a16z: 블록체인 메커니즘 설계에서의 8가지 도전 과제

원제목：《블록체인 메커니즘 설계가 어려운 8가지 이유》

저자：Tim Roughgarden, a16z crypto 연구 책임자

편집：0xxz, 금색 재정

어떤 분야에 대한 깊이 있는 연구는 현실 세계에서 발생하는 문제들이 잘 해결된 문제들의 서투른 변장에 불과하다는 것을 깨닫게 해줍니다. 예를 들어, 제가 알고리즘 기초를 가르칠 때 학생들은 최단 경로 계산이나 선형 프로그래밍 문제로 귀결되는 문제를 식별하는 방법을 배웁니다.

이러한 패턴 매칭은 메커니즘 설계에서도 유효하며, 이는 이상적인 결과를 달성하기 위해 인센티브를 활용하는 "역 게임 이론"입니다. 메커니즘 설계의 도구와 교훈은 경매 이론, 시장 설계 및 사회 선택 이론에서 특히 유용합니다.

암호화폐와 웹3는 메커니즘 설계 문제로 가득 차 있습니다. 사람들은 많은 문제들이 교과서의 내용을 적용하여 해결될 수 있다고 생각할 수 있으며, 오래된 아이디어를 새로운 방식으로 조정할 수 있다고 믿습니다. 그러나 허가 없는 블록체인 프로토콜의 독특한 도전과 제약은 종종 사람들로 하여금 겉보기에는 해결된 문제의 기본 원칙을 재고하도록 강요합니다. 이는 웹3의 메커니즘 설계를 복잡하게 만듭니다. 그러나 이러한 도전이 바로 웹3 메커니즘 설계를 매력적으로 만드는 요소입니다.

저는 이 글에서 웹3 메커니즘 설계가 직면한 몇 가지 도전을 탐구할 것입니다. 이러한 도전은 암호화폐 원주율 사용자에게는 익숙할 수 있지만, 메커니즘 설계를 더 깊이 이해하는 것은 모든 건설자에게 이러한 문제를 해결하는 것이 왜 그렇게 어려운지를 이해하는 새로운 관점을 제공할 것입니다. 메커니즘 설계자라면 새로운 애플리케이션에 대해 고민하고 있다면, 허가 없는 환경이 가져오는 도전에 관심이 있을 것입니다.

하지만 먼저, 메커니즘 설계란 무엇인지 알아야 합니다.

메커니즘 설계 분야의 형성은 최소한 1961년으로 거슬러 올라갑니다. 그때 콜롬비아 대학교의 경제학자이자 후에 노벨상을 수상한 윌리엄 비크리(William Vickrey)가 공식적으로 두 번째 가격 비공식 경매 방식을 제안했습니다. 이 경매 방식은 1797년 저자 요한 볼프강 폰 괴테(Johann Wolfgang von Goethe)가 그의 서사시 "헤르만과 도로시아"의 원고를 판매할 때 처음 사용되었으며, 19세기에는 우표 수집가들에 의해 널리 사용되었지만, 1961년에 비크리에 의해 공식적으로 제안되었으며, 지금은 "비크리 경매(Vickrey auction)"라고 일반적으로 불립니다. 비크리 경매 모델에서는 최고 입찰자가 승리하지만, 지불하는 금액은 두 번째로 높은 입찰가입니다. 이 경매는 입찰자의 진정한 선호를 자극하고, 경매 품목을 가장 높은 평가를 한 사람에게 전달합니다.

비크리 경매는 우아하고 효율적인 설계로, 현실 세계에 적용되어 새로운 상황에 따라 조정되고 업데이트되며, 실천은 이론에 정보를 제공하고 그 반대도 마찬가지입니다. 비크리 경매와 마찬가지로, 메커니즘 설계라는 공식 학문으로의 발전사는 이론과 실천이 얽힌 역사로, 깊고 아름답습니다.

게임 이론과는 달리------게임 이론은 전략적 상호작용의 차원을 구축하고 행동의 가장 합리적인 결과를 탐구합니다------메커니즘 설계 분야는 게임에서 시작하는 것이 아니라 기대하는 결과에서 시작합니다. 메커니즘 설계의 목적은 어떤 형태의 게임을 역설계하여 기대하는 결과(효율성, 공정성 또는 특정 행동으로 특징지어질 수 있음)를 달성하는 것입니다. 비크리 경매의 경우, 궁극적인 목표는 참여자를 처벌하지 않고 참여자가 지불하고자 하는 최대 금액을 지불하도록 유도하는 것입니다.

웹3의 메커니즘 설계 응용 기회는 매우 많습니다. 예를 들어, 블록체인 프로토콜은 프로토콜 참여자의 정직한 행동(예상 행동에서 벗어나지 않도록)을 달성하고자 할 수 있습니다. 또는 프로토콜은 거래 가치에 대한 정확한 정보를 얻어 가장 가치 있는 거래에 블록 공간을 효율적으로 할당하고자 할 수 있습니다.

이러한 메커니즘 설계 문제는 항상 도전적이며, 블록체인 환경에서는 도전이 더욱 독특합니다.

1. 신뢰 부족

신뢰할 수 있는 주체가 메커니즘을 실행하지 않으면 블록체인 분야의 설계는 더욱 어려워집니다.

허가 없는 블록체인 프로토콜을 사용하는 모든 의미는 특정 실체나 개인을 신뢰할 필요가 없다는 것입니다. 단지 "평균 수준"의 신뢰 가정, 즉 프로토콜을 운영하는 노드 중 충분히 많은 노드가 정직하다는 가정만 있으면 됩니다.

그러나 많은 블록체인 아키텍처의 아이러니는 체인 역사에 추가되는 각 거래가 프로토콜이 유지하는 가상 머신에서 실행되기 위해 단일 노드의 일방적인 결정의 결과라는 것입니다.

이 노드를 신뢰할 수 있을지 불확실합니다.

이것이 블록체인 분야에서 비크리 경매가 거의 보이지 않는 이유입니다. 순진하게 비크리 경매를 시행하면 곧 신뢰할 수 없는 블록 생산자의 조작 문제에 직면하게 됩니다. 문제는 한 블록 생산자가 "shill bid"라는 가짜 입찰을 만들어 승리자가 될 입찰가보다 약간 낮은 입찰가를 제시하여 승리자가 거의 모든 입찰가를 지불하도록 강요할 수 있다는 것입니다(실제 두 번째 높은 입찰가가 아닌).

신뢰할 수 없는 블록 생산자의 가짜 입찰은 비크리 경매를 첫 번째 가격 경매 모델로 되돌리게 하며, 이는 웹3에서 첫 번째 가격 경매가 매우 보편적인 이유 중 하나입니다. (전통적인 메커니즘 설계 문헌에서 "신뢰할 수 있는 메커니즘"에 대한 최신 분파는 신뢰할 수 없는 경매인의 경매 설계를 다루고 있지만, 관점이 다릅니다.)

2. 가끔 공모

블록체인 메커니즘 설계가 어려운 또 다른 이유는 블록체인 참여자 간의 공모가 발생할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 두 번째 가격 경매는 보상 지급과 쉽게 결합될 수 있습니다. 그 이유는 간단합니다: 낙찰자가 두 번째 높은 입찰가를 지불하므로, 입찰자는 두 번째 높은 입찰자에게 뇌물을 주어 입찰가를 훨씬 낮추도록 할 수 있습니다.

메커니즘 설계의 학술 문헌은 이 문제에 대해 과도하게 걱정하지 않습니다. 그 이유 중 하나는 공모(특히 보상 지급과의 공모)가 현실 세계에서 실현하기 어렵기 때문일 수 있습니다. 공모가 발생한 후, 승자는 뇌물 지급을 거부할 수 있으므로 신뢰할 수 있는 보상 지급을 얻기가 어렵습니다. (속담이 있듯이: "도둑 사이에는 도리가 없다.")

그러나 블록체인 맥락에서는 잠재적인 공모자들이 종종 스마트 계약을 사용하여 신뢰할 수 있는 약속을 제공할 수 있어 공모가 실제로 작동할 수 있습니다. 두 번째 이유는 보상 지급과의 공모를 억제할 메커니즘이 부족하다는 것입니다------"가격 공시" 메커니즘은 입찰가만 제공하고 그 외에는 아무것도 없습니다.

더 나쁜 것은, 프로토콜 사용자가 서로 공모할 수 있을 뿐만 아니라 (신뢰할 수 없는) 블록 생산자와도 공모할 수 있다는 것입니다(이는 현실 세계 경매에서 입찰자와 경매인의 공모에 해당합니다).

마지막 공모에 대한 저항은 이더리움 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘에서 거래 수수료의 일부를 소각하는 주요 동기 중 하나입니다. "소각"이 없거나 (또는 다른 방식으로 블록 생산자로부터 이러한 수익을 차감하지 않으면), 블록 생산자와 최종 사용자는 보상 지급을 통해 공모하고 이 메커니즘이 시도하는 모든 보유 가격을 회피할 수 있습니다.

3. 법치에만 의존할 수 없음

공모 문제는 분명히 새로운 문제가 아닙니다. 수세기 동안 현실 세계의 다양한 메커니즘을 괴롭혀 왔지만, 메커니즘 설계 문헌을 살펴보면 이 문제를 거의 해결하지 않았다는 사실에 놀랄 수 있습니다. 이러한 문헌은 개별 참여자가 메커니즘을 일방적으로 조작할 동기에 대해 정면으로 논의하고 있지만, 일반적으로 문제를 어떤 미비한 "법치" 개념에 맡깁니다. 예를 들어, 메커니즘의 참여자는 공모를 하지 않겠다는 계약을 체결할 수 있습니다. 공모가 발견되면 법적 경로로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 메커니즘 설계자는 공모 행위를 상대적으로 쉽게 감지할 수 있는 메커니즘을 만들어 도움을 줄 수 있습니다.

많은 메커니즘 설계 문헌에는 법치에 대한 의존이라는 암묵적인 비밀이 있습니다. 허가 없는 블록체인 프로토콜 분야에서 법치가 전혀 없다고는 할 수 없지만------우리는 종종 법 집행 기관이 허가 없는 블록체인에서 범죄 행위를 성공적으로 기소하는 것을 보곤 합니다------법치의 정도는 전통적인 메커니즘 설계 응용 프로그램보다 훨씬 적습니다.

만약 당신이 그 메커니즘 외부에서 법치에 의존할 수 없다면, 설계자는 메커니즘 내에서 문제를 해결할 책임이 있습니다. 이러한 접근 방식은 블록체인 분야의 메커니즘 설계 결정에서 일반적으로 나타납니다. 특히 이더리움 프로토콜에서는 EIP-1559의 기본 수수료 수익 소각에서부터, 그 합의 프로토콜에서 부정행위를 한 검증자를 처벌하는 것까지, 예시가 넘쳐납니다.

4. 설계 공간이 더 큼

웹3의 설계 공간은 메커니즘 설계자가 익숙한 것보다 큽니다. 따라서 설계자는 주어진 모든 문제를 재고해야 합니다. 예를 들어, 많은 메커니즘은 지불을 포함하는데, 전통적인 메커니즘 설계 응용 프로그램에서는 이러한 지불이 달러와 같은 법정 통화로 이루어집니다. 많은 블록체인 프로토콜은 고유한 원주화가 있으며, 이러한 프로토콜 내의 메커니즘은 이러한 통화를 조작할 수 있습니다.

상상해 보십시오. 만약 당신이 전통적인 메커니즘 설계에 관한 글을 썼다면, 당신의 메커니즘 설명의 일부는 "새로운 통화를 인쇄한 다음, 참여자들에게 나누어 준다."라는 내용일 것입니다. 블록체인 맥락을 벗어나면, 이는 매우 터무니없는 일입니다. 그러나 블록체인 프로토콜의 맥락에서 메커니즘 설계에 대해 이야기할 때, 당신은 그것을 완전히 할 수 있습니다. 프로토콜이 통화를 제어하므로, 프로토콜의 일부 메커니즘은 토큰을 발행하거나 소각할 수 있습니다.

이는 일부 설계가 원주화 없이 실현될 수 없다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 비트코인 채굴자가 예상대로 프로토콜을 실행하도록 어떻게 유도할 수 있을까요? 인플레이션 보상을 통해: 새로운 코인(비트코인)을 발행하여 이러한 블록 생산자를 유도합니다. 원주화가 없다면, 이러한 설계는 실현될 수 없습니다.

5. 원주화가 다른 문제를 초래할 수 있음

이전의 이유는 원주화의 힘을 강조합니다. 원주화로 두 가지 일을 할 수 있습니다: "주조"(비트코인 프로토콜이 채굴자를 유도하기 위해 새로운 비트코인을 주조하는 방식)와 "토큰 소각"(이더리움 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘이 공모를 방지하기 위해 ETH를 소각하는 방식). 원주화는 전통적인 메커니즘 설계에서는 존재하지 않는 위험을 내포하고 있습니다: 미시 경제 설계 결정이 거시 경제적 결과를 초래할 수 있습니다.

전통적인 메커니즘 설계에서는 거시 경제적 힘에 대해 걱정할 이유가 없습니다. 전통적인 경매 방식은 미국의 통화 공급이나 인플레이션율에 의미 있는 영향을 미치지 않습니다. 이는 웹3 설계 분야에 대한 새로운 도전입니다. 어떤 문제가 발생할까요? 두 가지 예를 들어 보겠습니다. 하나는 비트코인의 주조에 관한 것이고, 다른 하나는 ETH의 소각에 관한 것입니다.

블록 보상을 사용함으로써------새로운 코인을 발행하여 채굴자를 유도함으로써------비트코인은 인플레이션을 피할 수 없습니다. 따라서 인플레이션율과 인플레이션율이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화할지를 결정하는 통화 정책이 필요합니다. 사토시 나카모토는 2100만 비트코인의 하드 공급 한계를 설정했습니다. 비트코인의 수량에 하드 상한이 있기 때문에, 인플레이션율은 제로에 가까워야 합니다.

만약 인플레이션율이 정말로 제로라면, 채굴자가 프로토콜을 계속 운영하고 비트코인의 안전을 보장하기 위해 무엇으로 유도할 수 있을까요? 사람들은 거래 수수료가 결여된 블록 보상을 보완할 수 있기를 바라왔지만, 그런 일이 발생할 가능성은 상당히 희박합니다. 잘 알려진 바와 같이, 거래 수수료가 제로에 가까워지면 비트코인 프로토콜은 심각한 안전 문제에 직면하게 됩니다.

프린스턴 대학교의 컴퓨터 과학자 마일스 칼스턴(Miles Carlston), 해리 칼로드너(Harry Kalodner), 매튜 와인버그(Matthew Weinberg) 및 아르빈드 나라얀(Arvind Narayanan)은 한 논문에서 거래 수수료와 블록 보상 간의 또 다른 차이를 지적했습니다. 각 블록의 블록 보상은 동일하지만(최소한 블록 보상이 연속된 두 번의 "반감기" 사이에서는 그렇습니다), 거래 수수료는 수량적으로 큰 변화를 겪을 수 있습니다------이는 다시 프로토콜에 새로운 게임 이론적 불안정을 초래합니다. 이러한 의미에서, 고정 공급 상한의 거시 경제적 결정은 프로토콜과 그 참여자에게 부정적인 미시 경제적 결과를 초래합니다.

비트코인에 대한 블록 보상 주조가 인플레이션의 힘이라면, EIP-1559에서 거래 수수료의 소각은 이더리움에 대한 디플레이션의 힘입니다. 이더리움 프로토콜(실제로 인플레이션 검증자 보상을 사용함)에서는 이 두 힘 간의 힘겨루기가 발생하며, 디플레이션이 종종 승리합니다. ETH는 현재 순 디플레이션 통화로, 이는 프로토콜 거래 수수료 메커니즘에서 미시 경제적 동기 설계 결정의 거시 경제적 결과입니다.

디플레이션은 이더리움 프로토콜에 좋을까요, 나쁠까요? ETH 보유자는 디플레이션을 선호합니다. 왜냐하면 다른 조건이 동일할 경우, 시간이 지남에 따라 그들의 토큰이 더 가치 있게 되기 때문입니다. (사실, 이 부수적 효과가 결국 대중 여론이 EIP-1559 거래 수수료 메커니즘으로 전환하는 이유가 되었을 수 있습니다.) 그러나 디플레이션이라는 용어는 전통적인 훈련을 받은 거시 경제학자들을 주저하게 만들며, 1990년대 일본의 경제 침체를 떠올리게 합니다.

누가 옳은 걸까요? 개인적으로 저는 주권 법정 통화가 ETH와 같은 암호화폐에 대한 올바른 유사점이라고 생각하지 않습니다. 그렇다면 올바른 유사점은 무엇일까요? 이는 여전히 미해결 문제로, 블록체인 연구자들이 더 탐구해야 할 사항입니다: 왜 디플레이션 통화는 블록체인 프로토콜을 지원하는 암호화폐로 작용할 수 있지만, 주권 국가를 지원하는 법정 통화로는 작용할 수 없는가?

6. 기본 스택을 무시할 수 없음

컴퓨터 과학에서 우리가 추구하는 것 중 하나는 모듈화와 깨끗한 추상화입니다. 이는 신뢰 시스템의 일부에 대한 능력을 부여합니다. 시스템의 일부를 설계하고 분석할 때, 시스템의 다른 부분이 출력하는 기능을 알아야 할 수도 있습니다. 그러나 이상적으로는 이 기능이 기본적으로 어떻게 구현되는지 알 필요는 없습니다.

블록체인 프로토콜에서는 이러한 이상적인 상태에 도달하지 못했습니다. 건설자와 메커니즘 설계자가 애플리케이션 계층에 집중하는 것을 좋아할 수 있지만, 그들은 인프라 계층의 작동 방식과 세부 사항을 무시할 수 없습니다.

예를 들어, 자동화된 시장 조성기를 설계하고 있다면, 신뢰할 수 없는 블록 생산자가 거래 순서를 책임질 가능성을 고려해야 합니다. 또는 (L2) 롤업을 위한 거래 수수료 메커니즘을 설계할 때, L2의 자원 소비에 대한 비용을 지불해야 할 뿐만 아니라, 기본 L1 프로토콜에서 발생하는 모든 비용(예: calldata 저장)에 대해서도 비용을 지불해야 합니다.

이 두 가지 예에서, 한 계층의 효과적인 메커니즘 설계는 다른 계층에 대한 세부적인 이해를 필요로 합니다. 아마도 블록체인 기술이 점점 더 성숙해짐에 따라, 우리는 서로 다른 계층을 명확하게 구분할 수 있을 것입니다. 그러나 우리는 지금 확실히 그 정도에 도달하지 못했습니다.

7. 제한된 환경에서 작업해야 함

블록체인 프로토콜이 구현하는 "하늘의 컴퓨터"는 제한된 계산 환경입니다. 전통적인 메커니즘 설계는 경제적 인센티브에만 초점을 맞추고 계산 문제를 무시합니다(예: 유명한 비크리-클락-그로브스 메커니즘은 매우 복잡한 배분 문제에 대해 실행 불가능합니다).

니산과 로넨이 1999년에 알고리즘 메커니즘 설계를 제안했을 때, 그들은 메커니즘이 현실 세계에서 실제 의미를 가지려면 어떤 형태의 계산 추적 가능성이 필요하다고 지적했습니다. 따라서 그들은 문제 매개변수로 일정량을 사용하는 다항식(지수식이 아닌) 함수 확장에 대한 계산 및 통신 메커니즘에 주목할 것을 제안했습니다.

블록체인 프로토콜의 가상 머신은 계산량이 매우 적기 때문에, 체인 상의 메커니즘은 매우 경량화되어야 합니다------다항식 시간과 통신이 필요하지만, 그것만으로는 충분하지 않습니다. 예를 들어, 희소성은 자동화된 시장 조성기가 이더리움 DeFi를 완전히 지배하는 주요 이유이며, 이는 제한 주문서와 같은 더 전통적인 솔루션이 아닙니다.

8. 아직 초기 단계

일반적으로 사람들이 웹3가 아직 초기 단계에 있다고 말할 때, 그들은 투자 기회나 채택 상황을 지칭합니다. 그러나 과학적 관점에서 보면, 우리는 그보다도 더 이릅니다. 이는 더욱 어려운 상황을 초래합니다------기회는 막대하지만.

성숙한 연구 분야에서 일하는 것의 이점은 모든 사람이 당연하게 여깁니다. 공인된 모델과 정의가 존재합니다. 가장 중요한 문제에 대한 합의가 이루어졌습니다. 진행 상황 측정에 대한 주요 조정이 이루어졌습니다. 공통 용어집과 방대한 공공 지식 기반이 존재합니다. 엄격한 검토를 거친 교과서, 온라인 과정 및 기타 자원을 포함한 몇 가지 가속 경로가 있습니다.

한편, 블록체인 분야의 많은 측면에서 우리는 여전히 "올바른" 모델과 정의를 모르고 있으며, 중요한 문제에 대해 명확하게 생각하고 진전을 이루지 못하고 있습니다. 예를 들어, 블록체인 프로토콜의 맥락에서 호환성 인센티브의 가장 중요한 개념은 무엇인가요? 웹3 스택에는 어떤 계층이 있나요? 최대 추출 가치(MEV)의 구성 요소는 무엇인가요? 이러한 모든 것은 미해결 문제입니다.

블록체인 과학에 관심이 있는 사람들에게 이 분야의 미성숙함은 확실히 도전입니다. 그러나 지금 참여하는 것------지금이 기회입니다------은 독특한 기회를 가져올 것입니다.

메커니즘 설계는 인터넷 응용 계층에서 유용한 도구로 자리 잡아 왔습니다------예를 들어 실시간 광고 경매나 전자 상거래에서부터 그룹 구매에 이르기까지 현재 대부분의 온라인 소비 응용 프로그램에서 보편적으로 존재하는 양면 시장 설계와 같은 것입니다.

그러나 웹3에서 메커니즘 설계는 인프라 자체의 설계 결정에도 정보를 제공합니다.

1980년대와 1990년대 초반, 인터넷 라우팅 프로토콜이 여전히 논의 및 설계 단계에 있을 때를 회상해 보십시오. 제가 아는 한, 그 과정에서 인센티브 및 메커니즘 설계 분야의 전문가는 아무도 없었습니다. 사후적으로 우리는 이러한 사람들이 설계에 유용한 정보를 제공할 수 있었음을 깨닫습니다. 한편, 웹3에서는 최초의 비트코인 백서가 발표되면서 인센티브 메커니즘이 처음부터 논의의 일부였습니다.

웹3에 대한 "올바른" 모델, 정의 및 성공 지표에 대한 혼란은 실제로 우리가 황금 시대에 있다는 것을 알려줍니다. 후세의 학생들과 과학자들은 우리가 올바른 시간에 올바른 장소에서 이 기술의 발전 궤적을 형성할 기회를 가졌다는 것을 부러워할 것입니다. 따라서 이 분야의 교과서는 많지 않을 수 있지만, 언젠가는 생겨날 것이며, 그 책들이 설명할 내용은 우리가 지금 하고 있는 작업입니다.