비트코인 결제: 라이트닝 네트워크란?

라이트닝 네트워크와 비트코인으로 결제하는 방법을 이 심층 초보자 가이드에서 설명합니다.

핵심 내용

• 2016년에 처음 도입된 라이트닝 네트워크는 비트코인 블록체인에 위에 구축된 레이어 2 결제 프로토콜입니다. 라이트닝 네트워크는 비트코인의 기본 스마트 컨트랙트 기능을 사용하여 거의 즉각적인 결제를 가능하게 합니다.
• 라이트닝 네트워크는 메인 블록체인과 병렬로 거래를 처리하는 여러 양방향 결제 채널로 구성되어 있습니다.
• 이는 긴 블록 생성 시간, 제한적인 처리량, 그리고 높은 거래 수수료와 같은 비트코인의 확장 문제를 해결하려는 목표를 가지고 있습니다.

비트코인으로 커피를 구매하시나요? 비트코인의 확장성 문제

사토시 나카모토의 비트코인 백서는 탈중앙화되고 신뢰가 필요 없는 디지털 결제 시스템인 ‘P2P 전자 현금 시스템’을 구상했습니다. 하지만 비트코인이 이러한 비전을 완전히 실현하기 위해서는 극복해야 할 몇 가지 단점과 한계가 있습니다.

출퇴근 시간에 긴 줄에 갇혀 비트코인을 사용해 커피 한 잔을 구매하려고 하는 사람을 상상해 보세요. 이 사례는 다음 두 가지 문제를 야기합니다.

첫째, 구매 후 결제가 완료되었는지 확인하는 데만 10분에서 1시간 정도 소요될 수 있습니다(커피숍에서 요구하는 컨펌 횟수에 따라 상이).

둘째, 거래 수수료가 커피 원가와 비슷하거나 더 높을 수 있습니다. 비트코인은 이와 같은 거래의 빠르고 저렴한 처리를 보장할 방법이 없으며, 이러한 불확실성으로 인해 결제 수단으로서 그다지 매력적이지 않을 수 있습니다.

결제 시스템으로서 비트코인의 한계는 다음과 같습니다.

상대적으로 긴 블록 생성 시간

트랜잭션이 블록체인의 블록에 추가되려면, 트랜잭션이 마이닝 프로세스를 통해 검증되어야 합니다. 채굴자 검증은 탈중앙화되고 안전한 비트코인의 핵심이지만, 이는 거래가 즉각적인 것이 아니며 성공적인 것으로 확인되기까지 상당한 시간이 걸린다는 것을 의미하기도 합니다. 실제로 새로운 블록이 채굴되는 데 걸리는 시간은 (이 글을 쓰는 시점을 기준으로 평균적으로) 약 10분입니다.

제한적 처리량 

비교하자면, Visa와 같은 주요 결제 대기업은 네트워크에서 약 24,000 초당 트랜잭션(TPS)을 지원할 수 있는 반면, 비트코인 블록체인은 최대 7 TPS(이 글을 쓰는 시점에)까지만 처리할 수 있습니다. 결제 네트워크로서 비트코인의 처리량은 이러한 대량의 트랜잭션을 처리하기에는 너무 낮으며, 이는 광범위한 사용에 큰 장애가 될 수 있습니다.

소액 결제에 대한 불균형적으로 높은 거래 수수료 

비트코인 거래 수수료는 2021년 4월 최고치인 US$60 이상으로 정점을 찍었습니다. 이 금액이 큰 금액이 아닌 것처럼 보일 수도 있지만, 판매자가 비트코인을 결제 수단으로 받아들이기로 결정한다면, 특히 소액 구매의 경우 지속 가능하기 위해서는 거래 비용이 상당히 낮아져야 할 것입니다.

이것이 바로 라이트닝 네트워크가 만들어진 이유입니다. 라이트닝 네트워크는 비트코인이 원래 구상한 대로 ‘디지털 현금’처럼 작동할 수 있도록 합니다. 라이트닝 네트워크는 커피 한 잔을 구매하는 소액 결제와 같은 거래가 메인넷을 우회할 수 있도록 허용함으로써, 비트코인 네트워크의 탈중앙화되고 안전한 특성을 활용하면서도 네트워크에서 거의 즉각적인 대량 거래를 대규모로 처리할 수 있습니다.

비트코인의 확장성 문제와 라이트닝 네트워크의 현황에 대해 Crypto.com 리서치의 상세 보고서에서 더 자세히 알아보세요.

비트코인 라이트닝 네트워크란 무엇인가요?

간단히 말해, 라이트닝 네트워크는 레이어-2 결제 프로토콜로, 비트코인 블록체인 위에 구축되어 결제 채널을 통해 참여자에게 거의 즉각적인 결제를 가능하게 합니다.

라이트닝 네트워크는 비트코인에 대한 확장성 솔루션으로 설계되었습니다. 비트코인 네트워크 혼잡을 줄이기 위한 노력의 일환으로, 라이트닝 네트워크는 결제 채널을 사용해 오프체인에서 비트코인 소액 결제를 처리합니다. 이러한 결제 채널은 레이어를 구성하는 요소입니다.

결제 채널은 메인 블록체인과 병렬로 실행되는 오프체인 네트워크입니다. 이 개념은 거래를 하고자 하는 두 당사자 사이에 채널을 설정하고, 해당 결제 채널에서 이루어지는 거래가 메인 블록체인을 우회합니다. 이를 통해 비트코인 네트워크와 같이 메인넷에서 글로벌 컨센서스와 컨펌을 거치지 않고도 여러 트랜잭션을 수행할 수 있습니다. 결과적으로 거래가 거의 즉각적으로 이루어지고, 또한 수수료가 매우 낮습니다.

결제 채널의 사용자는 얼마든지 거래를 할 수 있으며, 이러한 채널은 필요한 기간 동안 운영할 수 있습니다. 결제 채널이 메인넷에 접촉하는 순간은 채널을 열리고 종료할 때뿐입니다. 채널이 종료되면 참여자의 최신 ‘상태'(채널의 정보가 정확하다는 데 동의하는 양 당사자의 ‘사인오프’ 역할을 하는 오프체인 트랜잭션)가 단일 트랜잭션으로 통합되어 메인넷에 브로드캐스트됩니다.

블록체인 솔루션 확장에 대해 더 자세히 알아보세요.

비트코인과 라이트닝 네트워크의 간략한 역사

2016년: 라이트닝 네트워크 개념은 조셉 푼(Joseph Poon)과 타데우스 드라이야(Thaddeus Dryja)에 의해 처음 제안되었습니다. 그들은 네트워크를 개발하기 위해 라이트닝 랩스를 설립했습니다.

2017년: 비트코인의 프로토콜 업그레이드인세그윗(SegWit, 분리된 증인)이 출시되었으며, 이는 라이트닝 네트워크를 레이어 2 솔루션으로 완전히 활성화하는 데 중요한 이정표로 여겨졌습니다. 또한, 라이트코인 최초의 라이트닝 결제도 이루어졌으며, 이는 비트코인 네트워크 외부에서 라이트닝의 잠재력을 보여주었습니다.

2018년: 베타 테스트 기간을 거친 후 라이트닝 네트워크는 마침내 비트코인 메인넷에 출시되었습니다.

라이트닝 네트워크는 어떻게 작동하나요?

라이트닝 네트워크는 실행을 위해 노드 네트워크에 의존하며, 이 글을 작성하는 시점에 약 16,000개의 활성 라이트닝 노드가 있습니다. 라이트닝과 비트코인의 주요 차이점은 글로벌 컨센서스가 필요하지 않으며, 노드들이 대신 개인적으로 서로 거래한다는 점입니다. 네트워크에서 송금과 결제를 실행하기 위해 라이트닝 노드는 채널을 사용합니다.

1단계: 라이트닝 채널 열기

앨리스가 밥에게 비트코인을 지불하고 싶다고 가정해 보겠습니다.​​결제 채널을 개설하려면 앨리스 또는 밥(또는 둘 다)이 비트코인을 2-2 다중서명(Multisig) 지갑에 입금해야 합니다. 이렇게 하면 온체인 ‘자금 트랜잭션‘이 메인넷에 기록되며, 자금은 공동 소유 이 다중서명 주소에 락업됩니다. 양 당사자가 기여한 금액은 오프닝 채널 ‘상태’에 표시됩니다. 이 초기 오프닝 트랜잭션이 확인되면 즉시 거래할 수 있습니다.

2단계: 라이트닝 채널에서 거래하기

이제 사용 가능한 자금이 있으므로 앨리스는 밥에게 송금할 수 있습니다. 라이트닝 네트워크는 양방향 결제 채널을 사용하여 송금을 용이하게 하므로, 밥이 원할 경우 동일한 채널을 통해 앨리스에게 자금을 보낼 수도 있습니다.

앨리스와 밥 사이의 모든 트랜잭션은 스마트 콘트랙트 오프체인에서 이루어지며, 각자가 모든 거래에 서명하기만 하면 수수료가 저렴합니다(그렇지 않으면 거래가 진행되지 않을 수 있습니다). 각 당사자가 개인 키를 보유하도록 설계되었으며, 채널에서 자금을 재분배하는 것은 두 당사자가 모두 확인된 경우에만 가능합니다. 트랜잭션이 발생할 때마다 채널의 잔액도 오프체인에서 업데이트됩니다.

위의 예를 사용하여 앨리스와 밥은 채널을 개설할 때 각각 1비트코인을 입금했습니다. 오프체인에서 발생한 트랜잭션은 세 가지입니다. 1) 앨리스가 밥에게 0.25 BTC를 전송하고, 2) 앨리스가 밥에게 0.25 BTC를 추가로 전송하고, 3) 밥이 앨리스에게 1 BTC를 다시 전송합니다. 채널을 닫을 때, 클로징 트랜잭션은 이러한 이전 트랜잭션을 고려하여 각 당사자의 미결제 잔액(앨리스는 1.5 BTC, 밥은 0.5 BTC)으로 업데이트됩니다.

3단계: 라이트닝 채널 닫기

채널을 열기 위한 초기 자금 조달 트랜잭션과 마찬가지로 라이트닝 채널을 닫는 것도 온체인 트랜잭션입니다. 한 당사자가 채널 폐쇄를 시작할 수 있지만, 두 당사자가 모두 동의해야 하며, 그 후 자금이 각자의 지갑으로 다시 전송됩니다. 채널이 성공적으로 닫히면 당사자 간의 잔액을 나타내는 단일 트랜잭션이 온체인에 브로드캐스트됩니다.

라우팅 및 다자간 거래

라이트닝 네트워크의 다중 서명 및 스마트 콘트랙트 설계는 네트워크가 거래 상대방의 위험 없이 독립적으로 운영되도록 보장하며, 이는 다자간 트랜잭션에 유용합니다. 예를 들어 앨리스는 밥과 채널을 개설할 수 있으며, 밥은 캐롤과 채널이 있고 캐롤은 데이브와 채널이 있습니다. 앨리스가 데이브에게 자금을 송금하고 싶지만 두 사람이 직접 연결되어 있지 않다면 어떻게 해야 할까요? 이 경우 송금은 밥과 캐롤을 ‘홉(Hop)’으로 사용하여 라우팅됩니다.

두 당사자가 이미 자체 결제 채널을 개설한 경우, 네트워크가 수취인에게 결제가 라우팅되는 방식을 결정하도록 할 수 있습니다. 라이트닝 네트워크는 소스 라우팅(Source Routing)과 어니언 라우팅(Onion Routing) 프로토콜의 조합을 사용하여 이를 가능하게 합니다. 소스 라우팅을 사용하면 노드가 결제 경로를 완전히 제어할 수 있습니다. 어니언 라우팅을 사용하면 노드가 최적의 경로를 선택할 수 있으며, 각 홉이 암호화되어 최단 경로를 보장하고 수수료를 낮출 수 있습니다.

해시타임락 컨트랙트

이 모든 작업은 해시타임락 컨트랙트(HTLC)의 도움을 받아 안전하게 수행됩니다. 간단히 말해, HTLC는 일정 기간(또는 블록 높이) 내에 특정 조건이 충족되면 수취인이 자금을 받을 수 있도록 하는 스마트 컨트랙트 역할을 합니다. 이를 이해하기 위해 앨리스를 예로 들어 데이브와의 트랜잭션이 어떻게 이루어지는지 살펴봅시다(아래 다이어그램 참조). 이 시나리오에서 앨리스는 10블록 환불 시간 제한을 두고 데이브에게 1 BTC를 전송하려고 합니다. 앨리스의 노드는 가장 최적의 경로를 결정하고 수수료를 계산합니다(예: 1 BTC 전송에 0.002 BTC 수수료).

다자간 거래: 예시

1. 데이브는 자신만 알고 있는 ‘비밀'(R)을 생성하고 해시 함수를 실행하여 해시(H)를 생성한 다음 앨리스에게 전송합니다.

2. 앨리스는 미리 정의된 조건을 충족해야 자금을 풀 수 있는 HTLC를 설정합니다. 이 경우 앨리스는 밥이 다음 10블록 내에서 비밀(R)을 성공적으로 제공한다면 밥에게 1.002 BTC를 지불할 것을 약속합니다. 그렇지 않은 경우, 자금은 앨리스에게 다시 전송됩니다.

3. 밥은 앨리스가 락을 걸어둔 1.002 BTC를 가져갈 수 있는 비밀(R)을 알지 못하므로, 해시 ‘H’를 푸는 비밀을 아는 경로의 누군가(이 경우 캐롤)에게 1.001 BTC를 커밋하는 HTLC를 설정합니다. 이 HTLC에서 캐롤은 다음 9블록 이내에 (R)을 제공하면 1.001 BTC를 지급받고, 그렇지 않으면 밥에게 다시 자금이 전송됩니다.

4. 같은 방식으로, 캐롤이 데이브와 함께 HTLC를 생성합니다. 다음 8블록 이내에 (R)을 제공하면 1 BTC를 지급받고, 그렇지 않으면 자금이 캐롤에게 다시 전송됩니다.

5. 이 시점에서 데이브는 해시 ‘H’를 해결하는 비밀 ‘R’을 알고 있으므로, HTLC을 언락하여 캐롤로부터 1 BTC 자금을 받을 수 있습니다. 데이브가 자금을 받기 위해 비밀을 사용하는 순간, 캐롤도 비밀을 이용할 수 있게 됩니다.

6. 비밀을 받은 캐롤이 밥이 보낸 1.001 BTC를 언락하고, 이를 통해 밥에게 비밀이 공개됩니다.

7. 마지막으로, 밥은 그 비밀을 사용하여 그와 앨리스 사이의 채널에서 1.002 BTC를 얻습니다.

해시타임락 컨트랙트가 중요한 이유

HTLC는 1) 거래에서 특정 조건이 충족되도록 보장함으로써 네트워크에서 신뢰할 수 없는 시스템을 가능하게 하고, 2) ‘멀티-홉’ 거래를 안전하게 촉진하는 데 중요합니다. 이것은 앨리스가 중개인인 밥과 캐롤을 신뢰할 필요가 없음을 의미합니다. 프로토콜은 데이브가 토큰을 안전하게 받을 수 있도록 앨리스를 대신하여 작업을 수행합니다. 그렇지 않으면 토큰이 자동으로 앨리스에게 환불됩니다.

결론: 라이트닝 네트워크의 현황

라이트닝 네트워크는 지금까지 유망하다는 것이 입증되었지만, 완벽하지는 않습니다.

다음은 라이트닝 네트워크의 주요 문제점과 단점입니다.

결제 라우팅에 대한 문제는 노드의 신뢰성과 가용성에 영향을 받을 수 있습니다(예를 들어, 라우팅 노드가 신뢰할 수 있는 라우팅을 위해 다른 좋은 라우팅 노드에 대한 충분한 오픈 채널이 없는 경우). 또한, 당사자들이 문제가 있다는 것을 인지하지 못한 채 결함이 있는 노드를 사용하게 될 수 있는 미확인 결제 라우팅 실패도 있습니다.

경로 유동성이 부족하거나, 채널에서의 자금 부족으로 인해 해당 채널에서의 결제가 실패할 수 있습니다. 이는 특히 규모가 큰 트랜잭션에서 발생할 수 있습니다.

중대한 취약점과 다른 보안 위협이 존재합니다. 예를 들어 좀비 공격이나 그리핑 공격이 있습니다. 이는 악의적인 그룹이 네트워크를 혼잡하게 만들어 일부 노드를 사용할 수 없게 만들며, 이로 인해 모든 채널에 연결된 자금이 동결됩니다. 또한, 다른 것들 중에서도 이중 지불 공격(Double-spend Attack)의 가능성이 있습니다(네트워크에서 잘못 구성된 감시 체계는 악의적인 행위자들이 동일한 자금을 여러 번 사용할 수 있게 합니다).

라이트닝 네트워크의 이러한 결점에도 불구하고, 지난 몇 년 동안의 개발과 구현이 계속되고 있다는 점을 주목할 가치가 있습니다. 2023년 초, MicroStrategy는 자사의 라이트닝 네트워크 솔루션 개발 계획을 발표했습니다. 더 최근에는 디지털 결제 회사 Strike가 라이트닝 네트워크 기반의 송금 서비스를 필리핀에서 출시했습니다.

라이트닝 네트워크는 수백 개의 회사, 프로젝트 및 앱이 생태계를 구성하고 있으며, 수백만 달러의 자본이 이 분야에 투자되며 계속해서 성장하고 있습니다. 비트코인 분야의 대부분의 발전이 라이트닝 네트워크를 통해 이루어지므로, 앞으로 몇 년 동안 계속해서 발전하는 것을 보게 될 것이며, 업계 참여자들이 기술을 계속해서 발전시키는 것은 놀라운 일이 아닐 것입니다.

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