블록체인 한계를 극복하는 레이어2(Layer2)기술의 종류와 특징

블록체인 기술 발전으로 블록체인 트릴레마*를 극복하기 위해 확장성을 높이고 다양한 확장성 문제에 대한 해결 방안들이 제시되고 있습니다.

블록체인 트릴레마(Trilemma)* : 확장성(Scalability) 탈중앙화(Decentralization), 보안성(Security) 등을 한번에 해결 할 수 없는 문제

블록체인 레이어1 (Layer1) 과 레이어2(Layer2)

블록체인 레이어 1은 주요 블록체인(메인넷)을 의미하며, 레이어 2는 기존 블록체인 위에서 작동하는 보조 계층을 나타냅니다. 레이어 2는 확장성 문제와 높은 거래 비용을 해결하고자 설계된 솔루션으로, 블록체인 생태계의 성능을 향상시키는 역할을 합니다.

블록체인 “스케일링 솔루션”에는 샤딩, 병렬 체인, 사이드 체인이 포함되지만 레이어 2와 차이점은 메인넷의 강력한 분산 보안을 활용하면서 구현된다는 점입니다.

그 중 plasma chain, optimistic rollup, zk Rollup, validium 등은 모두 이더리움 블록체인에서 확장성 문제를 해결하는 방안들로 서로 다른 체인에서 병렬적인 처리로 모듈러 체인 방식 입니다.

블록체인 트릴레마는 탈중앙성-보안성-확장성이라는 3개 요소 서로가 상충(trade-off) 관계를 가지고 있음
- 노드의 수가 많을수록 탈중앙성은 높다고 할 수 있지만 중복된 연산이 발생하고 노드들 간 합의에 소요되는 시간은 늘어남.
- 블록 생성 시간을 짧게 하고 블록 용량을 키우는 방식으로 확장성 개선을 시도한다면 풀 노드(full node) 운영의 제약 조건이 높아지는 문제가 있음.

블록체인 확장을 위한 Layer2 기술들은 왜 필요한가?

레이어 2 블록체인은 퍼블릭 블록체인의 무거운 워크로드를 경감하고 속도를 높이는 기술 입니다.

향상된 확장성 – L2 체인은 메인 체인의 무거운 작업 중 일부를 언로드하여 더 높은 트랜잭션 처리량을 높여서 메인 체인의 확장성을 개선
낮은 트랜잭션 수수료 – 트랜잭션 처리량이 높을수록 메인 체인에 대한 수요가 낮아집니다. 이를 통해 거래 수수료를 줄이고 체인을 비용 효율적으로 만들 수 있습니다.
더 빠른 트랜잭션 시간 – L2 체인은 트랜잭션을 오프체인에서 처리하여 트랜잭션이 확인되고 메인 체인에 기록되는 기간을 현저하게 단축할 수 있습니다.
기존 시스템과의 호환성 – L2 솔루션은 기존 L1 프로토콜 위에 구축되므로 기본 프로토콜을 변경할 필요 없이 기존 시스템 및 인프라와 통합할 수 있습니다.
추가 기능 – 레이어 2 블록체인을 사용하여 다른 블록체인간 암호화 화폐를 교환(atomic swaps)이가능하고, 프라이버시(privacy features)기능으로 개인정보를 보호하고 거래 내역을 익명화 가능하다.

[정리] 어떤 레이어2 기술을 쓰는 것이 좋을까 ?

각각의 레이어 2 기술은 고유한 특징과 장단점을 가지고 있기 때문에 "가장 현실적이고 우수한" 기술을 선택하는 것은 상황에 따라 다를 수 있습니다. 하지만 일반적으로 다음과 같은 사항을 고려할 수 있습니다.

1. Plasma: Plasma는 Ethereum 네트워크 위에 구축된 레이어 2 기술로, 블록체인의 가용성과 확장성을 향상시키는 것이 목적입니다.

Plasma는 다양한 구현체가 존재하며, 일부 Plasma 구현체는 이미 실제 사용되고 있습니다. 하지만 Plasma는 여전히 성숙도가 떨어지기 때문에, 보안 및 안정성 문제를 고려해야 합니다.

2. Optimistic Rollup: Optimistic Rollup은 L2 스케일링 솔루션 중에서도 가장 간단한 구조를 가지고 있습니다.

이 기술은 스마트 컨트랙트의 실행을 L1 상에서 수행하고, 상태 변경 사항을 L2 상에 저장하여 확장성 문제를 해결합니다. 하지만, 롤업 상태가 L1 상에 일관성 있는지 확인해야 하는 것이 문제가 될 수 있습니다.

3. ZK-Rollup: ZK-Rollup은 Zero-Knowledge Proof를 사용하여 롤업 상태를 검증하는 기술입니다.

ZK-Rollup은 롤업 상태가 L1 상에서 유효하다는 것을 수학적으로 증명할 수 있기 때문에, 보안성이 높은 것으로 알려져 있습니다. 하지만, ZK-Rollup은 Zero-Knowledge Proof를 계산하기 위해 상대적으로 많은 계산 리소스가 필요하기 때문에, 처리 속도가 느릴 수 있습니다.

4. Validium: Validium은 ZK-Rollup과 유사한 구조를 가지고 있지만, 스마트 컨트랙트의 실행을 L2 상에서 수행합니다.

따라서, 롤업 상태가 L1 상에서 일관성을 유지할 필요가 없기 때문에, Optimistic Rollup에 비해 보안성이 높을 수 있습니다. 하지만, Validium 역시 아직까지는 상대적으로 새로운 기술이기 때문에, 실제로 어떻게 동작하는지에 대한 검증이 필요합니다.

따라서, 각각의 기술을 비교하면서 사용할 수 있는 상황과 요구사항을 고려하여 선택하는 것이 좋습니다.

레이어2 기술의 특징과 장단점

1. Plasma Chain

Plasma Chain은 블록체인의 스케일링 문제를 해결하기 위해 Vitalik Buterin과 Joseph Poon이 제안한 방식입니다. Plasma Chain은 사이드체인과 마찬가지로 자체 합의 방식을 가지고 있습니다. 플라즈마는 이더리움에서 레이어 2 체인을 구축하기 위한 프레임워크를 제공하여 블록체인과 비슷한 구조를 가지고 있습니다. 별도의 사이드체인으로 운영되며 이 사이드체인의 블록들은 기존 블록체인의 블록에 대한 해시값을 포함하고 있습니다.
Plasma Chain에서는 사이드체인에서 발생하는 거래들이 블록체인에 직접 반영되는 것이 아니라, 사이드체인에서 발생한 거래들의 상태들을 고정된 간격으로 각 블록의 압축된 이더리움의 스마트 계약에 커밋 하여 블록체인에 반영합니다. 이를 통해 거래 처리 속도를 빠르게 하고 블록체인의 스케일링 문제를 해결할 수 있습니다.

장점:

기존 블록체인에서 발생하는 처리속도 제한을 피하고 블록체인의 확장성 문제를 해결할 수 있습니다.
안전성과 보안성이 높은 플랫폼을 제공할 수 있습니다.

단점:

Plasma Chain은 여전히 블록체인의 기술적 한계를 넘어설 수 없으며 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

2. Optimistic Rollup

Optimistic Rollup은 블록체인에서 발생하는 확장성 문제를 해결하기 위한 방식 중 하나입니다. 이 방식은 기존 블록체인의 블록에 대한 트랜잭션을 누적 정산하여 일정 간격으로 트랜잭션 요약이 "롤업"되고 메인 레이어 1 체인인 상위 체인(rollup chain)에 담아 게시 처리하는 방식입니다. Optimistic Rollup에서는 체인상에 수많은 거래 내역을 처리하기 위해 기존 블록체인과 같은 구조의 스마트 계약을 사용합니다. 레이어 2 체인은 또한 레이어 1 체인이 너무 커지고 비대해 지는 것을 방지하여 처리속도를 높일 수 있습니다.

특징:

Optimistic Rollup은 상위 체인(rollup chain)에 거래 내역을 저장하는 방식입니다.
기존 블록체인과 같은 구조의 스마트 계약을 사용합니다.
거래 내역에 대한 유효성 검사는 상위 체인에서 이루어집니다. 블록체인에서 발생하는 처리속도 제한을 극복할 수 있습니다. 처리 속도와 안전성이 높은 플랫폼을 제공할 수 있습니다.

장점:

블록체인 기술의 처리속도 제한을 극복할 수 있습니다. 처리 속도와 안전성이 높은 플랫폼을 제공할 수 있습니다.
새로운 블록체인을 만들 필요가 없기 때문에, 개발 비용을 줄일 수 있습니다.

단점:

오프 체인 데이터를 처리하기 때문에 안전성에 대한 이슈가 존재합니다.
사용자가 거래를 생성할 때 적은 양의 gas fee를 지불하더라도 롤업 전체에 대한 고정된 gas fee를 지불해야 합니다.
유효성 검사를 위해 롤업 체인의 블록 생성 주기가 지연될 수 있습니다.

3. zk Rollup 영지식 증명과 롤업

zk Rollup은 블록체인 기술에서 발생하는 확장성 문제를 해결하기 위한 방식 중 하나로, Zero-Knowledge Proof 기술을 사용하여 거래 내역을 검증합니다. 이 방식은 기존 블록체인의 블록에 대한 정보를 상위 체인에 담아 처리하는 방식인 Rollup 방식을 사용하지만, 거래 내역의 유효성 검증을 블록체인 상에서 진행하지 않고, Zero-Knowledge Proof를 사용하여 유효성을 검증합니다.

특징:

zk Rollup은 상위 체인(rollup chain)에 거래 내역을 저장하는 방식입니다.
Zero-Knowledge Proof 기술을 사용하여 거래 내역의 유효성을 검증합니다.
거래 내역에 대한 유효성 검사는 상위 체인이 아닌 오프 체인에서 이루어집니다.
블록체인에서 발생하는 처리속도 제한을 극복할 수 있습니다.
거래 수수료를 줄일 수 있습니다.

장점:

거래 내역의 유효성을 검증하기 위한 블록체인의 처리속도 제한을 극복할 수 있습니다.
거래 수수료를 줄일 수 있습니다.
블록체인 기술을 사용하는데 있어서 안전성이 높일 수 있습니다.

단점:

Zero-Knowledge Proof 기술의 사용으로 인해 거래 내역에 대한 검증이 더욱 복잡해지기 때문에 구현에 대한 비용이 많이 들 수 있습니다.
거래 내역에 대한 검증이 오프 체인에서 이루어지기 때문에 안전성에 대한 이슈가 존재할 수 있습니다.
사용자가 gas fee를 지불하는 것이 아니라 상위 체인에서 유지보수 비용을 지불해야 합니다.

4. validium

블록체인의 Validium은 블록체인 기술을 기반으로 한 Layer 2 스케일링 솔루션 중 하나입니다. Validium은 기존 블록체인에서 발생하는 속도와 확장성 문제를 해결하기 위한 측면에서 고안된 기술입니다.

특징:

오프체인 처리: Validium은 블록체인과 별개로 작동하며, 블록체인 외부에서 트랜잭션을 처리합니다. 이를 오프체인 처리라고 부릅니다. 이 방식으로 인해 블록체인에서 발생하는 지연 및 비용 문제를 해결할 수 있습니다.

장점:

빠른 처리 속도: Validium은 오프체인에서 트랜잭션을 처리하기 때문에, 기존 블록체인보다 훨씬 빠른 처리 속도를 제공합니다.

검증 과정 간소화: Validium은 블록체인에서의 검증 과정을 단순화하여 트랜잭션 처리 시간을 줄임으로써 일반적으로 더 많은 거래를 처리할 수 있습니다.

비용 절감: Validium은 블록체인으로 보내기 전에 오프체인에서 처리하기 때문에, 블록체인에서 발생하는 비용 문제를 해결할 수 있습니다. 이를 통해 블록체인을 사용할 때 발생하는 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

개인 정보 보호: Validium은 일반적으로 거래 데이터를 개인 정보로부터 분리하여 처리하기 때문에 개인 정보 보호에 더 우수한 성능을 보입니다.

단점:

중앙화된 검증 시스템: Validium은 트랜잭션을 검증하는 프로세스를 중앙화된 검증 시스템에서 처리합니다. 이는 블록체인의 분산화된 특성을 상쇄시키고, 보안 취약성을 만들어낼 수 있습니다.

보안 위협: Validium은 블록체인 안에서 트랜잭션을 검증하기 전에 외부 채널을 통해 검증 결과를 전달합니다. 이는 외부 채널이 해킹이나 데이터 변조 등의 보안 위협에 노출될 가능성이 있기 때문에 보안성에 대한 우려가 있습니다.

신뢰성 문제: Validium에서는 외부 채널을 통해 검증 결과를 전달하므로, 검증 과정에서 발생할 수 있는 오류나 부정확성에 대한 신뢰성 문제가 존재합니다. 이는 블록체인의 신뢰성과 무결성을 보장하는 핵심 원칙을 저해할 수 있습니다.

확장성 한계: Validium은 블록체인의 확장성 문제를 해결할 수 있는 기술 중 하나이지만, 검증 과정에서 외부 채널을 통해 전달되는 데이터 양이 많아지면 확장성에 한계가 있을 수 있습니다. 이는 대규모 거래 처리에 있어서 문제가 될 수 있습니다.