블록체인 확장성에 대한 심층 분석

우리는 거의 즉각적인 암호화폐 거래 속도를 달성할 수 있는 유망한 블록체인 개발에 대해 자세히 알아봅니다.

주요 내용:

• 블록체인 확장성은 Visa 및 PayPal과 같은 기존 금융 솔루션을 현재 표준으로 사용하여 네트워크가 초당 처리할 수 있는 트랜잭션 수를 나타냅니다.

• 처리량, 최종성 및 확인 시간은 블록체인의 확장성에 대한 세 가지 주요 병목 현상입니다. 제안된 솔루션은 모두 이러한 문제를 해결하는 데 목적이 있습니다.

• 블록체인 확장성 트릴레마(확장성, 분산화, 보안)는 해결하기 까다로운 문제일 수 있지만 고정된 문제는 아닙니다.

• 확장성을 높이기 위해 블록체인이 향하고 있는 세 가지 방향에는 새로운 합의 메커니즘과 온체인 및 오프체인 솔루션이 포함됩니다.

소개

블록체인 확장성은 틀림없이 암호화폐 세계의 성배이자 병목 현상입니다. 많은 암호화폐의 현재 거래 시간은 다른 지불 방법과 비교할 수 없기 때문에 주로 거래 속도를 나타냅니다. 그러나 암호 커뮤니티는 이 장애물을 극복하는 최선의 방법에 대해 다른 이론을 가지고 작업하고 있습니다. 이 글에서 우리는 마침내 암호화폐에 거의 즉각적인 트랜잭션 속도를 가져올 수 있는 유망한 개발에 대해 자세히 살펴봅니다.

확장성이 중요한 이유: 암호화폐 트랜잭션 속도

Visa는 초당 최대 24,000개의 트랜잭션(TPS)을 처리할 수 있지만 Bitcoin은 7개의 TPS만 처리할 수 있습니다. 비트코인의 가장 가까운 경쟁자인 이더리움은 20~30 TPS를 처리할 수 있습니다. 암호화폐가 대량 채택을 달성하기 위해서는 전통적인 금융의 거래 기능을 따라잡아야 한다는 것은 분명합니다.

그런데 블록체인 에서 확장성이 왜 그렇게 어려운가요? 업계 종사자들이 듣고 있는 방향은 무엇입니까? 이 기사는 이러한 질문에 대한 답변 등을 제공합니다.

병목 현상: 처리량, 최종성 및 확인 시간

TPS는 처리 속도와 어떤 관련이 있습니까? cryptocurrency가 확장 가능한지 묻는 질문은 정확히 무엇을 의미합니까? 이러한 질문에 답하려면 먼저 처리량, 최종성 및 확인 시간의 개념을 이해해야 합니다.

이 이야기를 고려하십시오.

한 사람이 10분 간격으로 오는 버스를 기다리고 있습니다. 그런 다음 버스가 목적지까지 데려다 주는 데 60분이 걸립니다. 그러나 이 특정 노선은 인기가 있으며 항상 많은 사람들이 버스에 탑승하려고 합니다.

2분이 지나고 버스가 도착했다. 불행하게도 이 사람보다 앞서 기다리는 사람이 너무 많아 버스가 꽉 찼습니다. 이제 여정을 시작하려면 10분을 더 기다려야 합니다. 여정은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

다음 사항에 유의해야 합니다.

• 처리량(TPS) 측정만으로는 충분하지 않습니다. 확인 시간도 고려해야 합니다. 간단히 말해서 최대 100,000 TPS를 처리할 수 있는 프로토콜이 훌륭합니다. 그러나 2일의 확인 시간이 있으면 매일 사용하기에 충분하지 않습니다.
• 네트워크 정체가 있는 경우 처리량은 감소하지 않지만(버스는 여전히 분당 7명의 승객을 태울 수 있으므로) 평균 첫 번째 블록 대기 시간이 길어지기 때문에 확인 시간이 늘어납니다.
• Finality is fixed: 블록이 되돌릴 수 없음을 확인하기 위해 대기하는 ‘6개의 블록 확인’이 있습니다. 평균 첫 번째 블록 대기 시간은 상황에 따라 다릅니다.

블록체인 확장성 트릴레마

블록체인 확장성 트릴레마는 암호화폐의 가장 큰 장애물 중 하나입니다. 블록체인은 분산화, 확장성 또는 보안 중 두 가지만 동시에 달성할 수 있지만 세 가지를 모두 달성할 수는 없습니다. 따라서 트레이드 오프는 불가피합니다. 트릴레마는 원래 이더리움의 창시자인 Vitalik Buterin에 의해 만들어졌습니다 .

그러나 확장성 트릴레마는 Buterin 및 Web3 커뮤니티의 관찰이므로 확정되지 않았습니다. 트릴레마를 해결하는 것이 얼마나 어려운지에도 불구하고 누군가가 불가능하다는 것을 증명하지 않는 한 알고리즘이 존재할 수 있습니다.

1) 탈중앙화

탈중앙화는 블록체인에 대한 소유권, 영향력 및 가치의 다양화 정도를 의미합니다. 단일 당사자가 전체 네트워크를 관리할 수 없기 때문에 암호화폐는 일반적으로 분산되어 있습니다. 그러나 탈중앙화는 비트코인과 이더리움을 포함한 다양한 블록체인 프로젝트에 걸쳐 다양한 수준의 탈중앙화가 있기 때문에 이분법적인 ‘예 또는 아니오’가 아닌 스펙트럼입니다.

2) 보안

보안은 블록체인이 외부 소스의 공격에 대해 갖는 방어 가능성 및 변조에 대한 저항의 수준입니다. 블록체인 시스템에는 이중 지출 , 분산 서비스 거부( DDoS ) 및 51% 공격을 포함하여 많은 공격 벡터가 있습니다.

일반적으로 더 큰 자유(즉, 네트워크에 대한 자유로운 입장/퇴장)는 더 높은 분산화를 가져오지만 보안은 더 낮습니다. 새로운 참가자의 신원을 확인하기가 어렵기 때문입니다. 잠재적으로 단일 악성 개체가 소유하거나 공모하여 네트워크에 해를 끼칠 수 있기 때문입니다.

3) 확장성

확장성은 노드 수, 처리할 수 있는 트랜잭션 수, 처리 속도 등을 포함하여 네트워크의 용량을 결정합니다.

비트코인의 블록체인은 네트워크에 참여하는 새로운 참여자에 따라 확장 가능하기 때문에 확장성이라는 용어는 때때로 혼란스럽습니다. 작업증명(PoW) 시스템은 채굴 난이도를 자동으로 조정하며, 네트워크는 그 안에 존재하는 노드 수에 관계없이 허용할 수 있습니다.

‘Bitcoin은 확장 가능하지 않다’는 일반적인 말은 처리량에 초점을 맞추고 있습니다. TPS가 7에 불과해 실용화할 만큼 높지 않다는 점을 기억하세요. Bitcoin의 최종 속도는 또 다른 문제입니다. 구매가 유효한지 확인하기 위해 60분을 기다리는 것은 결코 이상적이지 않습니다.

블록체인 확장성 향상

블록체인을 확장하는 것은 복잡하며 트릴레마를 해결하기 위해 연구자와 기업이 수많은 노력을 기울이고 있습니다. 일반적으로 블록체인 확장성에 대한 세 가지 방향이 있다고 생각합니다.

• Layer-1(온체인)
• Layer-2(오프체인)
• 기타 합의 메커니즘

레이어 1(온체인) 솔루션

Layer-1 솔루션은 블록체인의 코드베이스를 변경해야 합니다(따라서 ‘온체인’). 온체인 확장성 솔루션은 블록체인의 구조적 또는 근본적인 변화를 나타냅니다. 여기에서는 세그윗과 샤딩이라는 두 가지 온체인 스케일링 솔루션에 대해 논의합니다.

분리된 증인(SegWit)

SegWit 은 데이터 저장 방식과 구조를 변경하는 비트코인용 프로토콜 업그레이드입니다. SegWit의 원래 의도는 발신자 자금의 소유권과 가용성을 확인하는 디지털 서명이 거래에서 많은 공간을 차지하기 때문에 거래 가단성 문제를 해결하는 것이었습니다.

SegWit을 사용하면 각 트랜잭션의 서명 데이터를 제거하여 비트코인의 1MB 스토리지 블록에 포함할 트랜잭션을 위한 더 많은 공간과 용량을 해제하여 더 많은 트랜잭션을 하나의 블록에 포함할 수 있습니다. SegWit은 이미 Litecoin에서 구현되었습니다.

SegWit은 처리량을 높이고 비트코인이 더 많은 거래를 처리하도록 돕지만 지속 가능한 확장 솔루션은 아닙니다. 일반적인 스케일링 솔루션이 아니며 존재하는 하나의 비트코인 ​​기반 블록체인에만 적용할 수 있습니다. SegWit은 비트코인이 더 많은 트랜잭션을 처리할 수 있게 해주지만 각 트랜잭션의 확인 시간을 줄이지는 않습니다.

샤딩

샤딩은 수평 분할이라고도 하는 데이터베이스 분할의 한 형태입니다. 이는 성능을 개선하고 쿼리 응답 시간을 줄이기 위해 방대한 데이터베이스를 더 작고 관리하기 쉬운 세그먼트로 나누는 프로세스입니다.

블록체인은 분산 데이터베이스이며 블록체인에 샤딩을 적용하면 네트워크가 여러 세그먼트로 나뉩니다. 각 세그먼트는 할당된 특정 노드에 의해 관리됩니다. 이로 인해 임의로 많은 노드 클러스터가 트랜잭션을 처리하기 위해 병렬로 실행되기 때문에 시스템의 처리량이 크게 향상됩니다.

레이어 2(오프체인) 솔루션

레이어 2 확장성 솔루션 또는 오프체인 솔루션은 더 빠른 거래를 촉진하기 위해 메인 블록체인(메인체인이라고도 함) 네트워크에 두 번째 레이어를 추가합니다. 보조 프로토콜은 공간을 절약하고 네트워크 정체를 줄이기 위해 트랜잭션이 ‘오프로드’되는 메인체인 위에 구축됩니다.

사이드체인

사이드체인은 메인체인에 연결된 별도의 블록체인으로 양방향 페그를 사용하여 미리 정해진 비율로 메인체인과 사이드체인 간에 자산이 거래됩니다. 사이드체인은 특정 애플리케이션을 사이드체인으로 이동하여 메인체인에서 오프로드하는 데 사용됩니다. 블록체인 간 통신이 보다 효율적이 되면 확장성 문제에 대한 가장 유망한 솔루션 중 하나입니다.

여러 개의 사이드체인을 메인체인에 연결할 수 있으며 각 사이드체인은 자체 아키텍처를 가질 수 있습니다. 메인체인이 있는 사이드체인의 네트워크를 만들 수 있습니다. 여기서 메인체인은 릴레이 네트워크 역할을 하고 사이드체인은 블록체인 네트워크를 나타냅니다. Plasma(Ethereum) 및 Parachain(Polkadot)은 사이드 체인 및 릴레이를 사용하는 널리 사용되는 확장 솔루션입니다.

결제 채널

결제 채널은 메인체인과 병렬로 실행되는 오프체인 네트워크입니다. 아이디어는 거래를 원하는 두 당사자 사이에 채널을 설정하는 것입니다.

채널 내에서 발생하는 모든 트랜잭션은 오프체인이며 글로벌 합의가 필요하지 않습니다. 결과적으로 이러한 트랜잭션은 일반적으로 낮은 수수료로 스마트 계약을 통해 신속하게 실행됩니다. 일반적인 결제 채널에는 다음 세 단계가 포함됩니다.

1단계: 서명 및 자금 조달을 통해 채널을 구축합니다.

2단계: 채널에서 발생하는 피어 투 피어(P2P) 트랜잭션.

3단계: 채널이 닫히고 메인체인의 최종 상태가 방송됩니다.

결제 채널에는 여러 가지 디자인이 있습니다. Lightning Network (Bitcoin) 및 Raiden Network(Ethereum)는 널리 사용되는 결제 채널 구현입니다.

합의 메커니즘 및 거래 속도에 중요한 이유

블록체인 확장의 어려움은 주로 네트워크의 모든 참여자가 어떤 거래가 유효한지에 동의해야 하기 때문에 합의 메커니즘 때문입니다. 비트코인은 많은 수의 참여자(노드)로 확장할 수 있지만 많은 수의 트랜잭션으로 확장할 수는 없습니다.

따라서 문제를 해결하기 위한 시도로 몇 가지 대체 합의 메커니즘이 등장했습니다. Nakamoto, Classical 및 Leaderless의 세 가지를 아래에서 소개합니다.

나카모토 합의 메커니즘

Satoshi Nakamoto의 PoW 합의 메커니즘은 무허가 설정에서 비잔틴 장군 문제를 해결하기 위한 새로운 방향을 열었습니다. PoW 합의 메커니즘의 개발에 따라 많은 새로운 합의 알고리즘이 등장했습니다. 여기에는 지분 증명( PoS ), 권한 증명(PoA), 평판 증명(PoR) 및 중요도 증명(PoI)이 포함됩니다.

일반적으로 이들은 Nakamoto 합의 메커니즘으로 분류됩니다.

고전적 합의 메커니즘

고전적인 합의 메커니즘은 비트코인이 발명되기 전에 연구된 전통적인 알고리즘입니다. 그들은 전체 네트워크 내에서 합의에 도달하기 위해 여러 라운드의 투표가 있는 고정 피어 세트에 중점을 둡니다. 고전적인 합의 메커니즘을 사용하는 네트워크의 예로는 Paxos , Raft 및 pBFT 가 있습니다.

비트코인이 발명된 후 고전적인 합의 메커니즘은 위임 BFT(dBFT), 연합 BFT(fBFT), 텐더민트 등과 같은 새로운 변형으로 발전했습니다. 이러한 메커니즘은 무허가 환경에 더 적합합니다.

리더 없는 합의 메커니즘

전통적인(BFT와 같은) 합의 메커니즘과 Nakamoto(PoW와 같은) 합의 메커니즘은 모두 리더 기반이므로 전체 네트워크가 블록 제안, 트랜잭션, 원장 상태 등에 대한 리더를 선출해야 나머지 네트워크가 투표할 수 있습니다. 또는 제안에 동의하지 않습니다.

그러나 리더가 없는 합의 메커니즘을 사용하는 새로운 방향이 있습니다. 여기서 네트워크의 모든 참가자는 최근 거래를 가져올 수 있으며 이는 네트워크 전체에 가십처럼 퍼집니다. 결국 블록체인은 포함할 트랜잭션에 대한 합의를 결정합니다. 리더 없는 합의 메커니즘을 사용하는 프로젝트의 예로는 Avalanche, IOTA 및 NKN이 있습니다.

리더 없는 합의 메커니즘이 확장성 트릴레마를 해결하기 위한 경로를 제공하는 것처럼 보이지만 대부분은 현재 실험적입니다.

합의 메커니즘의 기본 원칙에 대한 보다 심도 있는 논의는 How to Agree: Different Types of Consensus for Blockchain을 참조하십시오 .

스케일링 솔루션에 대한 최종 결정

블록체인이 여전히 탐색해야 할 주요 장애물, 즉 확장성 트릴레마에도 불구하고 커뮤니티에서 제안한 것 외에도 샤딩 및 라이트닝 네트워크를 포함하여 트랜잭션 시간을 높일 수 있는 몇 가지 잠재적인 솔루션이 있습니다. 더 읽어보려면 사이드체인 과 합의 메커니즘에 대한 심층 분석을 확인하세요.

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