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블록체인 트릴레마

블록체인 트릴레마란 확장성, 보안성, 탈중앙성을 모두 만족시키는 것이 이상적이지만 현실적으로는 한 번에 해결할 수 없음을 말한다.

  • 확장성(Scalability) : 높은 트랜잭션 처리량을 대응할 수 있는 정도, TPS(Transcation Per Second)으로 측정되기도 한다.
  • 보안성(Security) : 블록체인 내의 데이터나 프로그램을 보호할 수 있는 정도
  • 탈중앙성(Decentralization) : 중앙집권화를 벗어나 분산된 소규모 단위가 모여, 자율적으로 운영되는 정도

트릴레마의 세 가지 요소

확장성

확장성은 높은 트랜잭션 처리량을 대응할 수 있는 정도로, 사용자 수가 증가하거나 네트워크 규모가 커지면서 데이터 처리량의 증가를 견딜 수 있는 정도를 말한다.

  • TPS(Transaction Per Second) : 초당 트랜잭션 처리 속도로, 확장성 성능 지표로 사용하기도 한다.
    • 이더리움과 비트코인의 경우 확장성에 문제가 있다.
      • 비자 카드의 경우 2만 4000 TPS
      • 비트코인 7 TPS
      • 이더리움 15~30 TPS

보안성

보안성은 블록체인 내의 데이터나 프로그램을 보호할 수 있는 정도로, 블록체인 위에서 발행된 화폐가 이미 암호화폐라고 불리는 것처럼 암호학적 관점에서 바라보면 보안성 역시 중요하다.

탈중앙성

탈중앙성은 중앙집권화를 벗어나 분산된 소규모 단위가 모여, 자율적으로 운영되는 정도로, 블록체인 기술의 핵심 아이디어이다.

트릴레마 세 가지 요소의 상호작용과 한계

  확장성 중심 네트워크 보안성 중심 네트워크 탈중앙성 중심 네트워크
장점 - 네트워크가 많은 양의 트랜잭션을 처리할 수 있다.
- 보안이 주요 초점이 아닌 애플리케이션에서 유용하다		 - 기존 가치 이전보다 빠르고 저렴한 대규모 이전이 가능하다.
- 퍼블릭 블록체인 보안은 네트워크 참여 노드에 의해 나오기 때문에 높은 보안은 복제하기 쉽지 않은 높은 네트워크 효과를 의미한다.		 - 탈중앙화를 통해 단일 엔티티를 신뢰하지 않고도 합의를 유지할 수 있다.
- 분산화는 시스템의 견고성을 증가시키기 때문에 바람직하다.
단점 - 확장성은 보안을 간소화하기 때문에 희생해야 한다.
- 합의 메커니즘 참여 노드가 적어지면 확장성이 증가하기 때문에 중앙집중화가 발생할 수 있다.		 - 더 많은 자원이 필요하다. - 분산화는 지연을 초래하고 네트워크 속도를 늦춘다.
- 중복성을 도입하기 때문에 비용이 많이 들고 확장성의 문제가 있다.

레이어의 다양한 솔루션

Layer 1 솔루션

레이어 1은 블록체인 네트워크 그 자체를 의미하며, 레이어 1 솔루션은 기존의 블록체인 메커니즘을 직접적으로 개선하는 것을 의미한다. 따라서 대규모 프로토콜 개선을 효과적으로 할 수 있지만, 기존 채굴자들 입장에서는 인센티브가 축소되는 문제가 있다.

합의 프로토콜 개선

  • 비트코인과 이더리움은 둘 다 분산된 합의 프로토콜을 사용하는데, 이는 트랜잭션을 처리하기 위해 여러 노드의 검증이 필요하고, 블록을 생성하기 위한 많은 연산이 요구된다.
  • 보안성과 탈중앙성에 장점이 있지만, 속도가 느려 확장성이 떨어진다.
  • 따라서 이더리움은 네트워크 지분을 기반으로 검증하는 지분증명(POS)로 전환을 시도하며, 확장성을 개선하려고 하고 있다.

샤딩

  • 샤딩은 기존 분산 데이터베이스에서 활용되는 솔루션으로, 가장 인기 있는 레이어 1 확장 솔루션 중 하나이다.
  • 샤딩은 트랜잭션을 샤드라고 하는 더 작은 데이터 세트로 나누고, 네트워크에서 병렬 처리되므로 동시에 수많은 트랜잭션에 대한 순차적 작업이 가능하다.
  • 또한, 각 노드는 블록 사본을 보유하기 때문에 그 자체로 일관성을 유지한다.
  • 샤드는 메인체인에 증거를 제공하고 교차 샤드 통신 프로토콜을 사용하여 주소, 잔액 및 일반 상태를 공유하기 위해 상호작용한다.

블록체인 레이어 1 솔루션 : 샤딩

Layer 2 솔루션

레이어 2는 다른 블록체인 위에 구축된 네트워크이며, 레이어 2 솔루션은 레이어 1 블록체인 위에 작동하여 확장성과 효율성을 향상시키는 네트워크 또는 기술을 말한다. 따라서 확장성을 빠르게 향상시킬 수 있지만, 사용하는 방법에 따라 기존 블록체인의 보안성을 희생해야 할 수도 있다.

롤업(Rollup)

  • 롤업은 레이어 1 외부에서 트랜잭션을 실행하고 트랜잭션 데이터는 레이어 1에 저장하며, 레이어 1의 트랜잭션 데이터를 사용하여 레이어 2에서 올바른 트랜잭션 실행을 할 수 있다.
  • 롤업 기술은 옵티미스틱 롤업과 ZK롤업으로 나뉜다
    • 옵티미스틱 롤업 : 애플리케이션이 바로 상호 작용할 수 있게 해주어 누구나 레이어 1 클론에 연결 가능한 롤업(사기 증명)
    • ZK 롤업 : 자체 환경에서 사일로로 존재하기 때문에 사용자들이 자체 롤업으로 애플리케이션에 연결해야 하는 롤업(영지식 증명)

블록체인 레이어 2 솔루션 : 롤업

중첩 블록체인

  • 중첩 블록체인은 메인 블록체인을 활용하여 더 넓은 네트워크에 대한 매개변수를 설정하고 실행은 보조 체인의 상호 연결된 웹에서 수행되는 분산형 네트워크 인프라이다.
  • 부모 - 자식 연결을 사용하며, 기존 블록체인은 분쟁 해결이 필요한 경우가 아니면 네트워크 기능에 참여하지 않기 때문에 메인 체인의 처리 부담을 줄여 확장성을 향상시킨다.
  • Ex.
    • OMG Plasma 프로젝트

블록체인 레이어 2 솔루션 : 플라즈마

상태 채널

  • 상태 채널은 기본적으로 두 사용자간의 커뮤니케이션을 위한 양방향 채널로서, 전체 트랜잭션 용량과 속도를 개선하기 위해 다양한 매커니즘을 사용하여 블록체인과 오프체인 트랜잭션 채널 간의 양방향 통신을 용이하게 한다.
  • 상태채널은 참가자간의 오프체인 트랜잭션을 수행 후, 최종 결과에 해당하는 트랜잭션을 메인체인에 반영하여 기록하지만, 트랜잭션이 오프체인에서 수행되는 만큼 어느 정도 탈중앙화를 희생한다.
  • Ex.
    • 비트코인 라이트닝 네트워크, 이더리움의 라이덴

블록체인 레이어 2 솔루션 : 상태 채널

사이드체인

  • 사이드체인은 대규모 배치 트랜잭션에 사용되는 블록체인 인접 트랜잭션 체인이다.
  • 사이드체인은 원래 체인에 대한 독립적인 합의 메커니즘을 사용하는 반면 유틸리티 토큰은 종종 사이드 체인과 메인체인 간의 데이터 전송 메커니즘의 일부로 사용된다.
  • 사이드 체인은 여러 가지 통합 방식으로 상태 채널과 구별된다.
  • 사이드 체인 트랜잭션은 공개적으로 원장에 기록되며, 보안 침해는 메인 체인이나 다른 사이드체인에 영향을 미치지 않는다.

블록체인 레이어 2 솔루션 : 사이드체인

세대와 체인 공개 유형에 따른 트릴레마

세대 유형에 따른 트릴레마

사례 설명
비트코인
(1세대)		 - 높은 탈중앙화와 보안성은 확보, 확장성의 한계로 트릴레마 발생
- 탈중앙화와 보안에 초점을 맞춰 개발되었으며, 네트워크 확장에 따른 트랜잭션 속도에 대한 확장성 문제
이더리움
(2세대)		 - 확장성 한계로 트릴레마 발생
- 확장성 한계 극복을 위해 이더리움 2.0 발표
- 작업증명 방식의 대안으로 지분증명과 샤딩 기술 활용
이오스
(3세대)		 - 위임지분증명(DPoS) 합의 알고리즘을 통해 탈중앙화와 확장성 해결
- 위임지분증명 합의 알고리즘 특성상 소수의 노드를 통해 합의가 이루어지기 때문에 탈중앙화 가치 저하
- 소수의 노드가 블록을 생성하기 때문에 보안성 저하

공개 유형에 따른 트릴레마

퍼블릭 블록체인

  • 퍼블릭 블록체인의 경우, 합의에 참여하는 노드가 다른 공개 유형 블록체인보다 많기 때문에 보안성과 탈중앙성은 일반적으로 보장되나,
  • 반대로 생각하면 합의에 참여하는 노드가 많고, 이에 검증과정이 다른 공개 유형 블록체인에 비해 복잡하기 때문에 확장성은 비교적 떨어진다.

프라이빗 블록체인

  • 프라이빗 블록체인의 경우, 한 중앙 기관이 모든 권한을 보유하고 참여 노드 또한 제한하기 때문에 신뢰할 수 있는 노드를 미리 제한함으로써 합의 알고리즘이 비교적 간단하고, 네트워크 운영에 참여한 보상이 필요없다. 따라서 보안성과 확장성이 매우 좋지만,
  • 중앙 기관이 노드를 통제하기 때문에 탈중앙성은 떨어진다.

컨소시엄 블록체인, 하이브리드 블록체인

  • 컨소시엄 블록체인은 그룹이 노드를 제한하여 프라이빗 블록체인과 같은 특성을 가지며, 프라이빗 블록체인과 컨소시엄 블록체인을 합쳐서 허가형 블록체인이라고도 부른다.
  • 하이브리드 블록체인 역시, 프라이빗 블록체인을 통해 제한적 참여가 존재하지만, 컨소시엄 블록체인과 달리 데이터에 대한 권한 제어를 통해 확장성과 탈중앙성에 이점을 가지지만, 데이터가 공개되는 만큼 보안성은 허가형 블록체인에 비해 떨어진다.
  Hybrid Blockchain Consortium Blockchain
접속 권한 일부 인스턴스 공개, 일부 제한 선택한 참가자만 전체 엑세스 권한 흭득
거래 속도 빠름 빠름
권한 부분적으로 분산 탈중앙화
프라이버시 부분적 부분적

본 포스팅은 코드스테이츠 BEB 과정을 수강하며 작성한 글입니다.

참고

The Merge

6 분 소요

The Merge