모듈화 블록체인——이더리움이 “세계 컴퓨터”가 되는 공학적 방안

저자：IOBC Capital

블록체인의 모듈화 트렌드

2022년 현재 Crypto의 발전 추세를 바라보면, 이 시점에서 L1 새로운 공공 블록체인을 만드는 것은 다소 무리일 수 있으며, 모듈화 블록체인의 서사는 무시할 수 없습니다.

The Merge 이후, Ethereum의 발전 경로는 점점 모듈화 블록체인(Modular Blockchain) 방향으로 기울어지고 있습니다. 모듈화 블록체인은 단일 블록체인(Monolithic Blockchain)과의 주요 차이점은 다음과 같습니다: 단일 블록체인은 하나의 기본 합의 계층에서 실행, 정산, 합의 및 데이터 가용성의 네 가지 기능을 동시에 구현하는 반면, 모듈화 블록체인은 이러한 기능 구현을 담당하는 여러 모듈로 나뉩니다. 사실, 이더리움만이 모듈화 아키텍처를 계획하고 있는 것은 아닙니다: 모듈화 블록체인 개념을 처음 제안한 Celestia는 Cosmos 생태계를 기반으로 Rollups를 위한 데이터 가용성 계층을 구축하고 있으며; Tezos도 Rollup 중심의 로드맵을 수용하고 있습니다; NEAR도 데이터 가용성 샤딩을 설계하고 있습니다. 본문에서는 주로 이더리움의 모듈화 추세에 대해 논의합니다.

이더리움의 혼잡 현상은 단일 블록체인의 단점을 반영하고 있습니다------확장성이 낮고, 맞춤화가 불가능하며, 비용이 높습니다. 단일 블록체인의 문제는 합의 계층에서 많은 다양한 작업을 수행해야 하며, 그 중 하나의 기능만 최적화하는 것으로는 블록체인의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 없다는 것입니다. 비유적으로 말하자면, 단일 블록체인은 4개의 나무판으로 구성된 나무통과 같으며, 그 용량(성능)은 가장 짧은 나무판에 의해 결정됩니다. 하나의 속성이 짧으면 전체 성능에 단점이 생기고, "블록체인은 불가능한 삼각형"이 모든 속성이 동시에 극한 발전을 이루는 가능성을 제한하기 때문에, 단순히 단일 블록체인 기반의 사고로 확장을 시도하는 것은 이더리움의 난제를 해결할 수 없습니다.

모듈화 혼합 확장: layer1(데이터 샤딩) + layer2(롤업)

실제로 모듈화 블록체인은 본질적으로 혼합 확장 솔루션입니다. 제6회 블록체인 글로벌 서밋에서 Vitalik의 발표 주제는 "이더리움 제2층 프로토콜 생태의 부상"이었으며, Vitalik은 이더리움 생태계에서 단순히 Layer1 확장 또는 Layer2 확장이 아니라 혼합 확장 방식을 채택하고 있다고 언급했습니다. 모듈화 블록체인의 본질은 layer1과 layer2 혼합 확장과 유사합니다.

이더리움의 모듈화 아키텍처

이더리움의 모듈화 아키텍처 설계는 주로 네 가지 계층으로 나뉩니다: 실행 계층, 정산 계층, 합의 계층, 데이터 가용성 계층. 현재 많은 경우 업계에서는 실행 계층과 정산 계층을 통합하여 실행 계층이라고 부르며, 합의 계층과 데이터 가용성 계층을 통합하여 합의 계층이라고 부릅니다.

실행 계층(Execution Layer): 체인 상의 거래를 처리하고, 체인 상의 주문을 실행하며, 전송 및 스마트 계약의 실행을 검증하는 역할을 하며, 주로 Rollup을 중심으로 합니다. 모듈화 블록체인이 일정 단계에 도달하면, 사용자는 일반적으로 실행 계층을 기반으로 블록체인과 상호작용하며, 서명 거래, 스마트 계약 배포 및 자산 이전 등을 포함합니다. 실행 계층은 블록체인의 확장성을 해결합니다.
정산 계층(Settlement Layer): 정산 계층은 Rollup 등 실행 계층의 실행 결과를 검증하고 논쟁을 해결하며 상태 약속을 정산하는 역할을 합니다.

합의 계층(Consensus Layer): 합의 계층은 전체 노드 네트워크를 통해 블록의 내용을 다운로드하고 실행하여 상태 전환의 유효성에 대해 합의에 도달함으로써 정렬 및 최종 확정성을 제공하며, PoS 메커니즘을 통해 블록 생성을 검증합니다.

데이터 가용성 계층(Data Availability Layer): 거래 데이터가 사용 가능하도록 보장합니다(저장 및 검증 가능하고 사용 가능). 상태 전환의 유효성을 검증하는 데 필요한 데이터를 이 계층에 게시하고 저장해야 하며, 악의적인 블록 제안자가 거래 데이터를 보류하는 사건이 발생할 경우 데이터 가용성 계층의 데이터가 검증에 사용될 수 있습니다.

The Merge 이후 단기 및 중기 단계에서 이더리움의 정산 계층, 합의 계층 및 데이터 가용성 계층은 통합됩니다. 미래의 Danksharding은 이더리움 L1의 데이터 샤딩(Data Sharding)을 데이터 가용성 엔진으로 전환하고, 신호 체인을 합의 계층으로, 원래의 이더리움 메인넷을 실행 계층으로 만들며, 더 많은 실행 계층은 L2의 Rollups가 될 것입니다. 또한 현재 L2를 기반으로 업계에서는 맞춤형 L3 탐색도 실행 계층의 확장이 될 것입니다.

현재 이더리움이 단지 이론적인 "세계 컴퓨터"에 불과하다면, 모듈화 블록체인은 이더리움이 "세계 컴퓨터"가 되기 위한 공학적 솔루션입니다.

이더리움의 향후 계획

잘 알려진 바와 같이, The Merge는 PoW에서 PoS로의 전환과 Beacon Chain과 원래 이더리움 메인 체인의 통합에 관한 것입니다. The Merge 외에도 이더리움은 실제로 The Surge, The Verge, The Purge, The Splurge를 동시에 추진하고 있습니다. 이러한 업그레이드의 출시 순서는 아직 확정되지 않았으며, 서로 독립적이고 병행적으로 진행됩니다.

The Surge는 샤딩을 도입하는 것에 관한 것으로, 이때 이더리움 네트워크는 샤딩을 통해 대규모 확장을 실현할 수 있게 됩니다.

The Verge는 Verkle Trees에 관한 것으로, 이더리움의 저장 최적화 및 노드 크기 감소를 돕습니다. 이번 업그레이드는 Verkle Trees를 통해 저장 최적화에 전념하며, 이는 Merkle Trees의 업그레이드인 수학적 증명입니다. 검증자가 자신의 컴퓨터에 저장해야 하는 데이터 양을 줄여 운영할 수 있도록 하여, 노드 규모가 줄어들고 더 많은 사용자가 검증자가 될 수 있게 합니다. 이는 네트워크의 탈중앙화를 더욱 촉진하고 보안을 향상시킵니다.

The Purge는 검증자가 필요한 하드 드라이브 공간을 줄이는 것으로, 역사적 데이터와 기술 부채를 제거합니다. 이는 저장을 단순화하여 네트워크 혼잡을 줄이는 것을 의미합니다.

The Splurge는 이더리움 네트워크에 대한 일련의 미세 조정으로, 다양한 소규모 업그레이드를 포함하여 이더리움 네트워크를 더욱 원활하게 만듭니다.
Vitalik은 이더리움이 위의 5개 주요 단계를 완료한 후 10만 TPS를 달성할 수 있으며, 진정으로 그가 처음 구상한 "세계 컴퓨터"가 될 수 있다고 말했습니다.

이 다섯 개의 병행된 주요 단계의 이름은 운율이 있지만, 이더리움의 향후 3~4년의 구체적인 계획을 이해하기는 여전히 어려울 수 있습니다. 그 중 더 중요한 구체적인 업그레이드 사건을 따로 설명하면, 이더리움의 모듈화 추세를 더 잘 이해할 수 있을 것입니다:

1、Proto-danksharding（EIP-4844）

Proto-danksharding은 완전한 Danksharding 규격의 대부분의 논리와 기본 규칙(예: 거래 형식, 검증 규칙 등)을 구현하기 위한 제안이지만, 이 단계에서는 어떤 샤딩도 구현되지 않았습니다. Proto-danksharding 단계에서 모든 검증자와 사용자는 여전히 전체 데이터의 가용성을 직접 검증해야 합니다.

Proto-danksharding이 도입한 주요 특징은 "blob을 포함한 거래"라는 새로운 거래 유형입니다. blob을 포함한 거래는 일반 거래와 유사하지만, blob이라는 추가 데이터를 포함한다는 점에서 주요 차이가 있습니다. Blob의 크기는 약 128kb로, 유사한 크기의 Calldata보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 EVM 실행은 blob 데이터에 접근할 수 없으며, EVM은 blob에 대한 약속만 확인할 수 있습니다.

현재 이더리움의 블록 크기는 Gas 용량에 의해 결정되며, EIP-4844가 시행된 후 blob의 수는 블록 크기를 결정하는 또 다른 차원이 될 것입니다. Blob은 이진 데이터 구조로, 크기는 약 128kb이며, 이더리움 블록은 각 블록에 수용할 수 있는 blob의 수를 제한하고 있으며, 목표 blob 수는 8개이며 최대 16개까지 가능합니다. 따라서 각 블록은 추가로 1-2MB(128*8-128*16)의 저장 공간을 증가시킬 것입니다.

Blob은 주로 Layer2의 데이터를 저장하는 데 사용되며, 그 이전에는 Layer2 데이터의 저장이 Calldata를 통해 이루어졌습니다. Blob이 도입된 후 블록 내에서 저장할 수 있는 공간이 크게 증가할 것입니다. 그러나 blob 데이터가 크기 때문에, 각 블록에 추가로 1MB의 blob 데이터가 증가하면 이더리움 블록체인은 한 달에 수 TB의 데이터를 추가하게 됩니다. 데이터 양의 급속한 증가 문제를 해결하기 위해, 이러한 blob 데이터는 오프라인 저장 방식으로 처리되며, 30일 후 자동으로 삭제됩니다.

blob 데이터는 기존 이더리움 거래의 Gas 사용량과 경쟁하지 않기 때문에 여전히 상당한 확장 효과를 얻을 수 있습니다. Proto-Danksharding의 이 EIP-4844 제안을 간단히 이해하려면, 이더리움 layer1이 1MB의 블록 크기를 유지하면서 30일 단기 오프라인 저장 방식을 통해 blob 형태로 Layer2 데이터를 저장하여 확장 효과를 실현한다고 이해할 수 있습니다.

2、Danksharding

Danksharding은 이더리움을 위한 새로운 샤딩 설계입니다. 이전에 계획된 샤딩은 상태 샤딩(State Sharding)이었으나, 이후 Rollups 중심의 로드맵으로 전환하여 layer1(데이터 샤딩) + layer2(롤업) 모듈화 혼합 확장 솔루션을 시행한 후 데이터 샤딩(Data Sharding)을 시행하게 되었습니다. 데이터 샤딩은 본질적으로 모듈화 블록체인의 사고로, 이더리움을 여러 데이터 샤딩으로 나누고 각 데이터 샤딩이 하나 이상의 Rollup에 연결되며, Rollup은 실행 계층으로, 이더리움은 합의 계층 및 데이터 가용성 계층으로 작용합니다.

Danksharding이 도입한 핵심 메커니즘은 주로 PBS와 DAS입니다.

PBS(제안자 빌더 분리)는 블록을 구축할 때 블록 제안자(Proposer)와 블록 빌더(builder)를 분리하는 것을 의미합니다. Proposer가 블록을 제안하고, Builder가 거래의 정렬 권리를 경매하고 블록 헤드를 계산합니다. Proposer는 Builder의 계산 결과에 따라 거래를 패키징하고 블록 헤드를 블록에 기록하여 블록 생성을 완료합니다. PBS 이전의 블록 제안자(병합 전에는 Miner, 병합 후에는 Validator)는 mempool에서 어떤 거래가 있는지 확인하고 일부 전략을 사용하여 MEV 기회를 얻어 최대한의 채굴 수익을 올릴 수 있었습니다. PBS 메커니즘이 도입된 후 이러한 역할 분리 메커니즘과 Builder의 정렬 권리 경매 메커니즘은 어느 정도 MEV 문제를 해결할 수 있으며, 최종 MEV 수익은 전체 네트워크의 검증자가 공유하게 됩니다. 이외에도 PBS는 샤딩과 신호 체인의 동기화 문제, 이더리움 네트워크의 검열 저항 문제 등을 해결하는 데 도움을 줍니다.

DAS(데이터 가용성 샘플링, Data Availability Sampling)는 블록체인 상태 폭발 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 검증 노드가 블록 가용성을 확인하도록 하여, DAS 검사를 통해 경량 클라이언트는 일부 무작위로 선택된 블록만 다운로드하여 블록이 게시되었는지 검증할 수 있습니다. DAS는 블록 데이터에 대해 병렬 검증을 수행할 수 있기 때문에, 미래의 데이터 샤딩(Data Sharding) 수가 많더라도 단일 검증 노드의 부담이 증가하지 않으며, 오히려 더 많은 검증 노드가 참여하도록 자극하여 검증 노드의 충분한 탈중앙화를 보장합니다.

결국, Danksharding은 PBS를 통해 이더리움의 중앙 집중식 블록 생성을 실현하고, DAS를 통해 탈중앙화 검증을 실현하며, 일정 정도의 검열 저항성을 갖추어 이더리움이 확장 가능한 합의 계층 및 데이터 가용성 계층이 되도록 보장하며, 실행 계층의 더 많은 Rollups를 수용할 수 있게 합니다. (PS: 중앙 집중식 블록 생성, 탈중앙화 검증은 Vitalik이 Endgame에서 제안한 이더리움의 미래 발전 구상입니다.)

요약

저는 사실 이더리움 창립 팀이 매우 감정이입이 강하다고 느끼며, 그들의 많은 세부 사항이 그들이 초심을 잃지 않고 앞으로 나아갈 것이라는 믿음을 줍니다.

이더리움의 여러 업그레이드 중, 저에게 깊은 인상을 남긴 세 가지 업그레이드는 각각 437만 블록 높이의 비잔틴 하드 포크, 728만 블록 높이의 콘스탄티노플 하드 포크, 906.9만 블록 높이의 이스탄불 네트워크 업그레이드입니다.

재미있는 점은 비잔틴, 콘스탄티노플, 이스탄불이 모두 같은 도시라는 것입니다. 이 도시는 유라시아를 가로지르며, 북쪽은 황금 뿔 만, 남쪽은 마르마라 해, 동쪽은 소아시아 반도와 바다를 사이에 두고 있으며, 서쪽만 육지와 연결되어 있습니다. 나폴레옹은 이 도시를 두고 "만약 세계가 하나의 나라라면, 그의 수도는 반드시 이스탄불일 것"이라고 말했습니다. 이 고대 도시는 이더리움 덕분에 블록체인 세계와 미묘한 연결을 형성하였으며, 이 세 번의 업그레이드 이름은 이더리움이 항상 일관되게 나아가고 있다는 메시지를 전달합니다.

아마도 이더리움의 모듈화 블록체인 길은 그렇게 빠르지 않을 수 있지만, 확실한 것은 대주제인 The Merge, The Surge, The Verge, The Purge, The Splurge 등 10만 TPS를 실현하기 위한 다섯 단계와 구체적인 주요 업그레이드인 Proto-danksharding, Danksharding의 최종 목적은 이더리움이 "세계 컴퓨터"의 초심을 실현하도록 추진하는 것입니다.