옵티미스틱 증명 시스템의 현황 - 영지식 증명이 대체할까?

*본 아티클에 피드백을 준 OffchainLabs 의 Derek와 Initia의 Jessie 에게 감사 인사를 전합니다.

1. 증명 시스템과 옵티미스틱 증명

블록체인의 기본으로 돌아가 보자. 블록체인은 본질적으로 상태 머신이다. 트랜잭션에 따라 상태가 변경되고, 이렇게 변경된 사안에 대하여 공유되는 참여자들이 합의하여 이를 사용한다. 따라서 모든 참여자가 공유 상태에 동의하는 것이 중요하다. 더 나은 합의를 촉진하고 특정 당사자에 대한 신뢰의 필요성을 없애기 위해 블록체인은 탈중앙화에 중점을 둔다. 그러나 이러한 탈중앙화는 확장성을 제한하여 더 많은 트랜잭션을 수용하기 어렵게 만들기도 한다. 이러한 딜레마를 블록체인 트릴레마라고 한다.

이러한 트릴레마로 인하여 최초의 스마트 컨트랙트 블록체인 중 하나인 이더리움은 롤업의 탄생을 야기했다. 이 롤업 모델에서는 실행이 이더리움에서 분리되어 있지만, 유효성을 확인하고 악의적인 활동을 처벌하는 시스템은 이더리움에서 처리하게 되었다. 이 시스템을 구축하기 위한 접근 방식은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 다음 상태를 미리 임시로 확정하고 챌린지 기간이라는 시간을 두어 이에 반대를 하는 챌린저가 없다면 변경된 상태를 최종 확정하는 옵티미스틱 방식이다. 두 번째 방법은 영지식을 사용하여 저비용으로 이더리움에서 검증이 가능하되 모든 정보를 이더리움에 저장하거나 의존하지 않는 유효성 증명을 활용하는 것이다. 사이드체인도 다른 접근법이지만, 증명에 대한 이더리움 의존도가 낮기 때문에 제외했다.

구현과 운영이 비교적 간단하기 때문에 롤업 상태 변경을 증명하는 주요 방법으로 옵티미스틱 증명(일명 사기 증명 - Fraud Proof, 결함 증명 - Fault Proof)이 프로덕션에서 주로 사용되었다.

1.1 증명 체계의 현황 - 영지식과 옵티미스틱 증명

한때는 옵티미스틱 증명 시스템이 설 자리를 잃고 영지식(Zero Knowledge) 증명 시스템이 곧 지배적일 것으로 여겨졌다. 영지식 증명 시스템은 일반적으로 롤업에 비해 더 낮은 비용과 더 빠른 완결성을 제공할 것으로 기대되었다. 현재 시장을 봤을 때 증명 생성 측면에서 상당한 발전이 이루어졌으며, MIPS, RISC-V, Wasm을 기반으로 하는 범용 zkVM의 구축에 대한 실험 또한 많이 진행되다. 여기에는 ZKM, RiscZero, Succint Labs, Fluent와 같은 프로젝트가 포함된다. zk 롤업의 분명한 이점에도 불구하고 비용 효율적이고 안전한 버전을 개발하는 데는 상당한 어려움이 있다. 기존 EVM과 완전히 호환되지 않는 경우도 있어 작년에 zkSync에서는 20억에 가까운 ETH가 묶이기도 했다. 또한 EVM의 새로운 업데이트에 대해 zkEVM을 큰 변경 없이 새로운 기능을 추가하기 어렵기 때문에 쉽지 않은 과제이다.

이러한 어려움으로 인해 현재 롤업 생태계에서는 옵티미스틱 증명 시스템이 가장 많이 사용되고 있으며, 전체 L2 TVL의 약 75%에 해당하는 대부분의 TVL을 보유하고 있다. 이러한 우세가 앞으로도 계속될지는 아직 불확실하다. 그러나 증명 시스템을 개선하기 위한 수많은 연구와 개발이 진행되고 있다.

Source: Blockchains (L2) | Markets | Token Terminal

1.2 옵티미스틱 증명 시스템의 미래는?

옵티미스틱 증명 시스템을 개선하기 위해 활발한 연구와 개발이 이루어지고 있으며, 이는 다음과 같은 세 가지 주요 사항으로 이루어지고 있다:

1. 비용 절감

2. 탈중앙화: 시퀀싱, 챌린징 및 마무리 과정

3. 소프트 및 하드 최종성 시간 줄이기

세 가지 영역 모두에서 상당한 노력이 이루어졌으며, 최근 EIP-4844를 통합한 덴쿤 업그레이드, 데이터 압축 개선, 인터랙티브 증명 시스템 개발 등이 그 예시이다.

"4. 다가오는 발전 - 문제와 해결책"에서 최근의 발전에 대해 자세히 살펴보기 전에, 기존의 개념과 현재 환경을 철저히 이해하는 것이 중요하다. 먼저 "2. 발전 - 옵티미스틱 증명 시스템의 역사"에서 이 분야의 발전 과정을 살펴보고, "3. 현재 시장의 프로젝트들"에서 옵티미스틱 증명 프로젝트들을 자세히 살펴보자.

2. 옵티미스틱 증명 시스템의 역사

옵티미스틱 증명 시스템은 하루아침에 개발되지 않았다. 2019년 부터 수많은 연구자와 개발자가 증명 시스템을 구축하여 생산 현장에서 원활하게 작동하도록 기여했으며, 현재 약 180억 달러가 옵티미스틱 롤업들에서 운영되고 있다. 과거에 달성한 주요 이정표를 살펴보자.

2.1 과거 - 역사로 돌아가기

옵티미스틱 롤업은 이더리움의 레이어 2 확장 솔루션으로 2019년 이더리움 연구원 존 애들러에 의해 처음 제안되었다. 옵티미스틱 롤업의 핵심 아이디어는 이더리움의 보안 보장은 그대로 유지하면서 연산과 일부 데이터 저장소를 이더리움 메인넷에서 별도의 레이어 2 체인으로 옮기는 것이다. 옵티미스틱 롤업을 개발하게 된 주된 동기는 이더리움 메인넷의 혼잡과 높은 트랜잭션 수수료였다. 탈중앙 금융 프로토콜과 NFT의 채택이 증가하면서 수수료가 높아졌고 이더리움은 사용자 경험과 경제적 효율성을 저해하는 확장성 문제에 직면했었다.

옵티미스틱 롤업은 주로 Arbitrum과 Optimism이라는 두 팀에 의해 실험되고 개발되기 시작했다. 이러한 롤업은 트랜잭션을 오프체인에서 처리하고 압축된 트랜잭션 데이터와 출력 루트를 이더리움 메인넷에 게시하여 이더리움의 확장성을 제공하는 것을 목표로 개발되었다. 사용자와 디앱 모두에게 더 낮은 비용을 제공했기 때문에 이더리움 커뮤니티는 빠르게 옵티미스틱 롤업을 사용하기 시작했다. (아비트럼에 대한 초기 논문은 이 링크에서 확인하실 수 있다.)

Source: TVL of Arbitrum in USD

옵티미스틱 롤업의 운영 방식은 다음과 같다. 우선 거래에 대한 간단한 유효성 검사 후 모든 거래가 기본적으로 유효하다고 가정하고, 이의 제기자가 정해진 기간(일반적으로 7일) 내에 이의를 제기할 수 있도록 한다. 사기 거래가 감지되면 온체인에서 사기 증명이 실행되어 거래를 올바르게 재처리한다. 이러한 옵티미스틱 접근 방식은 직관적인 방식을 통해 롤업은 이더리움 메인넷에 비해 상당한 확장성 개선을 달성할 수 있었다.

과거에는 수많은 기술적이고 학술적인 도전이 있었다. 초기에 옵티미즘과 같은 프로젝트는 OVM이라는 자체적으로 수정한 EVM을 사용했는데, 이는 EVM과의 호환성이 제한적이었다. (수정 사항에 대한 자세한 분석은 패러다임의 조지오스 콘스탄토풀로스가 작성한 이 글에서 확인할 수 있다.) 또한 이 프로젝트에는 롤백 및 챌린지 메커니즘을 해결하기 위한 중앙 집중식 접근 방식이 있었으며 이에 대한 해결책이 모호했다.

2.2 현재 - 개선되고 있지만 직면한 과제들

최근 옵티미스틱 증명 시스템의 발전은 아비트럼과 옵티미즘과 같은 이더리움 레이어 2 솔루션의 효율성과 확장성을 크게 향상시켰다. 이더리움의 덴쿤 업그레이드 외에도 옵티미스틱 롤업의 운영을 효율화하는데 필요한 작업들이 지속되고 있다. 예를 들어, 아비트럼은 데이터 무결성과 보안을 보장하기 위해 결함 방지 시스템을 개선하는 데 집중했다.

옵티미즘은 또한 OP 스택을 사용하여 여러 L2의 정렬된 생태계를 만드는 것을 목표로 하는 슈퍼체인 전략을 통해 상당한 진전을 이루었다. 슈퍼체인은 커스텀 및 대체 DA 솔루션, 크로스체인 메시징, 공유 시퀀싱을 활용하여 원활한 상호운용성과 확장성 향상을 도모하고 있으며 현재 이를 기반으로 운영되는 롤업이 총 40개 정도가 있다.

최근 옵티미스틱 롤업 생태계가 개선되면서 인터랙티브 사기 증명으로 전환되었다. 인터랙티브 증명에는 결함이 있는 트랜잭션을 효율적으로 식별하고 수정하기 위해 온체인에서의 전체 검증 과정을 줄였다. 기존에는 이의를 제기했을 때 온체인에서 전체를 모두 시뮬레이션하여 틀린 부분을 확인했다면, 인터랙티브 증명의 경우 틀렸다라고 여겨지는 부분만 온체인에서 검증할 수 있게 한다. 따라서 이는 전반적인 계산 비용과 복잡성을 줄였다. 이와 같이 옵티미스틱 증명이 기존에 직면했던 문제점들에 대해 개선책이 지속적으로 나오고 있다.

3. 현재 시장의 프로젝트들

옵티미스틱 증명 시스템에서 운영되는 프로젝트와 그 발전 과정을 중심으로 롤업의 현재 상황을 살펴보자. 현재 아비트럼과 옵티미즘이라는 두 단체가 주로 옵티미스틱 증명 시스템을 개선하기 위해 노력하고 있다. 이니시아, 타이코, 다이멘션, 롤킷과 같은 다른 프로젝트들 또한 자신들만의 방식으로 운영되고 있다. 이들의 현재 활동과 진행 중인 개발 상황을 간략히 살펴보자.

3.1 Arbitrum - 다중 라운드 증명 및 BoLD

3.1.1 다중 라운드 증명

Arbitrum의 증명 시스템은 "다중 라운드 사기 증명" 방법을 사용하여 트랜잭션을 검증한다. 이 과정은 주로 오프체인에서 진행되며, 최종 상태는 투명성을 위해 이더리움 블록체인에 기록된다.

이 시스템의 핵심 기능은 "어설션 트리"이다. 이더를 사용해 담보을 게시하는 검증자는 아비트럼의 상태에 대해 주장(또는 "어설션")을 한다. 이러한 어설션은 체인을 형성하며, 각 어설션은 마지막 어설션을 기반으로 한다. 그러나 상충되는 주장이 발생하면 트리는 가지로 나뉘며 사기 가능성을 알린다.

이러한 분쟁을 해결하기 위해서는 "해부"라는 인터랙티브 증명 기법이 사용된다. 분쟁에 참여한 검증자는 단 하나의 연산만 남을 때까지 체계적으로 문제가 되는 부분을 찾는다. 그런 다음에 찾아진 문제 부분을 이더리움에서 실행하여 유효성을 결정한다.

정리하자면 과정은 다음 단계와 같다:

1. 두 검증자가 Arbitrum의 상태에 대해 의견이 일치하지 않는다.

2. 두 검증인은 점차적으로 분쟁을 단 하나의 계산 단계로 줄인다.

3. 이 단계는 이더리움의 레이어 1에서 실행되어 어떤 검증자가 올바른지 확인한다.

아비트럼의 접근 방식은 효율성에서 빛을 발한다. 분쟁이 있는 연산만 분리하여 검사하기 때문에 옵티미즘의 단일 라운드 사기 증명에서처럼 이더리움에서 전체 트랜잭션을 다시 실행하는 비용이 많이 드는 과정을 피할 수 있다. 단일 라운드 사기 증명은 L1 체인에서 전체 계산이 필요하기 때문에 비용이 더 많이 발생한다.

3.1.2 아비트럼 BoLD

Source: A gentle introduction: BOLD | Arbitrum Docs

BoLD(묶인 유동성 지연)는 비허가성 검증을 용이하게 하는 것을 목표로 아비트럼 체인의 옵티미스틱 롤업에 특별히 맞춤화된 새로운 분쟁 해결 프로토콜로 설계되었다. 이 메커니즘은 미리 정해진 시간 내에 분쟁이 해결되도록 함으로써 지연 공격과 관련된 위험을 완화한다.

BoLD는 다음과 같은 몇 가지 주요 기능을 제공합니다. 첫째, 비허가 검증을 도입하여 정직한 당사자라면 누구나 자신의 자금을 예치한 후 올바른 L2 상태 주장을 게시할 수 있다. 이 기능을 통해 정직한 검증자는 악의적인 행위자에 대한 분쟁에 이의를 제기하고 승리할 수 있다. 둘째, BoLD는 분쟁이 정해진 기간 내에 해결될 수 있도록 보장하며, 현재 Arbitrum One과 Nova의 경우 이의 제기 기간은 1회(약 6.4일)로 설정되어 있다. 마지막으로, BoLD는 누구나 L2 상태를 검증하고 이더리움에 사기 증명을 제출할 수 있도록 하여 플랫폼의 탈중앙화와 보안을 강화하는 2단계 롤업으로 나아갈 수 있도록 Arbitrum의 발전을 지원한다.

결정적으로, BoLD는 허가 없는 참여를 장려하여 정직한 당사자라면 누구나 검증 과정에 참여할 수 있도록 장려한다. 이러한 구조는 참여를 다양화하고 중앙 장애 지점을 줄임으로써 네트워크의 복원력을 높이는 것을 목표로 한다. 현재 BoLD는 알파 단계에 있으며 공개 테스트넷에 배포되어 있다. 또한 두 차례의 감사를 받았다(Trailofbits, Code4rena 보고서).

3.2 옵티미즘 - 캐논과 거짓 결함 증명 VM (Fault Proof VM)

Source: Fault Proof VM - Cannon | Optimism Docs

OP-Stack의 결함 증명 시스템은 네트워크 내의 악의적인 활동에 도전할 수 있게 설계되었다. 이번주에 출시된 결함 증명 가상 머신이 모두가 참여하여 이의를 제기할 수 있다. 이 시스템은 결함 증명 프로그램(FPP), 결함 증명 가상 머신(FPVM), 분쟁 게임 프로토콜의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. FPP는 롤업 상태 전환을 확인하여 L1에 저장된 데이터를 기반으로 L2 출력이 올바랐는지 확인하여 분쟁을 분류한다. 이 모듈식 아키텍처는 다중 증명 시스템과 고유한 분쟁 게임을 독립적으로 개발 및 배포할 수 있도록 하여 시스템의 여러 증명 시스템을 추가할 수 있도록 한다. 이 아키텍처에서 FPVM은 FPP와 분리되어 있어 트랜잭션 증명 방식의 다양성을 늘릴 수 있게 하였다.

또한 분쟁 게임 프로토콜은 상태 전환을 이분화하여 분쟁을 단일 명령어 검증으로 좁혀 L1 EVM에서 효율적인 증명을 가능하게 한다. 이 시스템은 ZK 증명 및 다중 증명 시스템과 같은 다양한 증명 방법론을 도입할 수 있느 가능성을 열었다.

3.3 이니시아 (Initia) - 내장된 OP-Stack, OPinit

Source: OPinit Stack | Initia Docs

이니시아는 통합된 롤업 생태계를 구축하고 있는 코스모스 L1 블록체인이다. 이는 이더리움의 롤업 생태계와 유사하지만, 롤업을 위해 처음부터 설계되었기에 롤업을 위한 기능들이 L1에 내장되어있다. 이니시아 L1의 검증자는 롤업에 대한 시퀀서를 실행하고 옵티미스틱 증명 방식이 L1에서 이루어진다. EVM, WasmVM, MoveVM을 지원하는 OPinit 스택으로 구축된 롤업이 어떻게 작동하는지 살펴보자.

OPinit 스택은 이니시아 L1 블록체인 위에 미니티아 L2를 운영할 수 있게 설계된 프레임워크이다. 이 스택은 가상머신에 구애받지 않는 옵티미스틱 롤업을 구축할 수 있게 하며 코스모스SDK를 기반으로 한다. 또 증명 시스템의 경우, 옵티미즘의 베드락 버전을 차용하여 만들어졌다. 이니시아는 또한 L1 거버넌스 모델을 활용하여 사기 방지 분쟁을 효율적으로 처리함으로써 신뢰할 수 있는 트랜잭션 검증 및 분쟁 해결을 제공한다. 이의 제기는 베드락의 이의 제기 시스템처럼 허가된 이의 제기자가 확정되지 않은 결과물을 지울 수 있다. 또한 L1 제안을 통해 출력 제출자를 변경할 수 있다.

OPinit 스택의 핵심은 두 가지 기본 코스모스 모듈이다: OPHost와 OPChild

1. OPHost 모듈은 이니시아 생태계 내 이니시아 L1과 관련된 작업을 위해 설계되었으며, 코스모스 SDK 기능을 활용한다. 여기에는 배치 제출, 브릿징, 출력 루트 제안, 출력 삭제와 같은 핵심 활동을 용이하게 하는 다양한 메시지 유형을 제공한다.

2. OPChild 모듈은 레이어 2 작업에 중점을 두고 토큰 전송과 수수료 풀 관리를 지원하는 메커니즘을 제공한다. 또한 메시지 실행, 토큰 입금 완료, L2에서 L1으로의 토큰 출금 시작을 위한 특정 메시지 유형이 포함되어 있다.

3.4 타이코 - 다중 증명 시스템

Source: Taiko Protocol Overview — Taiko Labs

타이코는 기본적으로 다중 증명 시스템이며 현재는 옵티미스틱 롤업이다.

이 과정은 제안자가 L2 트랜잭션에서 롤업 블록을 구성하고 이를 이더리움의 L1 타이코 컨트랙트에 제안하는 것으로 시작된다. 이렇게 제안된 블록은 초기 유효성 증명 없이 L1 컨트랙트에 추가된다. 그런 다음 증명자는 타이코 토큰을 스테이킹을 한 후 제안된 블록의 유효성에 대해 이의를 제기할 수 있다. 챌린지 기간 내에 이의를 제기하지 않으면 블록은 유효한 것으로 간주되어 L1에서 최종 확정되며, 증명자의 본드는 반환된다. 블록에 이의를 제기하는 경우, 블록의 유효성을 확인하기 위해 ZK 증명이 필요하다. 최초 증명자이든 도전자이든, 옳았던 증명자는 자신의 본드와 보상을 돌려받게 된다. 반면, 틀린 당사자의 본드는 삭감되어 부분적으로 소각된다.

흥미롭게도 타이코는 약 1%의 블록이 ZK 증명을 필요로 할 것으로 예상하고 있으며, 이는 계산 오버헤드를 줄이면서도 유효성을 보장하는 데 도움이 된다. 타이코는 또한 발생될 수 있는 롤업 중단을 방지하기 위해 PLONK, Halo2, SGX와 같은 다중 증명 백엔드를 지원한다. 이러한 접근 방식을 통해 디앱은 자체적인 신뢰 가정과 보안 수준을 설정할 수 있다.

3.5 기타 - 다이멘션과 롤킷

3.5.1 다이멘션 (Dymension)

사기 증명은 블록체인 상태 전환의 무결성을 보장하기 위해 설계된 다이멘션 생태계의 필수적인 부분이다. 롤앱(다이멘션의 롤업) 시퀀서가 상태 루트를 게시하면, 롤앱 풀 노드는 이러한 전환을 모니터링한다. 유효하지 않은 상태 전환이 감지되면 이러한 노드는 블록 내의 모든 상태 전환 목록을 수집하여 사기성 트랜잭션까지 수집하여 고유한 사기 방지 트랜잭션을 생성한다.

블롭 포함 증명, 상태 증인과 같은 세부 정보가 포함된 이 트랜잭션은 검증을 위해 다이멘션으로 전송된다. 제출된 트랜잭션은 다이멘션 풀 노드에서 데이터를 검증하고 상태 트랜지션을 다시 계산한다. 계산된 트랜지션의 중간 상태 루트(ISR)가 게시된 것과 다른 경우, 위조 증명이 검증되어 분쟁 상태의 복귀와 책임 시퀀서의 삭감으로 이어진다.

현재 다이멘션 메인넷의 분쟁 기간은 약 12만 블록으로 설정되어 있다. 현재 블록은 6초마다 생성되기 때문에 최종성은 약 8일 정도이다.

3.5.2 롤킷 (Rollkit)

롤킷의 상태 사기 증명은 풀 노드와 시퀀서가 생성한 상태 루트가 불일치할 때 사용된다. 풀 노드는 검증을 위해 네트워크 전체에 공유되는 증명을 생성하고 불일치가 확인되면 수정 조치가 필요하게 되면 이에 대한 증명을 배포한다.

Source: rollkit/specs/lazy-adr/adr-009-state-fraud-proofs.md at main · rollkit/rollkit

4. 다가오는 발전 - 문제와 해결책

많은 사람들이 옵티미스틱 롤업을 영지식 롤업보다 많은 점에서 부족하다고 간주한다. 사람들은 안전한 상호운용성과 빠른 완결성 등의 강점을 자랑하는 영지식 롤업이 프로덕션에 더 많이 사용됨에 따라 옵티미스틱 증명 시스템이 설 자리를 잃게 되는 것은 아닌지 궁금해한다. 하지만 필자는 그렇게 생각하지 않는다. 옵티미스틱 증명 시스템의 주요 문제를 해결하기 위한 현재 많은 개발이 활발히 진행되고 있기에 많이 개선될 것으로 보이며 이 섹션에서는 이러한 주요 문제와 잠재적인 해결책을 살펴보고자 한다. 다음은 옵티미스틱 롤업이 갖는 주요 단점 3가지이다:

1. 운영의 중앙 집중화

2. 높은 운영 비용

3. 느린 파이널리티 (최종성)

4.1 탈중앙화 - 무허가 검증 (Permissionless Validation)

*이미지의 빨간 부분은 중앙화되어 있는 부분이다.

옵티미스틱 롤업 프로젝트에서 시퀀서의 중앙 집중화는 시스템 내에서 주요 운영과 관련된 지점을 포함하기 때문에 해결해야할 매우 중요한 문제다. 옵티미스틱 롤업에서 시퀀서는 트랜잭션을 받아 이더리움에 저장하고, 오프체인에서 실행하고, 변경된 출력값을 이더리움에 저장하는 일을 담당한다. 이러한 중요한 역할은 시퀀서에게 상당한 권한과 통제권을 부여하며, 이는 몇 가지 중앙화 관련 위험을 초래할 수 있다.

오늘날 대부분의 롤업 프로젝트들은 중앙화된 시퀀서를 활용한다. OP-Mainnet과 Arbitrum을 포함한 대부분의 현재 롤업은 완전히 탈중앙화된 시스템을 갖추지 못했다. 이들은 트랜잭션 일괄 제출과 사기 챌린지 시스템 참여 모두 일부 중앙화된 기관에 의존하고 있다. 그러나 아비트럼의 경우 시퀀서가 오프라인 상태가 되거나 악의적으로 행동하는 경우 사용자가 시퀀서를 우회할 수 있는 방법이 내장되어 있으며 다른 프로젝트들도 일부분이 탈중앙화되어 있지만 완벽하게 되어 있지는 않다.

최근 논란이 된 블라스트 롤백 사건은 중앙 집중화의 장점과 단점을 이해하는 데 좋은 예가 될 수 있다. 이 사건은 사용자를 위한 적절한 출구 전략이 없는 중앙 집중식 레이어 2 솔루션의 위험성을 강조했으며 블라스트가 중단되고 해킹과 관련된 트랜잭션이 제거되었을 때 분명하게 드러났다. 롤업을 운영하는 중앙 주체는 원할때 롤업을 멈출 수 있었고 특정한 트랙잭션을 제거할 수 있다. 하지만 이 사례의 경우에는 해킹으로 인한 6,250만 달러를 회수하는 데 도움이 되었기에 양날의 검을 드러낸 사건이였다. (Galaxy의 찰스 유가 작성한 이 글은 아비트럼과 옵티미즘의 탈중앙화 과정을 이해하는 데 훌륭한 자료이다.)

4.1.2 솔루션1. 무허가 검증

아비트럼과 옵티미즘은 롤업을 더욱 탈중앙화하기 위한 다음 단계로 무허가 검증을 개발하고 있다. 옵티미즘은 최근에 출시를 누구나 검증을 할 수 있는 시스템을 출시하였다. 각각의 접근법에 대해 알아보자.

• 아비트럼: 아비트럼은 BoLD(Bounded Liquidity Delay)라는 새로운 검증 프로토콜을 통해 무허가성 검증을 달성하기 위해 노력하고 있다. BOLD는 아비트럼 체인의 검증을 안전하게 무허가 상태로 만들기 위해 설계되었으며, 이 프로토콜은 이의 제기자가 자신의 자금을 본딩하여 상태 주장을 게시함으로써 검증 프로세스에 참여할 수 있도록 한다. 따라서 중앙화된 기관이 검증자를 관리할 필요가 없으며, 검증자의 신원이 아닌 상태의 정확성에 따라 분쟁이 해결될 수 있다. 더 자세한 설명은 "3.1"에서 확인할 수 있다.

• 옵티미즘: 옵티미즘은 탈중앙화된 장애 증명 시스템으로 전환하여 무허가 검증을 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 처음에 옵티미즘은 옵티미즘 보안 위원회와 옵티미즘 재단이 관리하는 다중 서명 지갑에 의존했다. 탈중앙화를 더욱 강화하기 위해 옵티미즘은 모두가 증명에 참여할 수 있는 시스템을 출시했다.

4.1.3 솔루션2. 시퀀서 탈중앙화

이 문제를 해결하기 위해 롤업은 단일 시퀀서 모델에서 다중 시퀀서 설정으로 전환하여 블록 검증과 제안의 책임을 여러 독립된 주체에 분산하는 것을 목표로 한다. 다음은 시퀀서를 탈중앙화하기 위해 취할 수 있는 몇 가지 접근 방식이다.

1. 공유 시퀀서: 시퀀싱을 에스프레소나 라디우스 같은 타사 서비스에 아웃소싱하는 방법.

2. 분산 시퀀서 기술(DST): 머신 클러스터를 활용하여 시퀀서 작업을 분산함으로써 단일 머신에 의존하지 않는 방식이다. 이는 Obol 네트워크가 PoS 검증자를 위해 구축하고 있는 DVT 솔루션과 유사하다고 생각할 수 있다.

각 롤업은 특정 사용 사례에 따라 탈중앙화, 지리적 분포 등 다양한 측면을 우선시할 수 있다. 예를 들어, 옵티미즘과 같은 범용 롤업은 보다 탈중앙화된 접근 방식을 채택하여 DST와 같은 전용 시퀀서 세트를 사용할 수 있으며, 디파이용으로 설계된 롤업과 같은 애플리케이션별 롤업은 중앙화된 모델을 지향하여 신뢰성을 보장하고 가동 중단 시간을 줄이기 위해 공유 시퀀서를 사용할 수 있다. 하지만 이 분야는 초기 개발 단계에 있다.

Source: Distributed Sequencer Technology — A Path Towards Decentralized Sequencing | by Figment Capital | Medium

4.2 비용 절감 - 저렴한 DA 및 인터랙티브 증명 시스템

옵티미스틱 롤업은 챌린지 프로세스를 위한 상태를 재하기 위해 트랜잭션을 저장해야 합니다. 이로 인해 옵티미스틱 롤업의 운영 비용의 대부분을 차지하는 데이터 저장 비용이 높아질 수 있다. 그러나 이 문제는 더 많은 압축 기술을 적용하거나 대체 DA를 사용하는 등의 해결책을 통해 활발히 연구되고 있다. 또한 인터랙티브 증명 시스템은 챌린지 계산이 크게 줄어들어 챌린지 비용을 절감하는 데 기여했다.

4.2.1 솔루션1. 더 저렴한 DA

옵티미스틱 롤업은 트랜잭션 배치 데이터 게시와 관련된 높은 비용을 해결하기 위해 이더리움 블롭과 셀레스티아와 같은 대체 데이터 가용성(DA) 솔루션을 효과적으로 활용하고 있다. 이더리움의 경우, 옵티미스틱 롤업은 트랜잭션 데이터를 콜데이터로 메인넷에 게시했는데, 이는 상당한 비용이 드는 작업이었다. 하지만 덴쿤 업그레이드를 통해 새로운 데이터 저장 형식인 블롭을 사용하면서 전체 비용을 90% 이상 절감할 수 있게 되었다.

Source: Optimism: OP Chains (Superchain) - L2 Activity, Chain Economics, L1 DA Costs

옵티미스틱 롤업은 이더리움 자체의 기능을 활용하는 것 외에도 Avail, 셀레스티아와 같은 대체 DA 솔루션도 많이 사용한다. 옵티미스틱 롤업은 트랜잭션 배치 데이터를 셀레스티아에 게시하여 이더리움의 비싼 스토리지에 대한 의존도를 낮추고 데이터 게시와 관련된 비용을 더욱 절감할 수 있다. 이러한 통합을 통해 롤업은 높은 수준의 처리량과 트랜잭션 속도를 유지하면서도 비용을 관리 가능한 수준으로 유지할 수 있다.

이 대안 DA 환경은 이제 더 많은 롤업이 최적의 증명 시스템으로 출시되면서 더 많은 주목을 받고 있다. 앞으로 더 많은 롤업이 출시될 준비를 하고 있으며, 대체 DA 영역에서도 더 많은 개선이 이루어질 것이다.

4.2.2 솔루션2. 인터랙티브 증명 시스템

옵티미스틱 롤업에서는 트랜잭션이 사기로 의심되는 경우 네트워크의 챌린저가 출력 루트의 유효성에 대해 이의를 제기할 수 있다. 이의 제기 기간 동안 트랜잭션의 부정확성을 입증하기 위해 사기 증명을 제공해야 한다. 트랜잭션이 사기임이 입증되면 온체인에서 증명이 검증되어 트랜잭션이 무효화된다. 이 방법은 분쟁이 있는 트랜잭션만 온체인 검증을 받도록 하여 대부분의 트랜잭션은 오프체인으로 유지한다.

인터랙티브 증명 시스템은 사기가 의심되는 경우 참가자가 특정 부분에 대해서만 사기 증명을 생성하고 제출하도록 한다. 롤업을 관리하는 스마트 컨트랙트는 시퀀서가 제출한 상태 루트와 비교하여 이러한 증명을 평가한다. 불일치가 발견되면 잘못된 상태는 폐기되고 시스템은 이전에 유효한 상태로 되돌아간다. 이 접근 방식은 불필요한 계산으로 이더리움 네트워크에서 비싼 연산 과정을 거치지 않고 효율적인 검증을 보장한다. 아비트럼에서는 챌린지에 필요한 연산이 오프체인에서 이루어지고 최종 결과는 온체인에 게시된다. 그러나 현재 옵티미스틱 롤업에서는 챌린지가 발생된 사례가 거의 없기 때문에 이 비용은 미미할 수 있다. 알려진 유일한 사례는 2024년 4월에 크로마에 수행된 것이있다.

4.3 빠른 파이널리티 - 빠른 실행 및 하이브리드 증명 시스템

옵티미스틱 롤업에는 소프트 파이널리티와 패스트 파이널리티라는 두 가지 유형의 파이널리티(최종성)가 있다. 소프트 파이널리티는 시퀀서가 상태 전환을 실행하는 초기 상태와 이더리움에 트랜잭션이 일괄적으로 게시되는 것을 의미한다. 이 시점에서 트랜잭션은 "소프트 최종"으로 간주되며, 롤업의 사용자와 애플리케이션이 안전하게 신뢰할 수 있다. 그러나 누구나 해당 배치의 트랜잭션의 유효성에 대해 이의를 제기하기 위해 "사기 증명"을 제출할 수 있는 이의 제기 기간(일반적으로 약 7일)이 있다. 이의 제기 기간 내에 사기 증거가 제출되지 않으면 변경된 상태의 하드 파이널리티가 적용되어 더 이상 되돌리거나 이의를 제기할 수 없다.

소프트 파이널리티와 하드 파이널리티 모두에서 완결이 느리면 브릿지나 멀티체인 디앱을 구축할 때 문제가 발생할 수 있다. 이 문제는 빠른 실행과 하이브리드 증명 시스템을 통해 해결되고 있다.

4.3.1 솔루션1. 더 빠른 실행

소프트 파이널리티 측면에서는 롤업이 상태 전환을 실행하고 트랜잭션 묶음을 이더리움에 저장하는 과정을 거친다. 이 실행 프로세스는 병렬 실행이나 데이터베이스 최적화를 지원하지 않는 EVM 사양으로 인해 한계가 있었다. 그러나 MegaETH, Heiko와 같은 프로젝트가 병렬 실행 환경을 구축하고 있으며, 최적화된 실행 및 증명 시스템을 구축하고 있다.

또한 롤업은 블록 시간을 단축하여 트랜잭션 배치를 더 빠르게 저장하려고 노력하고 있다. 아비트럼의 경우, 블록을 250밀리초마다 생성하거나, 구성 가능한 오빗 체인에서는 100밀리초까지 짧게 생성함으로써 빠른 트랜잭션 확인을 보장하려고 한다. 또한, 아비트럼의 설계는 기존의 "블록 구축" 방식 대신 고유한 "시퀀싱" 모델을 활용하여 트랜잭션이 멤풀에서 대기할 필요가 없어 더 빠른 처리를 가능하게 한다. 이를 통해 부가적인 장점으로는 나쁜 MEV를 제거할 수 있다는 점에 있다.

4.3.2 솔루션1. 하이브리드 증명 시스템

하이브리드 증명 시스템, 특히 옵티미스틱 롤업에 ZK 증명을 추가적으로 활용하는 시스템은 결정적 검증에 필요한 시간을 줄여 블록체인 거래의 최종성을 크게 향상시킨다. 옵티미스틱 롤업은 본질적으로 트랜잭션이 이의를 제기하지 않는 한 유효하다는 가정에 의존한다. 따라서 잠재적으로 유효하지 않은 트랜잭션에 대해 이의를 제기할 수 있는 분쟁 또는 이의 제기 기간이 필요하다. 그러나 이 이의 제기 기간은 강력한 검증을 보장하고 잠재적인 이의를 허용할 수 있을 만큼 충분히 길어야 하므로 트랜잭션 완결성이 지연될 수 있다.

RISC Zero의 zkVM을 기반으로 구축된 ZK 블록 증명자인 Zeth는 거래의 세부 사항을 공개하지 않고도 거래 블록이 정확하다는 암호학적 증거를 제공함으로써 거래의 유효성을 즉시 확인할 수 있게 해준다. 이를 통해 옵티미스틱 롤업에 필요한 분쟁 기간 연장에 대한 의존도를 낮추고 최종 완료 시간을 크게 단축할 수 있다.

Zeth와 같은 인프라는 트랜잭션을 순서화하는 작과와 데이터 가용성 메커니즘이 안정적으로 유지되도록 보장하며, 이의 제기 기간을 며칠에서 몇 시간 또는 몇 분으로 단축함으로써 옵티미즘과 같은 레이어 2 솔루션의 효율성을 향상시킨다. 또한 ZKM과 같은 프로젝트는 Metis용 하이브리드 증명 시스템도 개발하기도 했다. 이와 같이 하이브리드 증명 시스템은 파이널리티를 단축시키는데 중요한 역할을 한다.

Source: Tweet by zerokn0ledge

5. 미래를 바라보며

필자의 생각으로는 옵티미스틱 롤업이 곧 대체되지는 않을 것이다. 수많은 개선이 이루어지고 있으며, 구현과 운영의 단순함은 다른 생태계에서도 쉽게 차용될 가능성이 높다. 또한 아비트럼 Orbit 및 OP-Stack과 같은 프레임워크의 채택이 가속화되고 있으며, 각 생태계에서 더 나은 인프라와 도구를 위한 개발이 더욱 활발하게 이루어지고 있다. 다음 글에서는 '영지식 증명 시스템의 현황 - 이더리움과 비트코인'에 대해 자세히 살펴보면서 최근의 발전과 향후 로드맵에 대해 논의하고 옵티미스틱 롤업과 비교해보려고 한다.

하지만 롤업 분야에서 필자가 보는 크리티컬한 문제는 확장성이다. 세이, 수이, 솔라나 같은 레이어1 프로젝트는 강력한 병렬 트랜잭션 실행과 데이터베이스 최적화를 가능하게 하는 인프라를 개발하여 더 많은 사람들이 블록체인을 더 쉽고 빠르게 이용할 수 있도록 하고 있다. (포필러스의 Sei와 Sui의 병렬 실행에 관한 아티클을 확인하세요.) 현재 롤업은 Sui만큼 많은 트랜잭션을 처리하고 빠른 완결성에 도달하지 못한다. 그러나 Fuel Network, MegaETH, Heiko 등의 프로젝트에서 병렬 실행이 가능해짐에 따라 곧 롤업의 성능 향상을 기대할 수 있기에 앞으로 주목할 부분이다.

이 글의 비주얼을 제공해주신 Kate에게 감사의 말씀을 전합니다.