합의 메커니즘이란 무엇일까요? 작업 증명부터 지분 증명에 이르기까지, 암호화폐가 어떻게 작동하는지 알아봅시다.

블록체인에서의 합의란, 네트워크에 참여한 피어들이 블록체인 상의 데이터가 현재 어떤 상태에 있는지를 공동으로 검증하고 동의하는 절차를 의미합니다. 이러한 과정을 통해 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크에 신뢰성과 안정성을 부여하며, 중앙 기관 없이도 모든 참여자가 동일한 기록을 공유할 수 있도록 만듭니다.

주요 내용:

• 합의 메커니즘(합의 프로토콜 또는 합의 알고리즘)은 트랜잭션을 검증하고, 블록체인의 전반적인 보안과 무결성을 유지하는 데 사용되는 핵심 기술입니다.

• 합의 메커니즘에는 여러 가지 유형이 있으며, 각 방식은 고유한 장점과 단점을 가지고 있습니다.

• 작업 증명(PoW)과 지분 증명(PoS)은 가장 널리 사용되는 대표적인 합의 메커니즘입니다.

블록체인에 합의 메커니즘이 필요한 이유

합의 메커니즘은 모든 암호화폐 기반 블록체인의 핵심 요소로, 블록체인의 보안을 유지하는 데 결정적인 역할을 합니다. 다양한 합의 메커니즘을 살펴보기 전에, 먼저 블록체인이 ‘합의에 도달한다’는 것이 무엇을 의미하는지부터 정의해보겠습니다.

블록체인 네트워크의 모든 참여자가 동일한 기록을 공유하고 동의하도록 보장하기 위해, 비트코인이나 이더리움과 같은 주요 블록체인은 합의 메커니즘(합의 프로토콜 또는 합의 알고리즘)을 구현하고 있습니다.

이러한 메커니즘은 네트워크 내에서 일부 참여자가 오류를 범하거나 악의적으로 행동하더라도, 전체 시스템이 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 내결함성을 구축하는 데 목적이 있습니다.

블록체인의 기본 원칙과 분산된 분산 시스템에서 합의를 달성하는 데 따르는 어려움에 대해 자세히 알아보려면 다음을 읽어보십시오. 블록체인이란 무엇입니까? 비잔틴 장군 문제에서 합의로.

블록체인에서 합의란 무엇입니까?

합의란, 네트워크에 참여하는 노드(피어 그룹)들이 어떤 블록체인 트랜잭션이 유효한지 아닌지를 함께 결정하는 과정입니다. 합의 메커니즘은 이러한 합의를 달성하기 위해 사용되는 방법론이며, 네트워크를 악의적인 행위나 해킹 공격으로부터 보호하는 데 도움을 주는 일련의 규칙 체계입니다.

블록체인의 종류와 그 응용 분야에 따라 다양한 유형의 합의 메커니즘이 존재합니다. 각각은 에너지 효율성, 보안성, 확장성 등에서 차이를 보이지만, 공통된 목표는 하나입니다. 바로, 블록체인에 기록되는 정보가 정확하고 신뢰할 수 있는 진실이어야 한다는 것입니다.

아래에서는 분산 시스템이 합의에 도달하기 위해 사용하는 대표적인 합의 메커니즘들을 간략히 소개합니다.

합의 메커니즘의 유형

작업증명(PoW)

비트코인과 많은 퍼블릭 블록체인에서 사용되는 작업 증명(PoW)은 가장 오래된 합의 메커니즘입니다. 확장성에 대한 우려는 존재하지만, 여전히 가장 신뢰성과 보안성이 높은 방식으로 평가받고 있습니다. ‘작업 증명’이라는 용어는 1990년대 초 처음 등장했으며, 이후 비트코인의 창시자인 나카모토 사토시가 디지털 화폐 시스템에 이를 최초로 적용했습니다.

PoW 방식에서는 ‘채굴자’들이 고성능 컴퓨터를 사용해 매우 복잡한 수학 퍼즐을 푸는 작업을 수행하며 경쟁합니다. 이 퍼즐은 64자리의 16진수 해시값을 찾는 것으로, 가장 먼저 이를 해결한 채굴자가 새로운 블록을 생성하고 해당 블록의 트랜잭션을 검증할 수 있는 권한을 얻게 됩니다. 성공한 채굴자는 ‘블록 보상’이라는 형태로 정해진 양의 암호화폐를 보상받습니다.

그러나 새로운 블록을 생성하는 데 막대한 계산 자원과 전력이 소모되기 때문에, PoW 방식은 운영 비용이 매우 높습니다. 이로 인해 신규 채굴자에겐 높은 진입 장벽이 생기며, 점점 소수의 대형 채굴자가 블록 생성권을 독점하는 중앙 집중화 문제로 이어질 수 있습니다.

또한 PoW에 대한 가장 큰 비판 중 하나는 막대한 전기 사용이 환경에 미치는 부정적 영향입니다. 이러한 문제로 인해 최근에는 PoS(지분 증명)과 같이 보다 지속 가능하고 에너지 효율적인 합의 메커니즘을 채택하려는 움직임이 확산되고 있습니다.

지분 증명(PoS)

지분 증명(PoS)은 이름 그대로, '스테이킹'이라 불리는 과정을 중심으로 작동하는 대표적인 합의 메커니즘입니다. PoS 시스템에서는 ‘검증자’가 일정량의 디지털 자산(지분)을 네트워크에 예치함으로써 무작위로 블록 검증에 선택될 기회를 얻습니다. 이 과정은 일종의 복권과 비슷하며, 더 많은 코인을 스테이킹할수록 선택될 확률도 높아집니다.

PoW에서 채굴자가 새로 생성된 코인을 보상으로 받는 것과 달리, PoS에서는 블록 생성에 참여한 검증자가 거래 수수료를 보상으로 받습니다.

PoS는 PoW보다 훨씬 에너지 효율적이며 환경에 미치는 영향이 적은 대안으로 평가받고 있으며, 51% 공격에 대해서도 더 높은 보안성을 제공하는 것으로 간주됩니다.
그러나 많은 양의 토큰을 보유한 소수의 참여자가 시스템 내 영향력을 독점할 수 있다는 점에서, 중앙 집중화 가능성에 대한 비판도 존재합니다. 

눈에 띄는 PoS 플랫폼에는 2022년에 PoW에서 PoS로 전환된 Ethereum, Cardano(ADA), Solana(SOL) 및 Tezos(XTZ)등이 존재합니다다.

위임 지분 증명(DPoS)

위임 지분 증명(DPoS)은 지분 증명(PoS)의 변형으로, 평판 기반의 투표 시스템을 통해 합의에 도달하는 방식입니다. 네트워크 참여자들은 자신을 대신해 블록체인을 보호하고 거래를 검증할 ‘증인’을 투표로 선출합니다. 이 중 가장 많은 표를 얻은 상위 증인들만이 블록체인 상의 트랜잭션을 검증하고 블록을 생성할 권한을 가집니다.

투표에 참여하려면 사용자는 일정량의 토큰을 스테이킹 풀에 예치해야 하며, 스테이킹 수량에 따라 투표의 영향력(가중치)이 달라집니다. 즉, 더 많은 토큰을 걸수록 더 강한 투표권을 행사할 수 있습니다. 선출된 증인이 블록을 성공적으로 생성하고 트랜잭션을 검증하면, 보상은 증인뿐만 아니라 해당 증인에게 투표한 참여자들과도 공유됩니다.

증인은 항상 더 신뢰할 수 있는 인물로 유지되어야 하며, 만약 블록 생성을 소홀히 하거나 부정한 거래를 검증하려 할 경우, 다른 후보로 교체되거나 투표 대상에서 제외될 수 있습니다. 이러한 구조는 블록체인의 무결성을 유지하고 증인이 정직하게 행동하도록 유도합니다.

DPoS는 아직 PoS만큼 널리 채택되지는 않았지만, 기존 모델보다 더 효율적이고, 민주적이며, 재정적으로 포괄적인 합의 방식으로 평가받고 있습니다. Lisk(LSK), EOS.IO(EOS), Steem(STEEM), BitShares(BTS), Ark(ARK)등 다양한 플랫폼에서 사용되고 있습니다다.

활동 증명(PoA)

활동 증명(PoA, Proof of Activity)은 작업 증명(PoW)과 지분 증명(PoS)을 결합한 하이브리드형 합의 메커니즘으로, Decred(DCR)과 Espers(ESP) 등의 블록체인 프로젝트에서 사용되고 있습니다.

PoA 시스템은 PoW 방식처럼 채굴자들이 고성능 컴퓨팅 자원을 활용해 복잡한 수학 문제를 해결하는 과정으로 시작됩니다. 그러나 블록이 성공적으로 채굴된 이후에는, 시스템이 PoS 방식과 유사하게 전환됩니다. 채굴된 블록의 헤더가 네트워크에 전파되면, 유효성 검사자 그룹이 무작위로 선택되어 해당 해시를 검토하고 블록의 유효성을 검증합니다. 이때 PoS와 마찬가지로, 더 많은 암호화폐를 보유한 검증자일수록 선택될 확률이 높아집니다.

선택된 모든 유효성 검사자가 해당 블록에 디지털 서명을 완료하면, 블록은 블록체인에 추가되고 트랜잭션이 공식적으로 기록됩니다. 이후 블록 보상은 채굴자와 선택된 유효성 검사자들 간에 공유됩니다.

PoA는 PoW와 PoS의 장점을 결합하면서도 단점을 최소화하려는 목적으로 설계된 모델이지만, 여전히 에너지 집약적인 채굴 과정, 그리고 암호화폐 보유량이 많은 검증자에게 유리한 구조라는 점에서 비판을 받고 있습니다.

권한 증명(PoA)

활동 증명(PoA, Proof of Activity)와 혼동하지 않도록, 권한 증명(PoA, Proof of Authority)은 검증자의 평판을 기반으로 블록 생성 권한을 부여하는 방식입니다. 이 메커니즘은 지분 증명(PoS)의 변형으로, 2017년 이더리움 공동 창립자이자 전 CTO인 게빈 우드(Gavin Wood)가 제안했습니다.

권한 증명에서는 검증자가 암호화폐를 걸 필요가 없습니다. 대신, 자신의 신원과 명성을 담보로 블록을 검증할 권한을 획득합니다. 따라서 이 방식은 참여자가 반드시 자신을 식별해야 하는 허가형 블록체인에서 사용되며, 이는 대부분 익명성이 보장되는 퍼블릭 블록체인과는 차별화되는 구조입니다.

PoA는 높은 컴퓨팅 성능을 요구하지 않기 때문에 PoW 등 기존 합의 방식보다 훨씬 에너지 효율적이고 비용이 적게 드는 방식으로 평가받습니다. 이로 인해 JPMorgan의 JPMCoin과 같은 사설 네트워크에서 자주 활용되며, 그 외에도 VeChain(VET), Ethereum Kovan 테스트넷 등이 PoA 기반 프로젝트에 해당합니다.

이 방식은 높은 확장성을 제공하는 반면, 소수의 검증자만 네트워크 참여가 가능하다는 점에서 분산성은 약화됩니다. 또한 검증자의 신원이 공개되어야 하므로, 부패나 외부 조작의 위험성이 존재한다는 점도 한계로 지적됩니다.

소각 증명(PoB)

소각 증명(PoB, Proof of Burn)은 비트코인의 작업 증명(PoW) 알고리즘에 대한 보다 지속 가능한 대안 중 하나로 제안된 합의 메커니즘입니다. PoB에서는 채굴자가 사전에 정해진 양의 암호화폐를 '소각', 즉 복구 불가능한 주소로 영구히 전송함으로써, 블록을 채굴할 수 있는 권한을 획득합니다. 이 주소는 누구도 접근하거나 사용할 수 없는 구조이기 때문에, 해당 토큰은 사실상 파기된 것으로 간주됩니다. 소각한 코인의 양이 많을수록, 블록 생성권을 얻기 위해 무작위로 선택될 확률이 높아집니다.

이는 PoS에서 일정 기간 스테이킹한 후 자산을 회수할 수 있는 구조와는 달리, 한 번 소각된 코인은 영구히 되돌릴 수 없습니다.PoB 방식은 채굴자에게 단기적 이익을 포기하고 장기적인 참여와 헌신을 유도하는 구조입니다. 또한, 소각을 통해 유통량이 줄어들기 때문에 희소성이 증가하고, 인플레이션 억제와 수요 증대에 기여할 수 있습니다.

PoB 프로토콜을 사용하는 암호화폐에는 Slimcoin(SLM), Counterparty(XCP) 및 Factom(FCT)이 있습니다.

용량 증명/공간 증명(PoC/PoSpace)

기존의 작업 증명(PoW)처럼 전산 능력이나, 지분 증명(PoS)처럼 코인을 스테이킹하는 방식과 달리, 용량 증명(PoC, Proof of Capacity) 또는 공간 증명(PoS Proof of Space)은 채굴자의 하드 드라이브에 사용 가능한 공간의 양을 기반으로 블록 생성 권한을 부여하는 합의 메커니즘입니다.

PoC에서는 채굴자가 먼저 ‘플로팅’(plotting)이라는 과정을 통해 가능한 모든 해시 값을 미리 생성합니다. 이 해시 목록은 하드 드라이브에 저장되며, 저장 공간이 클수록 더 많은 해시 조합을 보유하게 됩니다. 따라서 저장 용량이 클수록 유효한 솔루션을 보유하고 보상을 받을 확률이 높아집니다.

PoC는 고가의 특수 장비나 막대한 전력 소비 없이도 작동하기 때문에, 일반 사용자들도 채굴에 참여할 수 있는 기회를 넓혀줍니다. 이로 인해 다른 주요 합의 방식들보다 에너지 효율적이고, 더욱 분산화된 대안으로 주목받고 있습니다. 다만, 아직까지 많은 개발자들이 PoC를 채택하지 않았으며, 맬웨어(악성코드) 공격에 취약할 수 있다는 우려도 존재합니다.

 이 메커니즘은 현재 Signum(SIGNA) — 이전에는 Burstcoin(BURST) — Storj(STORJ) 및 Chia(XCH)에서 사용하고 있습니다.

경과 시간 증명(PoET)

PoET(Proof of Elapsed Time)은 주로 허가형 블록체인 네트워크에서 사용되는 합의 메커니즘으로, 신뢰할 수 있는 컴퓨팅 환경을 활용해 무작위 대기 시간을 통해 블록 생성 권한을 결정합니다. 이 메커니즘은 2016년 초 Intel에 의해 개발되었으며, Intel SGX(Software Guard Extensions)라는 특수한 CPU 명령어 집합을 기반으로 합니다.

PoET는 시간 복권 방식으로 작동합니다. 네트워크에 참여하는 모든 노드는 무작위로 서로 다른 대기 시간을 부여받고, 해당 시간 동안 ‘수면’ 상태에 들어갑니다. 가장 짧은 대기 시간이 할당된 노드가 가장 먼저 깨어나며, 이 노드가 블록 생성 권한을 획득합니다. 이 무작위화는 모든 참가자가 승자가 될 가능성이 동일하게 보장되어 네트워크 내에서 공정성을 보장합니다.

PoET는 에너지 효율적이며 확장성이 뛰어난 합의 메커니즘으로 평가받고 있으며, Hyperledger Sawtooth 프로젝트에서 실제로 구현되어 사용되고 있습니다.

역사 증명(PoH)

역사 증명(PoH, Proof of History)은 이름 그대로, 트랜잭션이나 이벤트가 발생한 순서를 블록체인 자체에 증거로 남기는 방식입니다. Solana에서 개발한 이 합의 메커니즘은 블록체인에 내장된 타임스탬프 기능을 통해, 다른 노드의 확인 없이도 트랜잭션 간의 시간 경과를 검증할 수 있도록 설계되었습니다.

이 타임스탬프 방법은 SHA-256, 순차적 해싱 VDF(Verifiable Delay Function)로 알려진 기능에 의해 활성화됩니다. 트랜잭션의 출력을 가져와 다음 해시의 입력으로 사용하여 누구나 특정 시퀀스에서 어떤 이벤트가 발생했는지 명확하게 볼 수 있습니다. VDF는 단일 CPU 점수로만 해결할 수 있기 때문에 PoH는 블록체인의 처리 무게를 크게 줄여 동시대 많은 것보다 더 빠르고 에너지 효율적입니다.

PoH는 솔라나에서만 사용하기 때문에 아직 대규모로 테스트되지 않았습니다.

중요도 증명(PoL)

NEM 네트워크(XEM)에서 처음 도입한 PoI(중요성 증명)는 ‘하베스팅’이라는 프로세스에서 특정 기준에 따라 채굴자를 선택합니다. 일반적인 요인에는 지난 30일 동안의 거래 수와 규모, 기득권 금액, 네트워크 활동이 포함됩니다. 이러한 요소를 기반으로 노드에 중요도 점수가 부여됩니다. 점수가 높을수록 블록을 수확하고 이에 수반되는 거래 수수료를 받을 노드가 선택될 확률이 높아집니다.

PoS와 유사하지만 PoI의 추가 메트릭 사용은 네트워크에 대한 참가자의 전반적인 지원을 고려하여 부자에게 본질적으로 보상하려는 전자의 경향을 제거합니다. 따라서 단순히 PoI에 높은 스테이킹을 한다고 해서 반드시 블록을 획득할 수 있는 기회가 보장되는 것은 아닙니다.

결론

분산형 블록체인 플랫폼의 진위를 검증하는 데 있어 완벽한 해결책은 존재하지 않습니다. 각 합의 메커니즘은 고유한 강점과 약점을 가지고 있으며, 적용 환경과 목적에 따라 그 적합성이 달라집니다.

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