아비트럼 101

Key Takeaways

• Arbitrum은 이더리움 생태계의 대표적인 옵티미스틱 롤업 프로젝트로, TVL 기준 1위 자리를 지속적으로 지키고 있다.

• Arbitrum Nitro는 현존하는 롤업 네트워크들 중 유일하게 fraud proof 시스템이 도입되어있으며, 이에 더해 높은 확장성과 EVM 호환성을 제공한다.

• Arbitrum Nova는 Arbitrum AnyTrust 프로토콜을 기반으로 하고 있으며, 데이터 저장을 이더리움 네트워크가 아닌 Data Availability Committee (DAC)를 통해 하기 때문에 Arbitrum Nitro보다 더 높은 확장성을 제공할 수 있다.

• Arbitrum Orbit은 개발자들이 Arbitrum 생태계에 L3 네트워크를 손쉽게 개발할 수 있도록하는 프레임워크로, 이를 통해 Arbitrum 생태계가 더욱 더 풍성해질 것으로 기대된다.

1. 들어가며

1.1 Arbitrum, the Leading Competitor

2019년 12월 최초로 이더리움 L2 네트워크가 출시한 이후로 시장상황과 큰 상관없이 전체 L2 네트워크의 TVL은 지금까지도 꾸준히 우상향하고 있다. 수년 전만해도 굉장히 적은 수의 L2 네트워크들이 존재했던 반면, 현재는 L2beat 기준 29개의 L2 네트워크들이 존재한다.

이 중에서도 네트워크의 전반적인 활성도에서 꾸준히 선두주자를 달리고 있는 프로젝트가 있으니, 바로 Arbitrum이다. 8월1일 기준 Arbitrum의 TVL은 $5.94B로, 이는 2등인 Optimism의 TVL보다 약 2배 높은 수치이다. Arbitrum의 고유 주소수도 10,472,775개로 Optimism에 비해 약 1.5배 높은 수치를 보여주고 있다.

1.2 Arbitrum Introduction

Arbitrum은 이더리움을 기반으로하고 있는 옵티미스틱 롤업 네트워크이다. 롤업 네트워크란 트랜잭션 데이터를 베이스 레이어에 저장하고, 연산은 자체적으로 수행하여, 보안을 베이스 레이어에 의존하는 블록체인을 의미한다. 옵티미스틱 롤업은 zk롤업과 달리 연산의 결과가 타당하다고 가정하고 사용자들의 트랜잭션을 처리하기 때문에, 악의적인 시퀀서 때문에 연산의 결과가 타당하지 않을 경우를 대비해서 약 1~2주 정도의 분쟁 기간(dispute window)를 두고, 만약 이 기간 동안 별 다른 이의 제기(challenge)가 없으면 연산의 결과를 타당하다고 취급한다.

현재 Arbitrum 네트워크는 Arbitrum One과 Arbitrum Nova가 존재는데, 이 둘의 차이점은 무엇일까? 가장 큰 차이점은 바로 트랜잭션 데이터를 다루는 형식이다. Arbitrum One은 트랜잭션 데이터를 이더리움 네트워크에 직접 저장하기 때문에, 이더리움의 보안을 온전히 레버리지 할 수 있지만, 데이터 저장에 이더리움 네트워크를 사용하기 때문에 확장성이 약간 낮다는 단점이 있다. 이에 반해 Arbitrum Nova는 트랜잭션 데이터를 Data Availability Committee (DAC)라는 오프체인 주체들에 의해 관리되기 때문에 옵티미스틱한 상황에서 Arbitrum One에 비해 훨씬 더 높은 확장성을 가지고 있다는 장점이 있다.

하지만 이 둘은 데이터 저장 방식에서만 차이를 가지고 있을 뿐, 네트워크는 모두 기본적으로 Arbitrum Nitro 스택을 기반으로 하고 있다는 점은 동일하다.

2. Arbitrum Nitro

2.1 Arbitrum Classic vs. Nitro

(Source: Arbitrum Docs)

Arbitrum Nitro는 2022년 8월에 적용된 업그레이드로, 이전의 Arbitrum Classic은 지금의 Arbitrum Nitro와 상당히 다른 모습을 띠고 있었다. Arbitrum Classic에선 EVM이 아닌 자체적으로 구축한 실행 환경인 Arbitrum Vitrual Machine (AVM)을 사용했다. 반면에 Arbitrum Nitro의 노드는 AVM을 사용하지 않으며, 위 그림과 같이 세 개의 레이어로 이루어져있다.

베이스 레이어로는 EVM의 연산을 수행할 수 있는 geth core이 있으며, 맨 위 레이어도 대부분 geth로부터 온 노드 소프트웨어가 존재한다. 중간 레이어에 존재하는 ArbOS는 커스텀 소프트웨어로 L2와 관련된 기능들(e.g., L1-L2 브릿징, L1 가스 계산 등)을 담당한다.

2.2 Advantages of Arbitrum Nitro

Arbitrum Nitro는 새로운 구조 덕분에 Arbitrum Classic에 비해 다양한 장점들을 가진다:

2.2.1 Exeuction과 Proving의 분리

Arbitrum Nitro에선 트랜잭션의 연산(execution)과 검증(proving)이 분리되어 수행된다. Arbitrum Classic에서는 하이레벨 언어(e.g., Solidity, Vyper, …)가 EVM 바이트코드로 한 번 컴파일 된 후, 이 바이트코드는 fraud proof 시스템을 위해 AVM에 맞게 트랜스파일(transpile)되는 과정을 거쳤다.

하지만, Arbitrum Nitro에선 일반적인 상황에선 네이티브 언어를 타겟하여 컴파일되는 반면, fraud proof 시스템에서 챌린지가 들어올 경우 fraud proof를 생성하는데 걸맞는 Wasm 바이트코드를 타겟하여 컴파일된다.

이는 다시 말하면, Arbitrum Classic에서는 분쟁 기간이 아닐 때도 모든 트랜잭션이 fraud proof에 사용되는 코드로 컴파일 되기 때문에 비효율적이었지만, Arbitrum에선 평소에는 executon에만 해당하는 코드로 컴파일하다가, 분쟁기간이 들어올 때만 fraud proof에 사용되는 Wasm 코드로 컴파일 되기 때문에 매우 효율적이다.

2.2.2 트랜잭션 데이터 압축

롤업 네트워크에서 발생하는 비용 중 대부분이 베이스 레이어에 트랜잭션 데이터를 저장하는데 발생하는 가스비이기 때문에, 트랜잭션 데이터를 압축하는 것은 매우 중요하다.

Arbitrum Classic의 AVM은 커스텀 가상머신이기 때문에 새로운 데이터 압축 알고리즘을 구현하는 것이 어렵고 기술적으로 리스크가 있던 반면에, Arbitrum Nitro는 VM이 Wasm으로 컴파일만 될 수 만 있으면 되기 때문에 geth뿐만 아니라 어떠한 Go 코드도 사용될 수 있다. 이미 트랜잭션 데이터 압축과 관련된 Go 라이브러리가 많기 때문에 손쉽게 트랜잭션 데이터를 압축할 수 있는 알고리즘을 도입할 수 있고, 이는 롤업 네트워크의 트랜잭션 수수료를 낮출 수 있다.

2.2.3 이더리움 호환성

Classic AVM은 EVM과 가스 계산 로직이 다르거나하는 등의 미묘한 차이가 있었기 때문에 개발자들이 기존의 코드를 조금 수정해야된다는 단점이 있었으나, Arbitrum Nitro에선 이러한 것들을 개선했다. 또한, 애초에 Arbitrum Nitro 스택은 대부분 geth로부터 유래하기 때문에 훨씬 더 높은 수준의 이더리움 호환성을 제공한다.

3. Transaction Lifecycle

3.1 Lifecycle

Arbitrum의 트랜잭션 라이프사이클은 다음과 같다:

1. Sequencer는 사용자들로부터 트랜잭션들을 받는다. 트랜잭션은 L2에서 직접 받을 수도 있으며, L1의 Delayed Inbox 컨트랙트를 통해 받을 수도 있다. L1으로부터 트랜잭션을 받는 경우는 대부분 브릿징이며, 만약 sequencer가 검열을 한다면 사용자는 Delayed Inbox 컨트랙트를 통해 트랜잭션을 강제로 삽입(force including)할 수 있다.

2. Sequencer가 트랜잭션들의 순서를 결정한다. 현재 아비트럼은 중앙화된 시퀀서를 사용하며, 트랜잭션은 선착순(first-come-first-served) 방식으로 처리된다.

3. Sequencer는 L2 트랜잭션들을 모아 batch로 만들고 L1에 calldata의 형태로 저장한다.

4. Fraud proof 시스템을 통해 1주의 분쟁 기간을 가지고, 만약 챌린지가 없다면 롤업 블록은 완결된다. (finalized)

3.2 Fraud Proof System

옵티미스틱 롤업에서 연산의 타당성을 보장하기 위해선 fraud proof 시스템이 필수적이다. 재미있는 사실은 현존하는 옵티미스틱 롤업 중 fraud proof 시스템이 도입된 네트워크는 Arbitrum One과 Arbitrum Nova가 유일하다는 것이다. 참고로 현재는 Arbitrum의 fraud proof 시스템엔 화이트리스팅된 밸리데이터들만이 참여할 수 있으나, 최근 누구나 참여할 수 있는 fraud proof 시스템인 BOLD가 공개되었다.

Fraud proof 시스템엔 크게 두 가지 옵션이 있다: ‘interactive proving’ 또는 ‘트랜잭션 재실행(re-executing transactions). Arbitrum은 전자의 방식을 채택한다. Interactive proving이란 분쟁의 주체끼리 상호작용하며 분쟁을 해결하는 것이다. Arbitrum은 dissection의 방법을 사용하는데, 두 주체끼리 상호작용을 통해 N개의 연산들 중에서 → N/2 → N/4 → … 1개의 연산 스텝이 남을때까지 줄이고, 이 연산에 대한 타당성을 판단한다.

4. Arbitrum Nova

Arbitrum Nova는 Arbitrum AnyTrust 프로토콜을 기반으로한 네트워크로, Arbitrum AnyTrust는 Nitro 기술의 약간의 변형 버전이다. Arbitrum Nitro는 기본적으로 트랜잭션 데이터를 이더리움 네트워크에 calldata로 저장하지만, Arbitrum AnyTrust는 트랜잭션 데이터의 저장을 오프체인 파티인 Data Availability Committee (DAC)에 의존한다. DAC에 N명의 멤버가 있다고 가정하면, 최소 2명이 정직하면 실패하지 않도록 한다 (2-of-N). 보통 BFT의 경우 2/3 이상의 정직한 주체가 필요한데, Arbitrum AnyTrust에선 어떻게 2명의 주체만 있어도 시스템이 실패하지 않을 수 있는 것일까? 이는 바로 시스템 실패시 ‘fallback to rollup’ 기능이 있기 때문이다.

Sequencer는 트랜잭션 데이터를 DAC에 보내고, DAC의 멤버들은 데이터를 저장한 것에 대한 서명을 sequencer에게 보내게되는데, 만약 sequencer가 특정 시간내에 충분한 서명을 모으지 못한다면 sequencer는 DAC를 활용하는 것을 포기하고, 롤업 모드로 작동하도록 한다. 이 때부터는 트랜잭션 데이터를 DAC가 아닌 이더리움에 저장한다. 따라서 Arbitrum AnyTrust의 2-of-N 가정은 큰 무리가 없으며, N명 중 N-1명이 서명한 것은 항상 타당할 수 밖에 없다 (최소 2명이 정직하다고 가정했을 때 N-1명 중 최소 1명은 무조건 정직하기 때문에).

트랜잭션 데이터를 이더리움이 아닌 오프체인에 저장하면 비용이 굉장히 저렴하기 때문에, Arbitrum Nova는 게임, 소셜 미디어 등 트랜잭션이 자주 발생하는 서비스에 적합하다. 실제로 미국 최대 인터넷 커뮤니티인 Reddit은 실험적인 서비스인 Community Points에 Arbitrum Nova를 적용했고, r/CryptoCurrency 서브레딧 게시판의 포인트인 MOON 토큰도 Arbitrum Nova위에서 거래가 가능하다.

5. Decentralization & Risk

마지막으로 아비트럼 네트워크의 탈중앙성과 리스크에 대해 살펴보자.

5.1 State of Decentralization

Arbitrum도 타 롤업들과 비슷하게 점진적 탈중앙화(progressive decentralization)의 로드맵을 가지고 있다. Arbitrum에서는 탈중앙화가 필요한 요소를 4가지로 나눈다:

• Chain ownership - 스마트 컨트랙트 업그레이드, 파라미터 설정, 체인 중지 등 체인과 관련된 활동들에 대한 탈중앙성을 포괄한다. 현재는 ARB 토큰 홀더들로 이루어진 Arbitrum DAO에 의해 운영(governed)되며, 긴급 상황에 있어서 12명으로 이루어진 Security Council의 멀티시그 방식으로 운영될 수 있다.

• Validator ownership - 밸리데이터는 fraud proof 시스템에 참여하는 주체들로, 현재 화이트리스팅된 주체들만 참여할 수 있다. 이는 타 옵티미스틱 롤업 네트워크들에 비해 매우 양호한 수준이다. 만약 모든 밸리데이터들이 오프라인이 된다면, 약 7일 후에 누구나 validator가 될 수 있어 liveness 문제는 발생하지 않는다.

• Sequencer ownership - Sequencer는 사용자들의 트랜잭션을 받아 순서를 정하는 역할을 하며, 현재는 아비트럼 재단이 중앙화 방식으로 운영하고 있다.

• DAC ownership - Arbitrum AnyTrust는 소수의 멤버로 이루어진 DAC에 의존한다. 현재 Reddit, ConsenSys, QuickNode, P2P, Google Cloud, Offchain Labs, Opensea 총 7명의 멤버가 존재한다.

5.2 Risks

현재 Arbitrum 네트워크에 존재하는 리스크는 다음과 같다:

• 소수의 신뢰 주체로 이루어진 Security Council의 다수가 악의적으로 행동할 경우 스마트 컨트랙트를 임의적으로 업그레이드하는 등, 네트워크의 큰 위협이 될 수 있다.

• 정직한 밸리데이터가 단 한 명도 존재하지 않으면 네트워크의 safety에 문제가 생길 수 있다.

• Sequencer가 사용자의 트랜잭션을 검열할 수 있어 L2 liveness에 문제가 생길 수 있으나, 사용자는 L1을 통해 트랜잭션을 강제할 수 있는 기능이 존재한다.

• 만약 7명 중 6명 이상의 DAC 멤버가 악의적으로 행동할 경우 Arbitrum AnyTrust의 safety에 문제가 생길 수 있으나, 이는 ‘fallback to rollup’ 메커니즘에 의해 방어될 수 있다.

6. Arbitrum Orbit

(Source: Arbitrum Docs)

타 L2 프로젝트들과 마찬가지로 Arbitrum도 개발자들이 손쉽게 app-specific 혹은 general-purpose L3를 런칭할 수 있는 Arbitrum Orbit이라는 프레임워크를 제공한다. Arbitrum Orbit으로 만들어진 L3 네트워크는 Arbitrum Nitro 스택을 기반으로 하며, Arbitrum One 혹은 Arbitrum Nova를 settlement layer로 사용할 수 있다.

Arbitrum Orbit으로 만들어진 L3 네트워크는 자유도가 굉장히 큰데, Wasm 기반의 스마트 컨트랙트를 지원할 수 있기 때문에 C, C++, Rust 등으로 프로그래밍을 할 수 있고, fee 보조와 같은 계정 추상화(Account Abstraction)기능을 추가하거나, fee 토큰을 다른 토큰으로 지불할 수 있는 다양한 기능들을 제공한다.

Arbitrum Orbit은 수 많은 L3 네트워크를 가능케 해 Arbitrum 생태계를 키우는데 굉장히 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

7. 마치며

롤업 생태계가 막 태동하기 시작할 때부터, TVL 관점에서 Arbitrum은 줄곧 선두주자 자리를 놓치지 않았다. 이는 어떻게 가능했던 것일까? 가장 직접적인 경쟁자인 Optimsim과 비교해서 갖는 차이점은 생태계의 활성화 정도이다.

네트워크 초기에 Optimsim은 화이트리스트가 존재하여 아무나 디앱을 빌딩할 수 없었던 반면에, Arbitrum은 2021년 8월 출시할 때부터 화이트리스트가 없어서 누구나 디앱을 빌딩할 수 있었다. 따라서 단순 디파이 프로토콜인 ArbiNYAN부터 시작해서 TVL이 빠르게 성장할 수 있었다.

이후에는 GMX와 같은 혁신적인 선물 프로토콜이나, TreasureDAO와 같이 오가닉 유저를 많이 모을 수 있는 P2E 플랫폼이 등장하면서 Arbitrum 생태계는 더욱더 폭발적으로 성장할 수 있었다. 이에 더해 에어드랍 이벤트도 수 많은 관심을 끌게되며, 아비트럼은 아직까지도 TVL 기준 1위 자리를 굳건하게 자리매김하고 있다.

생태계를 제외하고, 기술적인 부분에서도 Arbitrum은 뛰어난 면모를 갖추고 있다. Fraud proof 시스템이 실제로 존재하며, 최근에는 BOLD라는 permissionless한 시스템까지 공개했다는 점, Arbitrum Nitro를 통해 뛰어난 성능과 높은 EVM 호환성을 제공한다는 점, Arbitrum AnyTrust라는 더 높은 확장성을 가진 솔루션을 제공할 수 있다는 점, Arbitrum Orbit을 통해 멀티 롤업 생태계를 구축한다는 점 등 Arbitrum의 현재 뿐만 아니라 미래도 충분히 지켜볼 가치가 있다고 생각한다.

이 글의 비주얼을 제공해주신 Kate에게 감사의 말씀을 전합니다.