없습니다), 우리는 노드를 운영하는 것이 지금보다 더 쉬워지기를 원합니다. 샤딩 블록체인은 더 이상 단일 노드가 처리해야 할 거래가 없기 때문에 추가로 확장할 수 있습니다.

하지만 그럼에도 불구하고 용량에는 한계가 있습니다: 용량이 증가함에 따라 최소 노드 수도 증가하며, 아카이브 체인의 비용(아카이브 체인을 관리하는 사람이 없다면 데이터 손실 위험이 증가함)도 증가합니다.

하지만 우리는 너무 걱정할 필요는 없습니다: 이러한 제한은 충분히 높아서 블록체인이 완전히 안전한 상태에서 매초 백만 건 이상의 거래를 처리할 수 있습니다. 하지만 그렇게 하면서 블록체인의 탈중앙화를 희생하지 않으려면 노력이 필요합니다.