확장성은 무엇이고 블록체인은 확장성 문제를 어떻게 해결하고 있나요?

확장성이란?

블록체인은 제 3자의 개입 없이 거래를 기록하는 공개 원장으로 알려져 있습니다. 블록체인에 저장된 거래 기록은 노드가 검증합니다. 그러나 블록체인 기술에는 확장성 문제가 있습니다. 일부 블록체인은 거래 검증에 오랜 시간이 걸리는 겁니다..

블록체인 TPS (초당 거래량)은 일반적으로 비자와 같은 중앙집중형 기관보다 낮습니다. 예를 들어, 비트코인(BTC)은 4.6 TPS의 속도로만 처리할 수 있는 반면, 비자는 그보다 더 높은 속도(17,000 TPS)로 거래를 검증합니다. 비트코인은 낮은 TPS때문에 거래를 대량으로 처리할 수 없는 블록체인이 되었고 결과적으로 거래가 느려졌습니다.

이 문제는 비트코인 블록체인 블럭 사이즈가 1Mb가 제한되어 있기 때문에 더욱 악화되었습니다. 보통, 블록 사이즈가 작으면 각 블록이 진행할 수 있는 거래의 수도 제한됩니다. 뿐만 아니라 비트코인의 경우 블록체인이 거래를 증명하고자 할 때마다 체인상의 모든 거래 기록을 다운로드 해야 합니다. 따라서 블록체인 확장은 블록체인 사이즈가 성장하고 메모리 공간을 많이 차지할수록 더 많은 시간을 소모하게 됩니다.

안타깝게도, 비트코인과 다른 블록체인은 단순히 네트워크에 노드를 더한다고 확장이 이루어지지 않습니다. 각 블록체인은 저마다의 성능 한계가 있습니다. 결국 블록체인이 네트워크 성능 개선 필요성에 따라 다양한 확장성 솔루션을 구축하게 됩니다. 아래 그림처럼 확장성 솔루션은 읽기 성능(read performance)과 쓰기 성능(write performance), 그리고 저장으로 나눌 수 있습니다. 블록체인 레이어에 따라 확장성 솔루션은 다르게 제안될 수 있습니다(아래 그림 참고). 확장성 솔루션의 복잡성 때문에 우선 데이터 레이어를 위한 확장성 솔루션만 이야기 해 보겠습니다. 여기에는 온체인(on-chain)과 오프체인(off-chain) 솔루션이 포함됩니다.

블록체인 확장성 솔루션 개요 (출처: Elsevier)

확장성 문제를 야기하는 요인은 무엇일까?

많은 개발자들은 블록체인 확장 방법을 강구하고 있지만 세 가지 난관에 봉착하곤 합니다. 바로 블록체인의 보안, 탈중앙화, 확장성을 모두 유지하기가 매우 어렵다는 점입니다. 예를 들면 프라이빗 블록체인, 확장성, 보안은 함께 달성할 수 있지만 탈중앙화는 포기해야 합니다. 반면, 방향성 비순환 그래프 (directed acyclic graphs,DAGs) 기반 블록체인은 확장성과 탈중앙화를 실현할 수 있지만 네트워크 보안은 조금 떨어집니다. 또한,  퍼블릭 블록체인은 보안과  탈중앙화는 해결하지만 확장성은 포기해야 합니다.

확장성 문제 논의율(출처: MDPI)

연구에 따르면 블록체인 확장성을 위한 생산성 관련 논의가 크게 진행되어 왔습니다(위의 그림 참조). 뿐만 아니라 확장성에 영향을 미치는 요인들은 상호 연결성을 지닙니다. 예를 들어 합의 성능이나 블록 사이즈는 생산량과 지연율에 영향을 미칩니다. 이러한 요인을 보다 상세히 설명해보겠습니다:

• 생산량: 생산량은 프로토콜이 초당 다룰 수 있는 총 거래량을 말합니다(TPS). 생산량은 사람들이 일반적으로 블록체인의 확장성을 비교할 때 언급하는 수치입니다. 앞서 언급한 것처럼, 중앙집중형 기관으로서 비자는 탈중앙화 블록체인인 비트코인보다 극단적으로 높은 TPS를 자랑합니다. 즉, 대량 거래를 효율적으로 다룰 수 있다는 뜻입니다.

• 지연성(Latency): 지연성은 거래 최종성으로 알려져 있는데 거래 검증에 도달하는 데 필요한 시간을 의미합니다. 지연성이 낮을수록 거래 검증 과정은 보다 효율적인 것이 보통입니다.
• 블록 사이즈: 블록 사이즈는 블록 저장을 말합니다. 예를 들어 비트코인 블록 사이즈는 거래 저장 당 1MB입니다. 블록 사이즈가 클 수록, 거래를 더 많이 저장할 수 있어 생산량을 강화할 수 있습니다. 그러나 처리해야 하는 거래가 많아지면 연산 에너지도 더 많이 필요합니다. 블록체인은 또한 용량 초과 블록은 저부할 수 있습니다.
• 노드: 블록체인 내 노드는 풀(full) 노드와 부분(partial) 노드로 나눌 수 있습니다. 보통 노드는 거래 수가 높을 수록 더 많이 필요합니다. 그러므로 노드의 수가 생산량과 지연성에 어느정도 영향을 미치게 되고, 이는 다시 네트워크의 확장성을 반영하게 되는 겁니다.
• 저장: 저장은 블록체인의 총 용량을 말합니다. 저장 증가는 노드 및 거래와 높은 연관성을 지닙니다. 풀 노드는 부분 노드보다 더 많은 저쟝을 필요로 합니다. 부분 노드는 저장은 덜 필요한 대신 블록체인의 작업량을 증가시켜 생산량에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 연산 에너지: 연산 에너지는 채굴에 사용되는 에너지를 말합니다.에너지 소비는 모두 다르고 크게는 합의 모델에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 작업 증명(PoW) 합의 모델로 가동되는 블록체인은  지분 증명(PoS) 기반의 블록체인보다 더 많은 에너지를 소비합니다.
• 비용: 비용은 거래 검증에 소요되는 총 비용을 말합니다. 채굴자는 더 높은수수료를 획득할 수 있는 거래를 선택하여 검증합니다. 그러므로 수수료가 낮은 거래를 검증할 때 드는 시간이 길어질 수 밖에 없습니다.

가용성 데이터 레이어 기반 확장성 솔루션은 무엇일까?

가용한 확장성 솔루션은 블록 생선 시간, 거래 비용, 메모리(저장) 문제를 해결하고자 설계된 솔루션입니다. 이러한 문제에 근거하여 온체인 확장성과 오프체인 확장성 솔루션이라는 하위 그룹이 각각 형성됩니다. 뿐만 아니라 블록체인 확장성은 레이어 별로 개발될 수도 있습니다. 네트워크 레이어(레이어 0), 온체인(레이어 1), 오프체인(레이어 2) 등입니다. 레이어 1과 2에 대한 솔루션이 가장 흔합니다.

온체인 확장성은 기존의 블록체인 요소를 변경합니다. 예를 들어 비트코인 언리미티드(Bitcoin Unlimited)는 온체인 확장성 솔루션으로 블록 사이즈를 증가시킵니다. 그러나 블록 사이즈가 커지면 보안성은 낮아집니다. 채굴자가 블록을 해체할 수 있기 때문입니다. 채굴자는 더 커지고 중앙집중도가 높아진 블록을 단시간에 해체할 수도 있습니다. 온체인 솔루션의 하위 집단에는 블록 데이터 감소(소프트포크(soft fork)), 블록 사이즈 증가 (하드포크), 샤딩(sharding) (수평형 확장성), DAG가 포함됩니다. 이 중 가장 뒤에 있는 두 가지 샤딩과 DAG를 아래에서 설명해보겠습니다.

• DAGs 기반 확장성: 방향성 비순환 그래프(DAGs)는 과거 거래 기록으로 거래를 검증합니다. DAG는 검증에 채굴자나 유저 스테이킹을 활용하지 않습니다. 따라서 네트워크 수수료는 낮아집니다.  뿐만 아니라 DAG 노드의TPS는 1만에 도달할 수 있으며 이중 지출(double-spending)을 제거합니다. DAG 기반 프로젝트의 예는 IOTA(MIOTA) 입니다. 더 나아가 DAG 기반 네트워크가 더 커져도 거래 검증율을 방해하지 않습니다. 그러므로 DAG는 탈중앙화와 확장성을 낮은 수수료에 달성할 수 있게 됩니다. 그러나 DAG는 악의적인 공격에 대한 보안이 더 취약합니다.
• 샤딩: 샤딩은 거래를 다수의 샤드로 쪼개어 다수의 노드가 거래를 처리하고 처리 시간을 줄일 수 있게 만듭니다. 그러나 블록체인은 여러 샤드가 악의적인 검증자의 목표가 되지 않도록 보안을 제공해야 합니다. 뿐만 아니라 샤딩은 오리지널 샤드 내에 있는 거래에 대해서만 효율적인 작업을 할 수 있습니다. 이러한 솔루션을 사용하는 블록체인의 예는이더리움(ETH)과 래피드체인(RapidChain)입니다.

오프 체인 확장성은  메인넷 외부의 거래를 검증합니다. 또한 최종 상태만이 메인넷과 소통할 수 있으며 이를 상태 채널(state channels)이라 부릅니다. 예를 들어 비트코인의 라이트닝 네트워크(Lightning Network)가 유저 거래 시 오프체인 채널 사용을 완료한 후애만 수수료를 청구하는 겁니다. 그러면 블록체인 거래 수수료는 감소합니다. 오프체인 솔루션 내에 다른 하위 집단도 있습니다. 그 중 일부를 상세하게 소개하자면 다음과 같습니다.

• 사이드체인 확장성: 사이드체인 확장성을 통해 모체인과 사이드체인 간 양방향 자산 전송이 가능합니다. 사이드체인은 단순화된 지불 검증(SPV)을 활용하여 거래를 검증합니다. 뿐만 아니라 모체인에서 사이드 체인으로의 자산 전송은 출력에 의존할 수 있습니다. 거래 정보를 담은 출력은 모체인이나 사이트 체인의 SPV 증명을 통해서만 언락(unlocked)될 수 있습니다. 또한, SPV 증명은 모체인의 사이드체인 검증자와 소통합니다. 예를 들어 룸 네트워크(LOOM)는 블록체인에 사이드체인을 사용합니다.
• 하위체인(child-chain) 확장성: 하위체인은 모체인의 노드와 연결됩니다. 각 하위체인은 자신의 합의 프로토콜을 통해 거래를 처리합니다. 모체인은 하위체인에서 통신한 거래 완결도를 기록합니다. 또한, 모체인은 하위 체인을 보호하는 역할도 합니다. 하위체인을 사용하는 프로젝트의 예로 이더리움 플라즈마를 들 수 있습니다.

• 인터체인(interchain) 확장성: 인터체인은 로컬 구간 네트워크(LAN)을 복제합니다. 모든 네트워크와 호환할 수 있는 공동의 프로토콜을 통해 다수의 블록체인을 함꼐 연결하는 겁니다. 인터체인은 하위체인과 노드로 구성됩니다. 합의 방법은 다양할 수 있습니다. 예를 들어, 코스모스 (ATOM)는 실용적 비잔틴장애허용 (Practical Byzantine Fault Tolerance)(PBFT)과 지분증명(PoS)와 함께 인터체인을 합의에 사용합니다

인터체인의 구조(출처: Elsevier)

확장성의 미래는?

확장성 솔루션 개발은 주로 탈중앙화, 확장성, 보안 간의 균형을 추구하는 데 중점을 두고 있습니다. 온체인 확장성 측면에서 변경사항은 체인의 코드 베이스에서 이루어지기 때문에 하드포크나 노드 업그레이드로 해결하게 됩니다. 그러나 실행은 쉽지 않습니다. 그러므로 세그위트(Segwit)나 소프트포크가 가장 실현 가능한 솔루션이 됩니다. 그 이유는 거래 검증에 활용되는 시그니처 데이터가 블록체인 공간의 대부분을 차지한다는 데 있습니다. 하지만 이 방법을 선택하면 보안은 포기해야 합니다. 또 다른 솔루션은 샤딩입니다. 블록체인을 다수의 샤드로 쪼개서 확장성을 강화하는 겁니다. 샤딩이 하나의 네트워크를 다수의 조각(샤드)로 쪼개기 때문에 네트워크는 높은 수의 거래를 처리할 수 있게 됩니다. 샤드가 동시에 거래를 처리하는 방식이기 때문에 지연성은 큰 문제가 되지 않습니다. 오프체인 솔루션의 경우, 프로젝트는 라이트닝 네트워크를 통해 백만 TPS를 달성할 수 있고 플라즈마를 통한다면 TPS는 무한대로 증가됩니다. 확장성 솔루션의 통합으로 다수의 프로젝트가 직면한 확장성 문제를 해결할 수 있을 겁니다. 그렇게 되면 유저가 느린 거래 속도와 높은 네트워크 수수료를 감당하지 않아도 됩니다.

결론

블록체인은 노드의 수와 블럭 사이드 제한과 같은 기저 기술의 특성 때문에 확장성 문제에 직면했습니다. 그 결과, 블록체인은 TPS가 낮고 대량 거래를 해결할 수 없어 결국 느린 거래 속도와 높은 네트워크 수수료 문제에 부딪히는 경우가 많습니다. 따라서 다양한 확장성 솔루션을 채택하게 됩니다. 그러나 확장성에 영향을 미치는 요인들은 상호연결되어 있기 때문에 확장성을 얻고 다른 요인을 포기하게 되는데 그러한 결정을 내리기란 쉽지 않습니다. 데이터 레이어에 구축된 확장성 솔루션의 예로 온체인, 오프체인 확장성 솔루션인 DAG, 샤딩, 사이드체인 등을 들 수 있습니다. 이러한 확장성 솔루션은 각각 장,단점을 지니고 있는데 결국 블록체인의 세 가지 난관 중 어느 하나를 해결하면 다른 하나는 포기하는 셈이 됩니다. 전체적으로 블록체인 확장성 솔루션의 개발은 샤딩과 오프체인 지불 채널 방향으로 가는 모습입니다.