이더리움은 어떻게 변화할 것인가: 합병, 확장 및 L2 경쟁 이해하기

저자: echo_z, 체인 찻집

올해 6월로 예정되었던 이더리움 병합(The Merge)이 또 다시 연기되었습니다. 그럼에도 불구하고 병합은 이더리움 업그레이드 과정에서 중요한 이정표로 여전히 올해 가장 주목해야 할 사건 중 하나입니다.

누군가는 "병합"과 "확장성"을 혼동할 수 있지만, 이는 사실 이더리움 업그레이드의 두 가지 단계입니다. "병합"이 해결하는 핵심 문제는 합의 메커니즘을 POW에서 POS로 전환하여 에너지 소비를 줄이는 것이며, 본질적으로 확장성을 가져오지는 않습니다. 반면 확장성은 이더리움의 확장성 문제를 해결하고 처리량을 향상시키는 핵심입니다.

이더리움의 확장성 부족은 항상 그 발전의 최대 걸림돌이었으며, 다른 퍼블릭 블록체인에게 충분한 경쟁 기회를 제공했습니다. 만약 이더리움이 성공적으로 확장된다면, 이는 막대한 잠재력을 발휘할 것이며, 이 글로벌 인프라의 진화는 퍼블릭 블록체인 생태계에 영향을 미치고 심지어 새로운 응용 분야를 낳을 것입니다.

그렇다면 이더리움 확장에서 해결해야 할 핵심 문제는 무엇인지, 현재의 주류 솔루션은 무엇인지, 곧 발생할 "병합"과 여러 Layer2 프로젝트의 등장에 대해 어떻게 이해해야 할까요? 체인 찻집이 이더리움 업그레이드 과정을 정리하여 아래와 같이 요약합니다.

1: "병합"의 논리와 영향

1.1 합의 메커니즘 변화: POW에서 POS로

이더리움 메인넷은 현재 작업 증명(POW) 합의 메커니즘을 채택하고 있으며, 채굴자들은 특정 값을 강제로 해결해야 하며, 소비한 계산 능력을 통해 자신이 대가를 지불했음을 증명해야만 새로운 블록을 생성할 자격을 가집니다. POW는 막대한 에너지 소비를 초래하며, 이는 항상 비판의 대상이 되어왔습니다. 반면 POS는 검증자의 자산 담보를 통해 계산 능력 소비를 대체하여 과도한 에너지를 소비하지 않습니다. 이더리움 로드맵에서 가장 중요한 두 가지 부분은 하나는 POW에서 POS로 전환하여 과도한 에너지 소비를 피하는 것이고, 다른 하나는 위에서 언급한 확장 경로이며, 합의 메커니즘의 변화가 우선적으로 이루어질 것입니다.

2020년 12월, 미래 메인넷의 "신호 체인"이 이미 온라인으로 운영되고 있습니다. 신호 체인은 독립적으로 메인넷에서 안정적으로 블록을 생성하며, 검증자들은 스테이킹을 통해 신호 체인에서 블록 보상을 받을 수 있지만, 아직 실제 기능을 수행하지는 않습니다. "신호 체인"은 "확장성" 경로의 중요한 구성 요소가 될 것이며, 아래에서 자세히 설명하겠습니다.

출처: https://beaconscan.com/

"병합"의 목표는 이더리움 메인넷의 "합의" 논리를 신호 체인에 두고, "실행" 논리는 여전히 기존의 메인넷에서 운영되도록 하는 것입니다. 이러한 변화가 이더리움 운영에 어떤 의미가 있는지 이해하기 위해서는 이더리움의 블록 생성 프로세스를 먼저 이해해야 합니다.

이더리움의 완전한 블록 생성 주기는 다음과 같은 단계로 구성됩니다:

1) "실행": 채굴자는 새로운 거래 요청에서 일부를 선택하여 거래를 실행하고, 거래가 모두 유효한지 검증하며, 로컬 EVM 복사본을 업데이트하여 잠재적인 블록을 생성합니다.

2) "작업 증명": 채굴자는 로컬 실행 및 검증을 완료한 후 블록 생성 자격을 얻기 위해 작업 증명을 시작합니다.

3) "합의": 최종적으로 블록 생성 자격을 얻은 채굴자가 이미 실행된 거래를 전체 네트워크 노드에 방송하고, 다른 노드는 로컬에서 다시 검증하고 실행하여 블록의 유효성을 확인합니다.

4) "다중 저장": 합의가 완료된 후 모든 노드는 EVM 복사본 상태를 업데이트하고 최신 거래 기록을 저장합니다[1].

병합 이후, 위의 "실행"과 "다중 저장"은 변하지 않으며 여전히 기존 이더리움 메인넷에서 운영되며, 채굴자는 신호 체인에서 ETH 스테이커로 대체됩니다. 최소 32개의 ETH를 스테이킹하면 블록 생성 및 검증에 참여할 수 있습니다. 각 블록 생성 주기(12초로 설정됨) 내에서 알고리즘에 의해 블록 생산자가 선택되며, 블록이 생성되고 방송된 후 신호 체인은 검증자 그룹을 할당하여 블록을 검증하고 합의를 완료합니다[8].

원래의 프로세스와 비교할 때, 채굴자는 스테이커로 대체되며, 채굴자의 신뢰 비용은 계산 능력 소비에서 스테이킹 자산으로 바뀝니다. "작업 증명"이 폐지되므로 에너지 소비가 약 99% 감소합니다.

블록 생성 비용이 크게 감소했기 때문에 많은 사람들이 이것이 ETH 수수료의 감소 또는 성능 향상을 가져올 것이라고 오해하지만, 이는 사실 오해입니다. 다음으로 병합이 가져오는 영향을 소개하겠습니다.

1.2 병합의 영향 중 하나: TPS와 수수료는 기본적으로 변하지 않음

많은 사람들의 직관과는 반대로, 병합 이후 블록 생성 비용이 감소했지만 TPS와 수수료는 기본적으로 변하지 않습니다. 그 핵심 이유는 블록 크기와 블록 생성 속도가 기본적으로 변하지 않기 때문입니다. TPS의 논리와 수수료의 가격 책정 메커니즘을 이해하면 이 점을 더 잘 이해할 수 있습니다.

TPS는 초당 거래 수를 의미하며, 각 블록이 수용할 수 있는 거래 수 ➗ 블록 생성 시간으로 계산됩니다. 지난해 8월 EIP-1559가 시행된 후, 단일 블록의 기준 공간은 1,500만 gas(가스는 이더리움에서 작업 소비의 측정 단위)입니다. 수요가 증가하면 단일 블록의 공간 한도는 3,000만 gas에 이를 수 있습니다.

병합 이후 "실행" 단계가 변경되지 않았기 때문에 단일 블록의 공간 크기도 변경되지 않으며, 여전히 원래의 1,500만 기준 및 3,000만 한도를 따릅니다. 블록 생성 속도에 관해서는 현재 이더리움 메인넷은 기본적으로 약 13초마다 블록을 생성하고 있으며, 병합 후에는 12초마다 블록을 생성하도록 변경됩니다. 즉, TPS는 블록 생성 속도가 약 1초 향상되어 최대 10%의 향상을 가져올 수 있습니다.

이더리움의 블록 크기와 블록 생성 속도에 한계가 있는 이유는 노드가 전체를 검증하고 즉시 동기화할 수 있도록 하여 충분한 보안과 탈중앙화를 달성하기 위함입니다. TPS의 한계는 이더리움의 확장성 문제이며, 합의 메커니즘을 변경하여 해결할 수 없습니다.

TPS를 이해하면 수수료의 논리도 명확해집니다. 이더리움의 수수료 가격 책정 메커니즘은 지난해 EIP-1559 시행 이후 큰 변화를 겪었으며, 기본 비용(Base Fee)과 팁(Tips)의 두 부분으로 나뉩니다. 기본 비용은 완전히 수요와 공급 관계에 따라 결정되며, 수요는 사용자가 제출한 거래 요청이고, 공급은 이더리움이 제공할 수 있는 계산 공간입니다. 만약 이 블록이 받은 거래 요청량이 이전 블록이 실제로 처리한 요청량보다 많다면, 다음 블록의 기본 비용은 최대 12.5% 증가합니다. 팁은 채굴자에게 주는 보상으로, 본질적으로 채굴자를 유인하는 경매 메커니즘이며, 역시 수요에 의해 결정됩니다.

기본 비용 상승 예시, 출처: https://ethereum.org/en/developers/docs/gas/

TPS에 본질적인 변화가 없고, 계산 공간이 여전히 제한되어 있기 때문에 병합도 수요와 공급 관계를 변화시킬 수 없으며, 수수료에 영향을 미칠 수 없습니다.

1.3 병합의 영향 중 두 번째: ETH는 미세한 디플레이션이 될 것

현재 ETH는 발행과 소각 메커니즘을 동시에 가지고 있으며, 전체적으로 미세한 인플레이션을 보이고 있습니다. 그러나 병합 이후 발행률이 감소함에 따라 전체적으로 1%~2%의 미세한 디플레이션을 보일 것입니다.

현재 ETH의 발행 메커니즘은 각 블록에서 2개의 ETH가 채굴자 보상으로 발생하며, 현재 블록 생성 속도와 유통 총량을 기준으로 연간 발행률은 약 4.3%입니다. 소각 메커니즘은 1.2절에서 언급한 "기본 비용"이 모두 소각되며, 매년 약 290만 개의 ETH가 소각됩니다. 종합적으로 추정한 전체 인플레이션율은 약 2%입니다.

병합 이후 가장 큰 변화는 블록 보상이 약 90% 감소할 것이며, 연간 소각량이 변하지 않는다고 가정할 경우 전체적으로 약 2%의 디플레이션에 이를 것입니다.

POS와 POW 두 가지 메커니즘 하의 ETH 인플레이션 모델, 체인 찻집 제작

2: 이더리움의 확장성 딜레마

이더리움은 가장 주류의 스마트 계약 플랫폼으로, 보안성과 탈중앙화의 특징으로 유명하지만, 확장성 면에서는 여전히 뒤처져 있습니다. 현재 이더리움의 TPS(초당 처리 가능한 거래 수)는 10~15 사이로, 공급이 부족하고 수요가旺盛하여 경매에 의해 결정되는 수수료가 높게 유지되며, 각 거래에 수 달러에서 수십 달러가 소요됩니다.

이더리움 최근 일주일 TPS, 출처: https://ethtps.info/Network/Ethereum

비교를 위해 BNB의 TPS는 40~50 사이이며, Solana는 1,000+에 달하여 Visa와 같은 수준입니다.

BNB, Sol의 TPS, 출처: https://bscscan.com/; https://explorer.solana.com/

탈중앙화(Decentralization), 보안(Security), 확장성(Scalability) 이 세 가지는 둘 중 하나만 선택할 수 있으며, 이를 블록체인 불가능의 삼각형이라고도 합니다. 이더리움의 초기 선택은 확장성을 포기하여 Web3에서 가장 중요한 가치관에 부합하도록 하는 것이었습니다.

간단하고 강력한 방식으로 확장성을 구현하면 보안성이나 탈중앙화를 희생하게 됩니다. 아래 그림과 같이: 첫 번째 방법은 블록 용량을 확대하는 것이지만, 이렇게 되면 검증자의 작업량도 증가하게 되어, 결국 작업량을 감당할 수 있는 검증자는 데이터 센터에 집중되어 대기업이 통제하게 되어 탈중앙화 특성을 잃게 됩니다. 이것이 이더리움의 현재 블록 용량과 블록 생성 속도가 제한된 이유이며, 이렇게 해야 일반인도 검증에 참여할 수 있습니다. 두 번째 방법은 더 많은 샤드 코인(퍼블릭 블록체인)을 가지는 것이지만, 이렇게 되면 검증이 분산되어 보안성도 비례적으로 감소하게 됩니다.

출처: https://www.youtube.com/watch?v=OJT_fR7wexw

그럼에도 불구하고 이더리움은 확장성 솔루션을 적극적으로 찾고 있으며, 2020년에는 Rollups(롤업) + Sharding(샤딩)을 중심으로 한 확장 경로를 확정했습니다[2].

3: 이더리움 확장 경로------

Rollups + Sharding

이더리움 공식 웹사이트의 현재 분류에 따르면, "확장성"은 온체인과 오프체인 확장으로 나뉘며, 온체인 확장은 "샤딩"(Sharding)으로 이더리움 메인넷의 변경을 의미합니다. 오프체인 확장은 Layer2 및 이더리움 메인넷과 독립적인 기타 다양한 솔루션을 의미합니다.

체인 찻집 제작, 출처: https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/#layer-2-scaling

온체인 확장인 샤딩은 이더리움 메인넷의 변경으로 모든 역사 데이터를 이전해야 하므로 진행 속도가 느리며, 공식적으로는 2023년에 샤딩이 구현될 것으로 예상하고 있습니다. 반면 오프체인 확장의 다양한 솔루션은 이미 구현되었으며, 그 중 롤업은 이더리움 커뮤니티가 선택한 주요 경로이자 확장 로드맵의 단기 초점입니다. 아래에서 오프체인과 온체인 확장을 각각 소개하겠습니다.

3.1 오프체인 확장: 다양한 Layer2 및 롤업의 승리

이더리움 공식 웹사이트의 분류에서 Layer2의 정의는 상대적으로 좁으며, 롤업과 상태 채널(State Channels) 두 가지를 메인넷을 통해 합의를 완료하는 솔루션으로만 정의합니다. 일반적으로 넓은 의미에서 모든 오프체인 확장은 Layer2로 불릴 수 있습니다.

여기 몇 가지 솔루션을 간단히 소개합니다:

1) 롤업: 이더리움 메인넷 외부(즉, 오프체인)에서 거래 실행을 완료한 후, 여러 거래를 패키징하여 메인넷에 게시하고, 메인넷에서 합의를 완료합니다. 계산 실행을 오프체인에 두고 일부 데이터를 압축하여 체인에 반환함으로써 메인넷 공간의 활용을 줄입니다.

롤업에서 패키징하여 게시하는 정보에는 반드시 다음이 포함되어야 합니다: a) 상태 루트(State Root), 거래 완료 후 모든 계좌 잔액을 나타내며, 거래 결과 상태입니다; b) 거래 정보, 즉 A가 B에게 얼마나 송금하는지에 대한 거래 지시입니다. 이 두 부분의 정보를 통해 메인넷 노드는 롤업의 거래 기록을 전체적으로 검증할 수 있으므로 롤업의 보안성은 메인넷의 보증을 받을 수 있습니다. 이는 매우 중요한 점이며, 롤업이 플라스마(Plasma)/발리디움(Validium)와 구별되는 이유입니다.

출처: https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

롤업은 두 가지로 나뉩니다. 하나는 옵티미스틱 롤업(Optimistic Rollups)으로, 사기 증명(Fraud Proof)을 사용하여 도전 메커니즘을 설정하고, 검증자가 문제 있는 거래에 대해 도전할 수 있도록 하며, 도전받은 거래는 L1 메인넷에서 다시 실행해야 합니다. 모든 거래가 정상적인 경우에 합법적이라고 가정하므로 "낙관적 롤업"이라고 불립니다. 다른 하나는 ZK 롤업(ZK Rollups)으로, 유효성 증명(Validity Proof)을 사용하여 L1 메인넷에 제출되는 모든 거래가 제로 지식 증명을 통과해야 합니다.

옵티미스틱 롤업의 암호 기술 솔루션은 성숙하여 EVM과 호환되며, 가장 먼저 구현된 롤업으로, 대표적인 프로젝트로는 아비트럼(Arbitrum)과 옵티미즘(Optimism)이 있습니다. ZK 롤업은 L1에 업로드해야 할 데이터가 더 간결하므로 거래 실행이 더 빠르고 효율적이지만, 기술적 난이도가 높아 EVM과 자연스럽게 호환되지 않으며, 개발자에게는 이전 비용이 높습니다.

2) 상태 채널: 참여자는 다중 서명 계약을 통해 오프체인에서 여러 거래를 완료하고, 금액을 누적하여 최종 거래를 메인넷에 기록합니다. 그러나 이 솔루션의 적용 범위는 매우 제한적이며, 네트워크 참여자만 사용할 수 있고, 복잡한 거래에서는 매우 많은 금액을 스테이킹해야 합니다.

3) 사이드체인: 메인넷과 독립적인 EVM 호환 체인으로, 양방향 브리지를 통해 메인넷과 연결할 수 있지만, 그 합의 논리와 블록 매개변수는 메인넷과 무관합니다. 완전히 독립적이기 때문에 보안성을 메인넷의 보증을 받을 수 없으며, 대표적인 프로젝트로는 폴리곤(Polygon)이 있습니다.

4) 플라스마: 보안 수준이 더 낮은 옵티미스틱 롤업과 유사합니다. 플라스마는 무한 개의 서브 체인을 가질 수 있는 블록체인으로, 각 서브 체인은 나무의 가지와 유사하게 일부 거래를 실행하며, 모든 거래 상태는 최종적으로 해시 값으로 요약되어 L1에 게시됩니다. 그러나 이 해시 값으로는 모든 거래 기록을 복원할 수 없으며, 과정 중의 거래 정보는 각 서브 체인, 즉 각 가지에 저장되므로 검증 노드는 서브 체인에 있는 모든 블록이 충분한 데이터 유효성 증명을 가지고 있는지 확신할 수 없습니다. 어떤 블록의 정보가 유효한지 확인할 수 없으면 전체 체인의 거래 기록이 위기에 처하게 되며, 이를 데이터 가용성 문제(The Data Availability Problem)라고 합니다[3].

출처: http://plasma.io/plasma-deprecated.pdf, P10

플라스마와 옵티미스틱 롤업은 두 가지 유사점이 있습니다. 하나는 계산을 오프체인에 두었고, 다른 하나는 사기 증명을 사용한다는 것입니다. 그러나 그 핵심적인 차이는 롤업이 압축 후 업로드하는 데이터가 여전히 전체 거래 기록을 포함하고 있는 반면, 플라스마는 포함하지 않는다는 것입니다.

5) 발리디움: 보안 수준이 더 낮은 ZK 롤업과 유사하며, 역시 제로 지식 증명을 사용하지만 데이터는 L1에 저장되지 않습니다. 대표적인 프로젝트로는 스타크웨어(StarkWare) 기술을 사용하는 이뮤터블 X(Immutable X)와 데버시파이(DeversiFi)가 있습니다.

전반적으로 롤업은 보안성이 가장 높고, 적용 범위가 넓은(상태 채널처럼 네트워크 참여자만 사용할 수 있는 것이 아님) 오프체인 확장 솔루션입니다. 따라서 샤딩이 구현되기 전까지 롤업은 가장 중요한 확장 경로로 여겨집니다.

아래 그림은 일부 주류 Layer2 프로젝트를 보여주며, 사실 롤업이 가장 널리 채택된 기술임을 알 수 있습니다. 기술이 성숙한 옵티미스틱 롤업은 적용 범위가 더 넓어 모든 스마트 계약을 대상으로 할 수 있는 반면, ZK 롤업은 EVM 호환성의 한계로 인해 사용 시나리오가 종종 제한됩니다.

출처: https://l2beat.com/

주목할 점은 TVL 순위 5위인 메티스(Metis)는 모든 거래 데이터를 체인에 두지 않고 오프체인 분산 저장 프로젝트인 MEMO를 통해 저장하여 초저렴한 수수료를 실현했지만 데이터 가용성을 희생했기 때문에 "옵티미스틱 체인"으로 분류되었습니다.

메티스의 선택은 롤업의 한 가지 문제를 반영합니다: 여전히 L1에 거래 데이터를 게시해야 하므로, 그 확장성은 이더리움 메인넷의 저장 공간에 제한됩니다. 롤업이 할 수 있는 것은 가능한 적은 데이터를 압축하여 L1에 업로드하여 처리량을 향상시키는 것입니다.

이 점에서 ZK 롤업은 옵티미스틱 롤업보다 더 유리합니다. ZK 롤업은 제로 지식 증명을 통해 검증 문제를 해결하므로, L1에 게시되는 모든 거래 데이터는 이미 검증을 받았기 때문에 일부 거래 정보가 단순히 검증을 위한 것이라면, ZK 롤업에서는 이 정보를 오프체인에 두어도 되지만, 옵티미스틱 롤업에서는 사기 증명에서 조회할 수 있도록 체인에 두어야 합니다[4]. ZK 롤업은 옵티미스틱 롤업보다 체인 상 공간을 더 절약합니다.

아래 그림은 여러 L2의 수수료 비교를 보여줍니다(메티스를 여전히 L2로 분류한다고 가정할 경우). 메인으로 프라이버시를 강조하는 아즈텍(Aztec)과 논란이 있는 메티스를 제외하고, ZK 계열의 루프링(Loopring)/ZKSync/폴리곤 헤르메즈(Polygon Hermez)의 수수료는 모두 OP 계열의 옵티미즘(Optimism)/보다(Boba)/아비트럼(Arbitrum)보다 낮습니다.

출처: https://l2fees.info/

그렇다면 롤업이 TPS를 얼마나 향상시킬 수 있을까요? 간단히 말해, 롤업이 메인넷의 모든 공간을 차지한다고 가정할 경우, 이론적 한계는 약 메인넷의 100배[5]에 이를 수 있습니다. ZK를 한계로 추정하면, ETH를 전송하는 거래는 약 12바이트가 필요하며, 메인넷에서는 약 110바이트가 필요하고, ZK가 필요한 증명 공간은 극히 적어 단일 ZK의 패키징 데이터가 검증에 필요한 추가 공간은 이더리움 블록 공간의 5%도 차지하지 않으므로 대략적으로 TPS는 메인넷의 100배로 계산할 수 있습니다. 현재 메인넷의 일일 TPS는 약 15, 이론적 한계 TPS는 약 100이므로 ZK 롤업의 이론적 한계 TPS는 약 10,000입니다.

물론 10,000 TPS는 매우 이상적인 숫자로, 거의 도달할 수 없습니다. 첫째, 단일 이더리움 블록 내에 단일 패키징 거래만 존재하는 것은 매우 어렵고, 여러 거래가 존재하면 검증에 필요한 공간도 증가합니다. 둘째, 메인넷은 이론적 한계를 지속적으로 유지할 가능성이 낮습니다. EIP-1559 시행 이후 블록 공간에 대한 수요가 지속적으로 증가하면 수수료도 계속 상승하여 사용자가 감당할 수 없게 됩니다[6].

옵티미즘의 최근 송금 데이터를 보면, 가장 간단한 ETH 송금은 약 5~6배 TPS를 향상시킬 수 있습니다. 아래는 가장 간단한 ETH 송금 거래의 예로, 이더리움 메인넷에서 발생할 경우 21,000 gas를 소모하지만, OP에서는 메인넷의 약 3,800 gas만 소모되었습니다.

출처: https://optimistic.etherscan.io/tx/10153071

요약하자면, 롤업은 이론적으로 메인넷 TPS를 100배 향상시킬 수 있지만, 현실적으로 옵티미스틱 롤업은 약 몇 배 향상시킬 수 있으며, ZK 롤업은 수십 배 향상시킬 수 있습니다.

안전성과 탈중앙화를 유지하면서 이더리움 메인넷의 저장 공간을 확대하고 TPS를 더욱 향상시킬 수 있는 방법이 있을까요? 이것이 샤딩의 의미입니다.

3.2 온체인 확장: 샤딩의 원리 및 의미

TPS를 계속突破하려면 메인넷의 저장 공간을 확장해야 하며, 샤딩은 이를 실현하기 위한 기술 솔루션입니다.

샤딩 솔루션에서 메인넷은 신호 체인(Beacon Chain)이라고 불리며, 메인넷 위에 64개의 분할(Shards)이 있어 블록을 생성하고 정보를 저장합니다. 각 블록 생성 주기 내(슬롯, 12초로 설정됨)마다 각 분할 내에서 무작위로 제안자가 생성되어 분할 블록(Shard blob)을 생성하고 메인넷에 방송합니다[7].

출처: https://hackmd.io/@vbuterin/sharding_proposal

샤딩의 아이디어는 롤업과 유사하여 메인넷 외부의 데이터 계층을 통해 데이터를 저장하고 공간을 해방하지만, 샤딩은 두 가지 기술을 사용하여 롤업과 차별화되며, 다음과 같은 목적을 달성합니다: 단일 노드는 거래 기록을 검증하기 위해 전체 데이터를 다운로드할 필요가 없습니다.

첫 번째 기술은 검증 위원회의 무작위 선택입니다. 각 분할 블록에 대해 전체 검증자를 무작위로 섞어 일회성 검증 위원회를 구성하여 해당 분할 블록을 검증합니다. 이 무작위성은 악의적인 자가 자신이 매수한 검증자를 모두 동일한 위원회에 배치하여 검증하기 어렵게 보장합니다. 악의적인 자가 1/3 이상의 검증자를 통제하지 않는 한 불가능합니다.

출처: https://hackmd.io/@vbuterin/sharding_proposal

두 번째 기술은 데이터 가용성의 무작위 샘플링입니다. 즉, 각 클라이언트는 분할 블록을 검증할 때 전체 데이터를 다운로드할 필요가 없으며, 무작위로 분할 블록의 일부를 샘플링하여 최소 50%의 데이터 유효성을 검증합니다.

출처: https://hackmd.io/@vbuterin/sharding_proposal

위의 단계를 통해 샤딩은 무작위 샘플링된 일부 노드와 무작위 샘플링된 일부 데이터의 검증을 수행하며, 현재처럼 노드가 메인넷의 전체 데이터를 검증할 필요가 없도록 하여 메인넷의 확장을 실현합니다.

그렇다면 샤딩은 얼마나 많은 확장을 기여할 수 있을까요? 현재 설계에 따르면, 64개의 분할이 있으며, 각 분할은 12초의 블록 생성 주기 내에 약 250KB의 데이터 블록을 생성합니다. 즉, 매 12초마다 16MB의 데이터를 수용할 수 있으며, 매초 약 1.3MB의 데이터를 수용할 수 있습니다. 현재 ETH 메인넷 상태와 비교하면, 각 블록의 목표 수용 공간은 1,500만 gas이며, 가장 간단한 ETH 송금은 약 110바이트가 필요하고, 2.1만 gas를 소모합니다. 평균 13초마다 블록이 생성된다고 가정하면, 현재 메인넷은 매초 약 77KB의 데이터를 수용할 수 있습니다. 따라서 샤딩은 약 17배(1.3MB/77KB)의 성능 향상을 가져올 수 있습니다.

샤딩은 아직 명확한 시간 예측이 없습니다. 공식적으로는 2023년으로 계획되어 있지만, 병합이 여전히 계획대로 진행되지 않고 있는 점을 고려할 때, 2023년의 예측은 너무 낙관적일 수 있습니다. 현재의 확장은 L2를 통해 실현해야 합니다.

3.3 L2 주요 프로젝트 개요

아비트럼(Arbitrum), 옵티미즘(Optimism), ZKSync, 스타크넷(StarkNet)은 현재 가장 주류의 네 가지 L2 프로젝트입니다. 프로젝트의 기본 정보를 정리해보면:

1) OP 계열이 더 성숙하여, 아비트럼이 TVL 1위를 차지하고 있으며, ZK 계열의 ZKSync, 스타크넷과는 큰 차이를 보입니다. ZK 계열은 기술적 난이도가 높고, EVM과 자연스럽게 호환되지 않으며, 생태계 발전이 느립니다.

2) OP 계열과 ZK 계열 모두 강력한 자본력이 뒷받침되고 있습니다. 지난해 9월 아비트럼의 가치는 12억 달러에 달했으며, 올해 5월 스타크넷 모회사는 80억 달러의 가치로 Web3를 놀라게 했습니다. 주요 암호화폐 투자 기관인 a16z/Paradigm은 OP 계열과 ZK 계열 프로젝트 모두에 투자하고 있습니다. 옵티미즘은 방금 토큰을 발행했으며, 초기 성과는 좋지 않았지만 FDV는 여전히 50억 달러입니다. 그 외에도 세 개의 프로젝트는 아직 토큰을 발행하지 않았으며, 이는 앞으로 기대할 수 있는 잠재적인 에어드랍입니다.

주류 L2 프로젝트 개요, 체인 찻집 제작

4. 결론

이더리움의 "합의 논리 변화"와 "확장성"은 이더리움 업그레이드의 두 가지 주요 주제를 구성하며, 본문에서는 이 두 부분을 다루어 합의 논리의 변화와 영향, 다양한 확장 솔루션 및 그 구현 정도를 소개했습니다.

이더리움 병합(The Merge)의 목적은 합의 논리를 POW에서 POS로 전환하여 에너지 소비를 크게 줄이는 것입니다. 그러나 실행 논리는 변하지 않으며, 이더리움의 계산 저장 공간을 변경하지 않기 때문에 TPS와 수수료에는 기본적으로 영향을 미치지 않으며, 병합 이후 ETH의 발행률이 크게 감소하여 미세한 디플레이션을 초래할 것입니다.

이와 동시에 이더리움의 확장성(Scaling) 과정이 진행되고 있으며, 이는 이더리움의 처리 성능/TPS를 향상시키기 위한 것으로, 공급 능력이 향상된 후에야 수요와 공급 관계에 따라 결정되는 수수료가 감소할 수 있습니다. 확장성은 온체인과 오프체인으로 나뉘며, 온체인은 이더리움 메인넷 운영 논리의 변경을 의미하며, 샤딩(Sharding) 솔루션을 채택하여 메인넷에서 64개의 서브 블록체인 분할을 두고 운영하지만, 구현까지는 여전히 먼 길이 남아 있습니다. 이 솔루션이 구현되기 전까지 이더리움 커뮤니티는 오프체인 확장 중 롤업(Rollups) 솔루션을 중단기 경로로 삼고 있으며, 이 분야에서 네 가지 주요 L2 프로젝트가 이미 등장하여 각 프로젝트의 가치는 수십억 달러에 달합니다.

흥미로운 질문은 롤업과 샤딩이 미래에 어떻게 결합될 것인가입니다. 비탈릭의 이상적인 가정은 두 가지의 효용이 중첩될 것이라는 것입니다: ZK 롤업은 이론적으로 TPS를 약 100배 향상시킬 수 있으며, 샤딩은 이론적으로 약 20배 향상시킬 수 있습니다. 만약 ETH의 TPS가 50(현재 약 15)이라면, 미래 이더리움의 TPS 이론적 한계는 약 10만에 이를 것이며, 이는 1,000~4,000인 Visa를 훨씬 초과하는 수치입니다. 그러나 이 가정은 너무 이상적이며, 거의 실현 가능성이 없습니다.

현실적인 추정 결과는 현재 OP 롤업이 TPS를 약 5배 향상시킬 수 있으며, ZK 롤업은 수십 배 향상시킬 수 있다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 ZK의 성능 향상 능력은 여전히 주목할 만하며, OP보다 훨씬 뛰어납니다. 그러나 EVM을 자연스럽게 지원하지 않고 사용 시나리오가 제한되어 있기 때문에 생태계는 OP에 비해 뒤처져 있습니다. 만약 ZK가 EVM에 대한 친화적인 호환성을 실현하고 잠재력을 완전히 발휘한다면, OP 생태계는 타격을 받을 수 있습니다. 심지어 그때는 단순히 ZK를 통해 약 1,000 TPS를 실현할 수 있을지도 모르며, 샤딩이 여전히 필요한지 여부는 불확실합니다.

이더리움의 병합은 연기되었지만, 2022년 말까지 POW 메커니즘의 종말이 실현될 것으로 보입니다. 동시에 L2 프로젝트들이 준비 중이며, 여러 프로젝트가 곧 토큰을 발행할 예정이므로 새로운 사용자와 자금을 유치할 것으로 예상됩니다. 이더리움의 업그레이드 길은 멀지만, 결국 퍼블릭 블록체인 생태계에 영향을 미칠 것입니다.