Show me what you got, 지분증명
Proof of Stake: 더 나은 합의 알고리즘을 찾아서
DSRV Research는 더 많은 사람들이 Web3를 이해하고 참여하는 데 기여하기 위해, 블록체인과 관련된 지식을 연재합니다.
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Proof of Stake: 더 나은 합의 알고리즘을 찾아서
[합의 알고리즘 시리즈]
2. Show me what you got, 지분증명
비트코인과 이더리움이 점차 주류가 되어가면 뒤에서 가장 밝은 미소를 짓는 사람들은 누구일까요? 뭔지도 모르고 사둔 비트코인 몇 개 덕분에 떼부자가 되어있었던 철수일까요, 아니면 피씨방을 운영하며 짬짬이 이더리움을 캔 영희일까요? 아마도 이들보다 더 큰 미소를 짓고 있는 사람은 채굴 장비 제조업자인 민수가 아닐까요? 비트코인이나 이더리움의 가격이 올라갈수록 직접 토큰을 채굴하고자 하는 사람들이 많아지고, 이들은 모두 채굴 장비를 사려고 할 테니까요. 심지어 높은 습도, 낙후된 환기시스템과 같은 수많은 변수에 의해 채굴장비는 닳아 없어지기까지 하니, 민수의 입가에서 미소가 떠나는 날은 보이지 않을 듯합니다.
블록체인은 기본적으로 여러 컴퓨터가 운영하는 네트워크이기 때문에 각자의 컴퓨터가 가지고 있는 여러 데이터 중에서 어떤 데이터가 유효한지 모두 합의하는 과정이 필요합니다. 그래야 모든 컴퓨터가 하나의 같은 블록체인을 저장하고 유지할 수 있기 때문인데요, 이를 우리는 ‘합의 알고리즘’이라고 합니다. 우리에게 가장 친숙한 비트코인이나 이더리움은 “작업증명(Proof of Work)”이라는 합의 알고리즘을 사용하는데, 작업증명을 사용하는 블록체인에서 코인을 채굴하기 위해서는 나의 컴퓨터가 어려운 수학 문제를 가장 빨리 풀도록 해야 합니다. 문제는 이 경쟁이 심화되면서 에너지와 전자기기의 소모량이 과도하게 늘어나게 된다는 것입니다.
GPU, CPU, 이더리움 가격 상관관계. 출처: The Economist[1]작업증명 기반 암호화폐가 GPU의 수요를 견인하는 유일한 요인은 아니겠지만, 위의 그래프를 살펴보면 꽤 큰 상관관계가 있다고 보여집니다. 채굴을 하기 위해서는 내 컴퓨터에게 점점 더 좋은, 더 많은 GPU를 심어줘야 하기 때문입니다. 그렇지만 이 지경까지 와버리면 근본적인 의문이 생깁니다. 그냥 누가 새 블록을 만들어낼지 결정하기 위해 이렇게까지 많은 전기와 이렇게까지 거대한 장비들을 소모해야 하는 것일까요? 나도 채굴로 쏠쏠하게 용돈벌이하고 싶은데, 내가 갖추어야 할 장비들을 생각해보면 은행 대출을 먼저 알아보아야 할 것 같습니다. 어쩌면 배보다 배꼽이 커진 것은 아닐까요? 또는, 내가 민수의 배만 불려주는 일을 하는 것은 아닐까요?
이런 고민을 하고 있던 찰나에 혜성처럼 등장한 것이 바로 Proof of Stake, 즉 지분증명입니다. 이제는 거대한 채굴 장비를 살 돈으로 코인을 사기만 하면 나에게도 새로운 블록을 만들어낼 권한이 생깁니다. 가족을 데리고 전기가 더 싼 카자흐스탄으로 이주할 필요도, 골치 아픈 채굴 장비의 유지보수를 매일 할 필요도 없습니다. 더 많은 사람이 더 쉬운 방법으로 코인을 새로이 만들어 분배받을 수 있게 된다면, 그것이 블록체인의 탈중앙화 정신과도 더 맞닿아 있는 것 아닐까요?
닥치고 내 돈 받아!그렇다면 이제 제 모든 월급을 털어 코인만 사면 되겠군요! 자 이제 지분증명의 세계로 더 깊이 빠져보겠습니다.
작업증명의 단점
과도한 에너지 소비
작업증명은 비트코인을 통해 오랜 기간동안 보안성을 증명해왔다는 점에서 매우 견고하지만 위에서 언급했듯이 이는 동시에 큰 비용을 수반합니다. 작업증명이 비판받는 가장 큰 이유는 과도한 에너지 소비입니다. 최근 EU의 암호화폐 규제안에서 비트코인 및 이더리움 등 작업증명 체인에 대하여 환경 지속가능성에 의문을 던지는 이유도 이렇게 과도한 에너지 소비에 따른 온실가스 배출을 우려하기 때문입니다.[2] 비트코인 채굴 산업에서 재생 가능한 에너지 사용 비율이 약 60%를 넘어가기 때문에[3] 세간에 알려진 만큼 작업증명이 환경에 치명적인 영향을 끼치고 있지는 않다는 반론도 있습니다. 그러나 작업증명 네트워크는 그 구조상 에너지 소비가 지분증명 네트워크에 비해 더 클 수밖에 없다는 사실은 여전히 유효한 비판입니다. 컴퓨터들이 경쟁적으로 복잡한 수학 문제를 풀고 가장 빨리 푼 컴퓨터가 새로운 블록을 생성하는 방식에서 큰 에너지가 소비되는데, 이러한 방식은 작업증명 기반 블록체인에서만 사용되기 때문입니다. 실제로 연간 비트코인이 소비하는 전기는 우크라이나 또는 노르웨이가 일 년 동안 소비하는 전기의 양보다 많다고 합니다.[4]
과도한 전자 폐기물
과도한 전자 폐기물 또한 작업증명에 대한 비판 중 하나입니다. 초창기에는 CPU만으로도 비트코인 등의 작업증명 블록체인에서 토큰을 채굴할 수 있었지만, 채굴자들 간의 경쟁이 심화되면서 GPU, 그리고 더 나아가 채굴 목적의 연산만 전문적으로 수행하는 ASIC 칩까지 필요하게 되었습니다. 하드웨어의 혁신이 계속될수록 이전의 채굴 장비는 경쟁력이 없어지고 채굴 시장에서 도태됩니다. 더하여 하드웨어는 외부적인 요인에 의하여 수명이 줄어드는 소모품이기 때문에 필연적으로 전자 폐기물들을 발생시킬 수밖에 없습니다. (민수가 부자되는 소리가 여기까지 들리는군요.)
중앙화 문제
중앙화 이슈 또한 존재합니다. 역설적으로 작업증명의 중앙화 문제는 높은 탈중앙성으로 인해 발생합니다. 누구나 원하기만 하면 네트워크에 참여하여 채굴자가 될 수 있기 때문인데, 이로 인해 경쟁이 심화된 탓에 현재 비트코인은 일반적인 노트북의 CPU 또는 GPU로 채굴하는 것이 사실상 불가능해졌습니다. 비트코인을 채굴하기 위한 목적으로 ASIC칩이 새로 개발되었는데, ASIC칩을 사용하는 전문적인 채굴 장비는 개인이 마련하고 유지, 보수하기 어렵기 때문에 점점 비트코인 채굴은 기업화가 진행되고 있습니다. 현재 비트코인에는 아래와 같이 여러 마이닝 풀(Mining Pool, 이하 마이닝 풀)이 존재합니다.
풀 간 해시래이트 구성비율 (2022년 2월). 출처: BTC.com[5]마이닝 풀은 쉽게 말해 채굴자들의 연합으로, 전문화된 채굴 장비를 병렬적으로 구성하여 채굴을 위한 연산을 효율적으로 수행하기 위한 목적으로 만들어졌습니다. 집단화된 채굴자들의 연산 효율성과 규모를 개인이 따라가기란 매우 어렵기 때문에 현재 비트코인 채굴 시장은 진입장벽이 매우 높아졌다고 볼 수 있습니다. 나카모토 사토시가 최초로 탈중앙화된 전자 화폐로써 비트코인을 세상에 선보였을 때 과연 이런 모습을 원했을지도 생각해볼 만한 부분입니다.
지리적으로 중앙화 이슈를 바라볼 수도 있습니다. 채굴 비즈니스를 보다 수익성 있게 유지하기 위해서는 채굴 장비를 더 값싸게 돌릴 수 있도록 전기가 저렴한 국가 또는 지역에서 채굴장을 만들어야 합니다. 전 세계 곳곳에 퍼져있는 수많은 컴퓨터가 유지하는 네트워크를 통해 특정 지역의 자연재해, 또는 국가적 검열로부터 자유로운 시스템을 만들고자 했던 원래의 의도와는 달리, 이제 비트코인은 특정 국가의 암호화폐 정책, 또는 정전이나 홍수와 같은 자연재해에 취약해졌다는 비판도 유효합니다.
비트코인 Difficulty 차트. 출처: Coinwarz[6]실제로 값싼 전기를 사용하기 위해 중국으로 모인 채굴자들이 중국의 암호화폐 금지 정책으로 인해 사업을 정리하게 되자 2021년 6월경 비트코인 네트워크를 지탱하는 전체 컴퓨팅파워(해시파워)가 크게 하락하는 현상이 나타나기도 했습니다. 해시파워가 하락하면 블록체인 네트워크의 해킹 위험이 증가한다는 점에서 보안성에 큰 타격이 가해집니다. 이 또한 의도하지 않았던 중앙화, 집중화가 낳은 문제로 볼 수 있습니다.
그래서 이제는 지분증명!
최초에 지분증명 블록체인에 대한 논의가 시작되었을 때 고려되었던 문제들이 바로 이러한 것들입니다. 따라서 지분증명은 작업증명과 다르게 채굴 장비와 같은 하드웨어에 의존하지 않으면서도 보안성을 유지하고, 많은 사람들이 더 쉽게 블록 생성에 대한 토큰 보상을 받을 수 있도록 합니다. 따라서 지속가능성과 탈중앙화 측면에서 작업증명보다 유리합니다.
특히 이더리움은 현재 작업증명에서 지분증명으로 넘어가는 이더리움 2.0 로드맵을 이행해나가고 있습니다. 작업증명은 과도한 에너지 및 전자기기 소모로 인해 지속 가능하지 않으며, 또한 채굴 하드웨어를 사용해야 한다는 점에서 발생하는 중앙화의 우려를 덜 수 있다는 이유에서입니다. 전체 암호화폐 시장에서 시가총액 2위를 차지하는 이더리움의 움직임은 작업증명에서 지분증명으로 블록체인 산업의 패러다임이 바뀌어나가고 있다는 것을 보여주는 강력한 예시입니다.
현재 매우 많은 수의 지분증명 블록체인이 구현되어 있는데, 각각 모두 조금씩 다른 방식으로 설계되었습니다. 따라서 ‘지분증명이란 어떤 것이다’라는 식의 일반적인 정의는 현재 구현되어있는 블록체인을 모두 포괄하기 어렵습니다. 그럼에도 가장 대표적인 블록체인들을 기반으로 추상적인 정의를 내려보자면 지분증명은 ‘전체 블록 생성에 관여하는 토큰 중 내가 차지하는 지분만큼의 확률로 새로운 블록을 생성할 권리를 주는 방식’으로 정리해볼 수 있습니다. 무슨 소리인지 쉽게 감이 오지 않는군요. 예시를 통해 알아보겠습니다.
지분증명 예시. 출처: DSRV Research.예를 들어 전체 10,000개의 토큰이 유통되는 블록체인이 있다고 생각해보겠습니다. 이 블록체인 네트워크에 참여하는 검증인, 즉 블록 생성에 관여하는 주체는 모두 A, B, C 셋이며, 각각 100개, 300개, 600개의 토큰을 보유하고 있습니다. 각각의 검증인들은 각자의 토큰을 담보물로 ‘스테이킹’하여 블록 생성과 검증 과정에 참여할 수 있게 됩니다. A, B, C가 각자 보유하고 있는 코인을 모두 스테이킹하여 블록 생성 과정에 참여한다면 전체 블록 생성에 관여하는 토큰, 즉 총 스테이킹량은 1000개가 됩니다. A는 총 1000개 중 100개, 즉 총 스테이킹량에서 1/10의 지분을 차지하고 있습니다. 지분증명 블록체인에서는 다음 블록을 A가 생성할 확률이 A의 지분에 따라 역시 1/10(10%)이 되는 방식으로 구현되어있습니다.
따라서 검증인들이 블록 생성 확률을 높이기 위해서는 이제 하드웨어 성능을 높이는 것이 아니라 지분량을 늘려야 할 것입니다. 더 이상 민수의 가게에 가서 새로운 채굴 장비를 구매하고 관리하거나 말도 안 되는 전기 사용료를 매달 내야 할 필요도 없습니다. 그 돈으로 내가 검증인으로 참여하고 있는 블록체인의 토큰을 추가로 구매하면 됩니다. 어쩌면 더 깨끗한 지구에 한발짝 더 나아간 기분마저 드는 것 같습니다. 채굴 하드웨어가 필요하지 않다는 것은 생각보다 더 큰 의미를 가지는데, 그런 식의 자본 설비는 ‘규모의 경제’적인 성격을 가지기 때문입니다.[7] 작업증명 식 채굴 사업을 하기 위해서는 하드웨어를 설치할 땅과 건물, 충분한 전기가 필요합니다. 이미 몇 년 전부터 채굴 사업을 진행하던 기업은 1000만원이 생기는 순간 더 많은 하드웨어를 설치하여 채굴 확률을 직접적으로 올릴 수 있습니다. 그러나 이제 채굴 사업을 시작하고 싶은 사람은 1000만원으로 땅부터도 사기 어려울 것입니다. 이렇게 더 큰 규모를 가진 주체가 그렇지 않은 주체보다 추가적인 자본을 더 효율적으로 사용할 수 있는 성격 때문에 작업증명은 중앙화로부터 비교적 취약합니다. 지분증명은 이런 식의 규모의 경제적 성격을 훨씬 경감시킴으로써 보다 더 탈중앙화된 네트워크를 만들기 유리합니다.
그렇지만 분명 단점도 존재합니다. 이제 채굴 장비를 사지 않아도 되니, 적은 양의 지분만을 가진 사람도 블록 생성 과정에 참여할 수 있을 것입니다. 이는 엄청나게 많은 노드들이 네트워크에 참여하는 결과로 이어집니다. 기본적인 지분증명 블록체인에서는 최대 검증인 수에 대한 제한이 없습니다. 많은 지분을 가진 사람이 높은 확률로 블록 보상을 받을 수 있다는 원칙만 있을 뿐입니다. 너무 많은 노드가 네트워크에 참여하게 되면, 하나의 블록을 검증하기 위해 서로 통신하여 블록이 유효하다는 합의에 이르기까지 소요되는 시간과 네트워크 대역폭 소모가 크게 증가할 것입니다. 간단히 예를 들면 아래 그림처럼 세 검증인이 합의하기 위해서는 세 번의 통신이 필요하지만 여섯 검증인이 합의하기 위해서는 15번의 통신이 필요합니다. 검증인의 수가 더 늘어날수록 통신의 횟수는 급격하게 증가하게 됩니다.
검증인 수가 늘어남에 따라 필요한 통신의 수도 증가한다. 출처: DSRV Research.따라서 블록체인 네트워크가 탈중앙화되어 검증인의 수가 많아질수록 하나의 블록을 생성하기 위한 시간이 길어지고, 이는 블록체인 네트워크의 처리 속도가 느려지는 결과로 이어집니다.
위임지분증명, DPoS
탈중앙화를 해도 문제, 안 해도 문제군요. 그렇다면 탈중앙성을 어느 정도 포기하고 처리 속도를 높이는 대신, 중앙화된 검증인들을 탈중앙화된 방식으로 ‘컨트롤’할 수 있도록 하면 어떨까요? 이것이 바로 위임지분증명, 즉 DPoS (Delegated Proof of Stake)입니다. 최대 검증인 수를 미리 정해놓고 이들만 블록 생성 과정에 참여할 수 있도록 하는 대신, 이들에게 내 지분을 위임하고 블록 보상도 나누어 가지는 방식입니다.
검증인 수를 줄여 처리 속도를 높이는 위임지분증명. 출처: DSRV Research.어찌 보면 위임지분증명은 간접민주주의처럼 생각해 볼 수 있습니다. 대통령 선거, 국회의원 선거뿐만 아니라 모든 사안에 대하여 개개인이 투표를 통해 의사결정을 해야 한다면 국민 모두가 일 년 내내 투표소에서 살아도 시간이 부족할 것입니다. 그래서 우리는 대리자를 선출하고 그들이 집단을 대표하여 의사결정을 하도록 함으로써 비효율성을 줄이고자 합니다. 위임지분증명 또한 블록 생성에 관여할 수 있는 검증인을 특정수만큼 정해놓고 이들에게 마치 투표하는 것처럼 우리의 지분을 ‘위임’할 수 있도록 합니다.
지분 위임 예시. 출처: DSRV Research.다시 이전 예시로 돌아가 이번엔 A, B, C가 검증인으로 있는 ‘위임지분증명’ 블록체인을 생각해보겠습니다. 사실 기본적인 지분증명 블록체인의 경우 D, E, F 등 지분을 가지고 있는 모든 사람이 원한다면 검증인으로 참여할 수 있었으나, 위임지분증명 블록체인에서 검증인으로 참여할 수 있는 수가 셋으로 한정된다면 D, E, F는 검증인이 될 수 없습니다. 대신 이들은 A, B, C에게 자신이 가진 지분을 위임할 수 있을 것입니다. D, E, F가 각각 50개의 토큰을 가지고 있다고 가정해보겠습니다. 검증인 A, B, C가 운영하는 노드(컴퓨터)가 모두 정상적이고 관리가 잘 된다고 판단한다면 D, E, F는 가장 적은 지분을 가지고 있는 검증인 A에게 토큰을 50개씩 위임하기로 결정할 수 있습니다. 이제 A는 위임된 지분 150개를 포함하여 총 250개의 토큰을 지분으로 가지게 됩니다. 이제 A가 다음 블록을 생성할 수 있는 확률은 250/1150, 즉 약 21%로 기존의 10%에서 11퍼센트 포인트 가량 오르게 됩니다.
A는 위임으로 인해 더 많은 블록 보상을 얻게 되고 C는 같은 지분을 가지고 있었음에도 불구하고 이전보다 더 적은 블록 보상을 얻게 됩니다. 물론, A에게 위임한 D, E, F는 수수료를 제외하고 각각 자신이 위임한 토큰에 대한 블록 보상을 A로부터 재분배받습니다. 복잡한 노드 관리를 하지 않고도 쉽게 블록 보상을 받을 수 있는 것입니다. 이것이 위임지분증명에서 중앙화된 검증인들을 탈중앙화된 방식으로 컨트롤하는 방법입니다. 간접민주주의에서는 한번 국회의원이 선출하면 정해진 임기 동안 일하게 되지만, 위임지분증명의 경우에는 지분의 위임, 재위임(검증인 A에서 검증인 B로 나의 지분을 옮겨 위임하는 것), 위임 취소가 24시간 자유롭기 때문에 특정 검증인이 스스로의 이득을 위해 악의적인 행동을 할 경우, 또는 노드를 제대로 관리하지 못할 경우 즉각적으로 위임량이 줄어들거나 검증인 자격을 박탈당할 수도 있습니다. 즉, 검증인들로 하여금 블록체인 네트워크에서 올바르게 행동하도록 경제적인 유인이 작용하는 것입니다.
마무리
지금까지 작업증명에서 지분증명으로 전환되어가는 이유, 그리고 기본적인 지분증명과 위임지분증명의 차이점까지를 다루어보았습니다. 어떤 방식이 가장 좋은 방식일까요? 독자분들마다 생각이 모두 다를 것 같습니다.
사실 기본적인 지분증명과 위임지분증명은 이것 아니면 저것으로 칼로 딱 잘라 보기보다는 연속적인 스펙트럼으로 생각해볼 수 있습니다. 탈중앙성을 높이고자하는 한쪽 극단에는 기본적인 지분증명, 처리 속도를 향상시키고자 하는 다른 한쪽 극단에는 검증인이 단 한명인 위임지분증명이 있을 것입니다. 블록체인을 만들고자 하는 입장에서는 해결하는 문제가 무엇인지에 따라 스펙트럼상에서 하나의 점을 정해 찍어야 할 것입니다. 블록체인으로 빠른 결제 시스템을 만들고 싶다면 얼마만큼의 탈중앙성을 포기하고 처리 속도를 얼마만큼 높여야할까요? 그렇게 하기 위해서는 검증인을 100명으로 한정해야 할까요? 1,000명으로 한정하면 또 어떨까요?
DSRV Research는 이러한 틀이 현재 블록체인들이 그 목적에 맞도록 탈중앙성과 처리 속도를 잘 조절했는지 평가할 때 독자분들께 도움이 되기를 바랍니다. 또, 이렇게 탈중앙성과 처리 속도의 딜레마를 해결한 신기술이 나왔을 때 그 의미를 깊이 이해하고 모두 같이 기뻐할 수 있게 되기를 바랍니다.
Author
Seokjoong Yoon of DSRV, Research Associate (Twitter @imlearning_eth)
Reviewed by
Owen Yoonjae Hwang of DSRV, Research Lead (Twitter @owenhwang_dsrv)
Youngbin Park of DSRV, Research Associate (Twitter @bin0_0bin)
✅ Key Takeaways
작업증명은 과도한 에너지 소비, 전자 폐기물 발생 등의 지속가능성 문제와 중앙화 문제를 안고 있다.
지분증명은 작업증명의 이러한 문제들을 어느 정도 해결할 수 있다.
위임지분증명은 검증인 수가 한정된 지분증명으로, 중앙화 정도가 높지만 처리 속도는 빠르다.
References
[1] Crypto-miners are probably to blame for the graphics-chip shortage — The Economist
[2] Environmental sustainability key sticking point in EU MiCA bill — Cointelegraph
[3] Bitcoin Mining Council Survey Confirms Sustainable Power Mix
[4] Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index
[5] Pool Stats — BTC.com
[6] Bitcoin Difficulty Chart — Coinwarz
[7] Proof of Stake FAQ — Vitalik Buterin
