이더리움 합의 매커니즘

지분 증명이 무엇인지 이해하려면 '합의 메커니즘'을 우선 이해해야 한다.

(업비트에서 제공하는 이더리움 스테이킹 서비스 중 '연 추정 보상률'은 이더리움 합의 메커니즘과 연관이 있다.)

 

 

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합의 메커니즘이란 블록체인 네트워크에서 분산된 노드(컴퓨터)간 동일한 데이터 상태를 유지하기 위해 합의를 이끌어내는 방법

 

사실 이 과정은 매 블록이 생성될 때마다 하는 것이다. 기업의 경우 회계 감사를 1년마다 한다. 탈중앙 블록체인에서는 감사 과정을 매 블록마다 한다고 생각하면 된다. 

 

비트코인의 경우 블록 생성 시간은 10분, 이더리움의 경우 12초이다. 이때 어떻게 새로운 블록을 검증하고, 이을지 규칙이 있어야 하는데 이를 '합의 메커니즘'이라 한다. 

 

가장 대표적인 합의 메커니즘은 POW (작업증명)와 POS(지분증명)이 있다. 

 

 

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1. POW

 

네트워크상의 거래를 확인/기록하기 위해 컴퓨터로 연산하는 작업. (=작업증명)

 

비트코인 거래가 진행되는 동안 문제에 대한 해답을 찾아 그 비트코인 보상을 받기 위해 풀노드를 운영하는 기기 사용자가 서로 경쟁하는 작업을 말한다. 이를 한번 더 짚어보면,

 

1) 거래를 블록체인에 기록해달라는 트랜잭션을 날리면 (Broadcast)

2) 멤풀(Mempool) 이라는 곳에 저장이 되고,

3) 채굴자들은 멤풀에서 원하는 거래를 뽑아서 블록에 쌓고

4) 논스값을 가장 빨리 찾는 채굴자의 블록이 채택되어 블록제안을 하면  

5) 검증자들이 블록이 유효한지 검증을 함으로써 

6) 기록이 확정이 된다.

 

그리고 논스 값을 찾은 블록 생성자에게는 경제적 보상이 주어진다. 

 

 

2. POS

 

블록체인에서 새 블록을 생성하거나 블록을 검증할 때 참여자가 보유한 암호화폐의 양에 따라 참여 권한을 얻는 방식. 보유한 지분이 많을수록 블록을 만들 권한을 가질 확률이 높게 되는 시스템.

 

'참여 권한'을 얻으려면 보유한 암호화폐가 있어야 되고, 그것을 예치하고 예치한 돈이 높을수록 블록 생성자 권한이 높아진다. 

 

 

1) 블록 생성자 권한

지분을 스테이킹한 자 중에 알고리즘에 의해 '무작위'로 선정이 된다. 이 때 스테이킹한 양이 많을수록 선정 확률은 높아진다.

 

2) 보상 및 처벌

검증 참여자들이 돈을 걸어놓고 검증 과정을 제대로 하면 보상을 받고 제대로 하지 않으면 처벌로 예치해둔 자신의 일부 혹은 전체가 사라진다. (슬래싱) 

 

3) 보안 

비트코인은 해시레이트 혹은 컴퓨터 파워 전체 에너지량의 51% 이상을 차지하면 새로 생겨나는 블록에 대해 조작을 하거나 어택을 할 수 있다. 이더리움에서는 스테이킹 양의 2/3를 장악하면 비정상적인 블록을 추가할 수 있다. (이 외에도 다양한 어택이 있다.)

 

4) 전력 소모

POW에 비해 전력 소모가 훨씬 적다.

 

 

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pow 과정에 대입하여 POS 는 어떻게 동작할 지 생각해보자.

 

1) 트랜잭션을 날리면 (Broadcast)

2) 이전에는 검증인들이 채굴을 통해서 블록 제안자가 됐어야 되는데, POS에서는 알고리즘의 선택을 받는다.

3) 선택을 받은 검증인이 블록에다가 트랜잭션을 넣고 제안을 하면

4) 다른 검증인들이 함께 검증을 해서 

5) 유효한 거래내역으로 인정이 된다. 

 

POS 검증 프로세스

 

1) 새로운 블록을 추가할 기회를 얻기 위해 검증자들은 ETH를 스테이킹 (최소 32 ETH)

2) 스마트 컨트랙트에 자산들은 스테이킹 상태로 묶인다. 

3) 알고리즘에 따라 랜덤으로 검증자를 선정

(예치 자산이 많을수록이 아닌 노드 개수에 따라 선정 기회가 높아지는 것이다. 그래서 보통 32 ETH 씩 나눠서 노드를 만든다.) 

4) 선정된 검증자는 새 블록에 트랜잭션을 담아서 다른 검증자들에게 검증을 요청한다.

5) 12초만에 합의를 해야하기 때문에 랜덤하게 뽑힌 무리의 검증인들이 검증 과정에 참여한다.

(이더리움에는 검증자들이 많아서 선정된 검증인들만 검증을 할 수 있다.)

6) 아무 문제 없이 검증이 완료되면 네트워크 수수료를 보상 받지만 

7) 검증에 문제가 있다면 검증자가 스테이킹 해둔 자산을 잃게 된다. 

 

 

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비탈릭은 이더리움을 고안할 때부터 지분증명으로 전환해야 한다고 주장하고 있다. 비탈릭은 왜 지분증명을 추구했을까.

 

 

처음부터 도입하지 못한 이유는 메인넷 런칭 당시만 해도 POS 메커니즘이 안전한가에 대한 충분한 실험이 이뤄지지 않았다. 반면 POW는 비트코인에 의해 5년 이상 보안에 큰 문제가 없음이 검증되었다.

 

 

이 후 2020년 12월 '비콘 체인'으로 POW와 POS를 병행 하다가, 2022년 09월 '더 머지' 업그레이드 당시 POS로 완전히 전환하게 되었다. 

 

 

POW 에서는 블록체인을 공격하려면 전체 채굴 풀에서 소모되는 에너지의 51%를  차지해야 한다. 유일한 방어는 공격자보다 더 큰 에너지를 소모하는 것이다.

 

 

비탈릭은 이에 대해 '환경 파괴 문제' 와 '사이퍼펑크 정신'을 실현하지 못하기 때문에 POW 방식을 원하지 않아했다.

 

 

방어를 하는데 공격자만큼 비용이 든다는 것, 즉 공격 비용과 방어 비용이 1대 1 인 것은 방어자에게 유리하지 않은 시스템이다. 대표적으로 사이퍼펑크 정신을 가장 잘 보여주는 케이스가 '퍼블릭 키, 프라이빗 키 암호학'이다. 21세기 암호학은 공격자보다 방어자가 유리한 몇 안되는 특별 분야이다. 사이퍼펑크 정신을 이어 받은 시스템들은 안전함이라는 기본 속성을 유지 해야 한다. 사용 및 유지하는 '방어 비용'보다 파괴하거나 방해하는 '공격 비용'이 훨씬 더 높아야 한다고 생각했기 때문에 POS 를 더욱 추구하였다. 방어 비용이 너무 많이 든다는 것은 사이퍼 펑크 정신을 실현하지 못하는 것이라 생각한 것이다. 

 

 

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이더리움은 POW 방식에서 방어 비용이 많이 드는 문제를 해결하기 위해 POS 방식에서는 '처벌' 시스템을 구현하였다. 지분증명은 자산을 먼저 예치하고 내가 잘하면 보상을 받지만 고의적으로 혹은 실수로 잘못된 행위를 하면 자산을 잃을 수 있는 시스템을 마련하였다.

 

 

이더리움 네트워크를 공격을 하기 위해서는 전체 스테이킹 양의 최소 33%, 확실한 공격은 66% 장악을 해야 한다. 예를들어, 현재 스테이킹으로 예치된 이더리움은 2,900만개 (한화 88조원) 이다. 여기에 33%라면 거의 30조가 필요하다. 30조 만큼의 밸리데이터들을 설득하거나 장악해야 한다. 이렇게 어택을 한다고 하더라도 공격에 실패하게 되면 자산을 잃을 수 있는 매커니즘이 이더리움에는 장착되어 있다. 

 

 

결국은 공격자는 비용을 많이 들어야 한다는 사이퍼 펑크 정신 때문에 POS 를 채택 한 것이라고 생각해 볼 수 있다.

 

 

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이더리움 스테이킹에는 네 가지가 있다.

 

 

1) 단독 홈 스테이킹

2) 서비스형 스테이킹

3) 풀 스테이킹

4) 중앙화 거래소 

 

 

풀 스테이킹의 경우 스테이킹을 하면 stETH(유동성 토큰) 를 준다. 이를 가지고 디파이와 같은 이자 놀이를 할 수 있다. 단독 홈 스테이킹보다 디파이를 활용할 수 있는 스테이킹 방법이 훨씬 더 수익률이 좋기 때문에 업계에서는 풀 스테이킹도 많이 이용하고 있다.

 

물론 리스크 검증은 반드시 해봐야한다. 위 스테이킹 중 나에게 맞는것은 어떤 것인지 찾아보자. 

 

 

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이더리움 스테이킹이 얼마나 되어 있는지 확인하는 사이트

 

 

https://dune.com/hildobby/eth2-staking

Dune - 이더 스테이킹 관련 자료

 

 

https://ethereum.org/en/staking/pools/ 

Pooled staking | ethereum.org

풀스테이킹 서비스 관련 정보

 

 

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정리

 

1) 합의 매커니즘이란 어떻게 새로운 블록을 검증하고, 이을지 규칙을 정하는 매커니즘을 말한다. 대표적으로 POS, POW가 있다.

 

2) POS란 보유한 지분이 많을수록 블록을 만들 권한을 가질 확률이 높은 시스템이다.

- 지분을 스테이킹한 자 중에 무작위로 선정된다.

- 검증자가 잘못된 행위를 할 경우 처벌을 받게된다.(슬래싱)

- 스테이킹 양의 2/3를 장악하면 비정상적인 블록을 추가할 수 있다.

- 전력 소모가 적다.

 

3) 이더리움이 POS로 전환한 이유는 POW 방식은 환경 파괴 문제와 사이퍼펑크 정신을 위배하기 때문이다.

 

4) 사이퍼 펑크가 고안한 퍼블릭 키, 프라이빗 키 암호학은 21세기에서 공격자보다 방어자가 유리한 몇 안되는 특별 분야이다. POW의 경우 방어자와 공격자의 비율이 1대 1에 가깝다. 이는 방어자에게 결코 유리하지 않은 시스템이다.

 

5) POS의 경우 슬래싱 매커니즘이 있어 공격자가 더 많은 비용을 지불해야 한다.