스케일링 해결책 - 4부 Side chain Solution - Ethereum - Plasma mvp

이번 스케일링 해결책 4부에서 다룰 암호화폐는 이더리움입니다. 2부에서 이미 다뤘는데 왜 한번더 이야기하는지 궁금하실듯 합니다. 3부의 내용(2부라고 잘못적혀있으나....7일이지나서 수정이 안됩니다...쿨럭...)은 온체인상에서의 솔루션 위주로 다뤄 보았고, 이번 3부에서는 이더리움의 사이드체인인 플라즈마에 대해서 다룰 예정입니다. 결론적으로 플라즈마, 샤딩, 오프체인(최근에는 라이덴 네트워크 이외에도 Liquidity.Network라는 새로운 오프체인이 ICO을 진행중입니다)은 모두 상호 보완적인 역활을 갖게 됩니다.

플라즈마는 개별 Dapp의 ERC-20전송에 따른 이더리움 메인 네트워크의 병목현상을 줄여줄 것으로 기대되며(이더리움도 스마트컨트랙트를 통해서 가능), 샤딩은 현재의 문제점으로 부각되고 있는 노드의 용량 해결과 샤드의 증가를 통해(병렬) 온체인 상에서의 전송한도의 증가효과. 마지막으로 채널방식은 플라즈마가 차일드체인의 오프체인 방식을 통한 빠른 전송에 대한 강점을 보여줄 것으로 기대됩니다.

얼마전에 이더리움 재단에서 플라즈마의 MVP (Minimal Viable Plasma - Plasma - Ethereum Research)와 샤딩의 Phase 1이(A Summary of Sharding Phase 1- Ethereum's scaling solution - GitHub) 발표되었습니다. 여느 때보다 빠른 개발이 진행되고 있는 것으로 보입니다.

이더리움 로드맵상의 다양한 Milestone에 대한 선구자적인 도입을 준비하는 암호화폐들도 눈에 띕니다. 오미세고의 DEX(Decentrailized Exchange)는 플라즈마의 도입을 예상하고 설계되었고, Zilliqa는 샤딩을 시범도입해서 AWS상에서 높은 TPS성능을 선보였습니다. 과거에 POS도 마찬가지였습니다. 선구자적인 암호화폐의 등장은 기술의 안정성 테스트를 위한 테스트 배드로서의 역활을 훌륭히 해낼 수 있을 것으로 보입니다.(오미세고나 Zilliqa가 오직 테스트배드로 제한 된다는 의미는 아닙니다. 이미 이더리움 네트워크에 존재하고 있는 에코시스템으로 인해 쉬이 도전하기 어려운 기술에 대한 안전성의 판단을 가능케한다는 의미입니다.)

다만 샤딩은 아직 POC수준에 불과해 설명하기가 오히려 어렵지 않은데 반해, 플라즈마는 MVP가 나온상황이라 어떻게 설명을 해야할지 많이 고민해보았습니다. 다행히 얼마전에 플라즈마 MVP에 대한 간단한 설명과 PPT가 나왔다는 것을 알 수 있었습니다. (Plasma MVP - youtube) 이번 플라즈마 자료는 여기 링크되어있는 유튜브와 기존에 발표되어있는 플라즈마의 백서를 기반으로 작성되었습니다. PPT에 직관적으로 이해하기 쉽게 도식화된 그림이 있어, 이번 자료에 많이 넣어 두었습니다.

플라즈마의 도입은 가스리밋 증가, 샤딩에 대한 도입 기대보다는 현실적인 대안

온체인에는 선택지가 존재합니다. 안전성, 속도, 탈중앙화라는 서로 상충되는 선택지에 대한 문제입니다. 어떠한 솔루션을 선택하던지 간에 세 가지에 대한 상충에 대한 효과가 발생한다는 것이죠. 안전성이 높아지면 느려지고(POW의 난이도와 연산력이슈), 속도가 빨라지기 위해서는 탈중앙화의 이슈(DPOS의 문제점이라고 하나 개인적으로는 동의하지 않습니다)가 생겨 날 수 있습니다. 그렇기 때문에 우리는 온체인 상에서의 솔루션을 마지막 보루라고 이야기하는 것입니다.

플라즈마는 앞서 이야기한 온체인의 스케일링 솔루션인 가스리밋의 추가적인 증가와, 샤딩보다 좀 더 현실적인 대안이 될 수 있습니다.(채널 결제방식 포함) 기존의 암호화폐에 존재하는 에코시스템의 유지와, 온체인 사용의 편의성을 동시에 가져갈 수 있기 때문입니다.

현재 이더리움의 메인넷(플라즈마에서 이야기하는 루트체인, 이하 루트체인)은 매 13~15초마다 블록을 만들어내고 있습니다. 현재 글을 작성하는 18년 3월 10일 ethstats상에서 문제점은 존재하지 않으나, 2017년 하반기에는 제한되어있는 블록당 가스리밋으로 인해 블록에 전송을 기입하기 위한 병목현상이 발생하였습니다.이러한 문제가 발생하는 이유는 는 무엇일까요. 바로 루트체인에 너무 많은 것들이 기입되기 때문입니다.

만약 모든 거래를 차일드체인에서 처리하고 루트체인이 예금과 출입, 그리고 사기성 이슈만을 해결한다면 어떻게 될까요? 루트체인의 부하는 그만큼 감소하게 되고, 더욱 편리하게 이더리움의 블록체인을 사용할 수 있을 것입니다. 과연 샤딩은 단기적으로 반드시 필요한 솔루션일까요? 플라즈마만을 도입한, 또는 샤딩만을 도입하려하는 단일 메인넷 블록체인의 효용이 이더리움의 아성을 뛰어넘을 수 있을까요?

플라즈마는 어떻게 스케일링 이슈를 해결하는가(Youtube , 백서 기반)

플라즈마가 어떻게 이더리움 루트체인의 스케일링 이슈를 해소하는지, 플라즈마 MVP에 대한 개요를 통해서 한번 자세히 알아보도록 하겠습니다. 어떻게 루트체인을 사용하지 않으면서 2중지출의 문제와 지급보류의 문제를 해결하는지, 그리고 루트체인과 차일드체인간의 연결이 어떻게 되는지에 대한 내용입니다. Youtube의 내용에서는 플라즈마 네트워크를 통한 이더리움의 가치 전송에 대해 이야기하고 있으나, 플라즈마 백서에서는 ERC-20, ERC-721(Non-fungible)의 전송 또한 가능하다고 이야기하고 있습니다.

여기서 오프체인 방식과 차이점이 발생합니다. 라이덴 네트워크의 경우에는 이더리움의 오프체인 전송은 지원하지 않습니다. 현재는 ERC - 20에 대한 오프체인만을 지원합니다.(향후 ERC-721에 대한 이야기도 진행중) 이 때문에 서로 상호보완적인 역활을 한다고 이야기를 할 수 있습니다. 샤딩과 플라즈마, 채널결제를 도입한 이더리움의 모습에 대해서는 마지막에 도식화로 이야기하도록 하겠습니다.

참고 : 플라즈마 백서, 플라즈마의 도식도는 일반적으로 블록의 바디값의 머클루트 값을 산출하는 방식과 닮아 있음.

참고 : Do-dot, 이는 빅데이터에서 이야기하는 Map reduce와도 비슷한 구조

기본적인 플라즈마의 모습은 머클루트의 방식을 따릅니다. 이를 Merkleized라고 부릅니다. 이를 통해서 Map reduce 형식으로 구성될 수가 있습니다. 단어는 어렵지만, 머클루트에서 이야기하는 피라미드 형태를 띄게 된다고 봐도 무방합니다. 다만 비트코인에서 이야기하는 머클루트는 이진트리(2개의 거래를 합치는)의 구조를 띄기에 플라즈마가 추구하고자 하는 Merkleized와는 조금은 다른 모습을 띄게 됩니다. 플라즈마는 이진트리와 같이 단 2개를 합치지 않습니다. 수십개, 수백개의 차일드체인과 패런츠체인이 루트체인 밑에 존재할 것이기 때문입니다.

플라즈마 체인이 운용되는 조건은 크게 4가지입니다

1. 유효하지 않은 전송이 차일드체인에 기입될 경우, 해당 차일드체인은 7일이내로 닫혀야 합니다.

2. 인출은 거래의 생성 순서대로 진행됩니다. 가장 초기의 거래는 차일드체인의 상위체인에서 봤을때 상대적으로 가장 오래된 블록에 포함되게 됩니다. 이로인해 초기 거래 이후에 추가된 인출에 대한 요구는 상위체인의 블록의 순서에서 후순위로 밀리게 됩니다.

3. 전송은 루트체인에 포함된 경우에만 유효합니다.

약간은 난해할 수 있으나, 다음 PPT 파일과 연결시켜 보면 이해가 쉬울듯 합니다. 아래는 플라즈마의 차일드체인의 거래가 루트체인상에서 확정되는 것에 대한 간단한 설명입니다.

플라즈마를 이용한 계약의 시작은 오프체인 방식과 마찬가지로 이더리움의 메인넷 체인에 기록되는 것에서 시작하게 됩니다. 또한 플라즈마 오퍼레이터는 플라즈마에서 블록을 만들고, POA(Proof of authority)방식을 통해서 플라즈마 차일드체인의 거래를 루트체인에 기록하는 역활을 하게 됩니다.

거래가 시작되는 시점에서 플라즈마의 차일드체인에서 블록을 생성합니다. 다만 아직까지 해당블록은 루트체인에 반영되지 않았음으로 거래가 확정되지 않았습니다.

거래를 확정시키기 위해서 플라즈마 오퍼레이터가 해당 내역을 루트체인에 기입을 요청합니다. 해당 과정은 현재 이더리움 네트워크 내에서 채굴자가 블록을 만드는 과정과 동일하게 됩니다. 걸리는 시간은 대략 13~15초의 시간이 걸리게 됩니다.

루트체인 상에 해당 요청을 포함한 블록을 만들게 되면서, 플라즈마의 차일드체인에서의 거래가 확정되게 됩니다. 여기까지가 플라즈마를 이용한 간단한 거래의 방식입니다.

다음에 나오는 예시는 SAM과 ALICE가 플라즈마 차일드체인에서 거래를 하는 내용입니다. 해당 PPT 파일에서는 2명의 참여자로 제한하고 있습니다. 만약 차일드체인의 참여자가 예시에 한정된다면(오직 2사람만이 참여할 수 있다면) 단순히 루트체인을 이용하는 것과는 차이가 없습니다. 플라즈마의 차일드체인은 Private 체인입니다. 허락받은 사용자라면 단 2명의 참여자가 아니라, 수없이 많은 사람들의 거래가 플라즈마 차일드체인에서 이루어지고 루트체인에 기록되는 과정을 거칠 수 있습니다. 차일드체인에서 발생하는 수많은 거래가 패런츠체인과 루트쳉니에 기입되는 것입니다. 이로 인해 루트체인은 해당 거래의 결과값만을 보유하게 됩니다.

다음에 나오는 것은 SAM과 ALICE간의 거래가 플라즈마 내에서 어떻게 이루어지는지에 대한 설명입니다.

SAM은 총 10이더리움을 보유하고 있습니다. 이 중에 5이더리움을 플라즈마체인에서 사용하고자 합니다. 플라즈마 컨트렉트 상에 기입하는 내용을 블록에 포함되도록 신청합니다.

해당 블록이 만들어지게 될 경우 SAM은 이더리움 5개와, 플라즈마 컨트랙트 상의 이더리움 5개를 보유하게 됩니다.

SAM은 잘못된 행동(부정행위)을 감지할 수 있게 됩니다.

SAM은 거래 상대방인 ALICE에게 플라즈마 차일드체인상에서 2.5개의 이더리움을 보내고자 합니다. 여기서 ALICE는 SAM과 동일한 과정을 거쳐 차일드체인상에 1이더리움을 보유하고 있습니다.

오퍼레이터는 해당 요청을 받아 해당 내역을 기입한 블록을 만들게 됩니다. 아직까지 루트체인 상에 기록이 되지 않았음으로 ALICE는 차일드체인상의 2.5이더리움에 대한 사용권한이 없습니다.(조건 3에 해당)

플라즈마 오퍼레이터가 차일드체인에서 만든 블록에 대한 내역을 포함해, 루트체인에 요청을 보내게 됩니다.

SAM은 자신의 요청이 루트체인과 차일드체인에 기입된 것을 확인합니다.

SAM은 내역을 확인한 이후 ALICE에게 확인메시지를 보내게 됩니다.

잔고는 업데이트 되게 되고, ALICE는 이제 늘어난 잔고를 사용할 수 있게 되었습니다.

그런데 만약에 SAM이 플라즈마 차일드체인상의 잔고인 2.5이더리움이 아닌, 5이더리움의 인출을 신청하게 되면 어떻게 될까요?(이중지출)

ALICE는 해당 요청(SAM이 5이더리움을 차일드체인상에서 빼내고자하는)을 자동적으로 확인할 수 있습니다.

7일 이내(Challenge period)에 문제점이 생겼음을 보고하게 됩니다.(조건 1에 해당)

SAM의 부정적인 행동에 대한 '인지'가 루트체인상에서 발생하게 됩니다.

SAM의 인출 요청을 취소되게 되고, ALICE는 SAM의 보증금을 가져가게 됩니다. 보증금의 몰수 방법을 통해서 루트체인이 아닌 차일드체인에서 발생하는 이중지출에 대한 문제점을 해결하게 됩니다. (해당 보상 방안에 대해서는 아직까지 확정되지 않았음) 그렇다면 만약 플라즈마 오퍼레이터가 선량한 참여자이지 않을 경우에는 어떻게 될까요?

플라즈마 오퍼레이터가 부정적인 행동을 하는 경우를 가정해보겠습니다. 차일드체인상에 블록을 자체적으로 만들어버리고, 이를 루츠체인에 보고 하게되는 경우입니다.

SAM과 ALICE는 부정적인 행동이 루트체인과 차일드체인상에 발생하였다는 것을 확인합니다.

부정적인 내역을 확인한 SAM과 ALICE는 인출신청을 하게 됩니다. 플라즈마 오퍼레이터도 자신의 부정적인 행동을 정당화하기 위해 바로 인출 신청을 합니다.

오래된 전송(먼저만들어진 블록에 포함된 거래)가 행동에서의 선순위권을 갖게 됩니다. (조건 2)

SAM이 기존에 차일드체인에 넣은 이더리움은 5개, ALICE는 1개입니다.

먼저 루트체인상에 기록된 거래이므로 SAM과 ALICE의 인출이 선순위를 갖게 됩니다.

플라즈마 오퍼레이터는 자신의 부정을 정당화할 수 없게 됩니다.

플라즈마의 문제점

플라즈마 또한 시범적인 기술인 만큼 다양한 문제점이 존재합니다. 다만 문제점의 이슈는 여타 다른 스케일링 이슈대비 커보이지는 않습니다.

첫번째로 자유선택권에 대한 문제입니다.(=Free Problem Option, 개인적으로 번역...) 예를들어 A라는 사람이 B에게서 플라즈마 기반에서 Q라는 ERC-20토큰을 산다고 가정해보겠습니다. A라는 사람은 서명을 먼저 하게되고, B에게 서명을 받아야지 거래는 확정되고 루트체인에 기입되게 됩니다. 다만 만약 A라는 사람이 서명을 하고, B에게 넘어가는 상황에서 Q라는 토큰의 가격이 올랐을 경우를 가정해보겠습니다. B라는 토큰 매도자가 과연 서명을 하게 될까요?

거래가 자신에게 유리하면 서명을 하게되고 ,덜 유리하게 되면(손해를 보게되면) 서명을 거부하게 될 가능성이 높습니다. B에게는 서명을 하지 않을 자유 선택권이 존재한다는 것입니다. 이 문제는 어떻게 해결 될 수 있을까요?

백서에서 이야기하는 해결책은 다음과 같습니다. 오프체인에서 거래의 규모를 분할하는 것입니다. 토큰의 거래상대방이 존재할 경우에는 전체 거래대금의 일부분을 오프체인에서 거래하는 방식으로 플라즈마의 역활을 분배하면 될 것으로 보입니다.(채널 방식의 HTLC - Hash time lock contract, 예치금으로 신뢰를 강제) 스마트 컨트랙트의 당사자인 B는 분할된 금액(전체 금액대비 소액)에 대해서만 자유선택권이 존재하게되므로 문제점이 최소화 될 수 있다는 것입니다.

결국 역활의 분산을 통해서 자유선택권의 문제는 해결할 것으로 판단됩니다. 스케일링 이슈가 서로 상호보완적이라는 것은 이러한 것을 의미 하는 것이겠지요. 물론 오프체인에서 HTLC가 가능하나 스마트컨트랙트를 이용하기는 어려울 수 있습니다. 이 때문에 플라즈마와의 보완을 해야하는 것입니다.

두번째로 플라즈마를 기반으로하는 차일드체인의 거래가 루트체인에 모두 기록되는 것이 아니기에 발생하는 문제점입니다. 루트체인에서는 전송(거래)에 대한 '결과'를 네트워크의 모든 참여자가 확인할 수 있지만, 플라즈마의 차일드체인에서 발생하는 모든 거래를 확인하기 어렵습니다. 모두가 확인하지 않기 때문에 차일드체인상에서의 거래를 올바른 거래라고 추정하는것에서 발생하는 문제입니다.

예를 들어 플라즈마를 기반으로 분산화된 거래소를 만드려고하는 오미세고를 예로 들어보겠습니다. 오미세고에서는 분산화된 거래소를 플라즈마를 통해서 구축하고자 합니다. 분산화된 거래소를 사용하는 A라는 사람입장에서는 오더북상에 있는 다른 참여자에 대한 고민(올바른 거래인지)을 하지 않아도 됩니다.

다만 이를 운용하는 사람(오미세고)는 해당 차일드 체인을 Fully Validate를 진행해야 할 것입니다. 만약 수 많은 ERC-20의 코인의 거래가 플라즈마를 기반으로 이루어진다면 오미세고는 해당하는 수많은 차일드체인에 대한 검증자의 역활을 해야겠지요. 결국 확인자가 되기 위한 투자가 들어가야 한다는 것입니다.(오미세고는 검증자에 대해서 예치금의 몰수라는 방식을 적용한다고 하나 이는 지켜봐야하는 부분일 듯합니다.)

세번째는 즉각적인 확인이 루트체인에서 되지 않는 다는 점입니다. 이는 차일드체인에서 발생한 전송(거래)을 루트체인에 기입하는데 있어 발생하는 시간의 문제로 해결되기 어렵습니다.

단기적으로 이더리움의 온체인, 사이드체인 솔루션은 플라즈마와 오프체인 방식이 주를 이룰 것.
샤딩은 좀더 안전에 대한 증거를 쌓고난 이후를 기대

참고 : 이더리움의 현재 오픈되어있는 스케일링 솔루션이 적용된 이후의 모습, 과연 얼마만큼의 편의성을 우리에게 안겨줄까?

현재 도입의 속도 측면에서 2018년에 현실화 가능성이 높은 스케일링 솔루션은 오프체인과 플라즈마입니다. 앞서이야기한 상호보완적인 측면은 위와 같은 그림으로 도식화 될 수 있습니다. 오프체인 채널 방식은 플라즈마의 차일드체인의 확장성을 높여줄 것으로 기대됩니다. ERC기반의 오프체인 전송을 지원하는 특성상 차일드체인의 네트워크 버든(burden)을 덜어줄 수 있을 것으로 기대됩니다. 그리고 각각의 차일드체인은 루트체인의 버든을 감소시켜주겠지요.

플라즈마를 도입할 경우 이미 수 많은 Dapp을 보유한 이더리움 입장에서는 확장성에 대한 문제를 온체인상의 부담 없이도 해결 할 수 있을 것입니다. 위의 도식화 그림에서 보이듯이, 단일 Dapp에서 확장성이 끝나는 것이 아니라 각각의 Dapp들이 플랫폼의 역활을 하면서 개별 토큰의 루트체인 역활(실질적으로 보안을 제공하지는 않으나)을 할 수도 있을 것으로 보입니다. 결국 Dapp의 역활 확장까지 진행 될 가능성이 높기에 개발자들은 단일 전방시장만을 바라보는 개발이 아니라, 좀더 폭 넓은 시각에서의 개발이 가능할 것입니다.

플라즈마는 단순히 스케일링에 대한 문제점만을 해결하고자 하지 않을 것입니다. 현재의 미흡한 블록체인 네트워크 환경이 아니라, 지금 우리가 사용하는 인터넷의 모습과 비슷한. 작은 인터넷의 시대가 도래할 가능성이 높습니다.(물론 차일드체인간의 직접적인 연결은 샤딩에서 이야기한 각각의 샤드의 연결을 위한 계약(스마트 컨트랙트)로 연결되어야 하겠지만 말입니다)

2018년은 이더리움에 대한 기대감이 한 껏 높아질 것으로 전망
경쟁 플랫폼 대비 적용의 속도는 여전히 문제점

참고 : Zilliqa에서 이야기하는 샤딩의 모습

EOS는 2018년 6월에 메인넷을 준비하고 있습니다. 그리고 수많은 DAPP들의 개발을 위한 적합한 플랫폼으로서 잡아가고 있는 것도 현실입니다. 앞서 이야기한 Zilliqa의 경우에는 샤딩을 선재적으로 도입하여 온체인상에서의 스케일링 솔루션을 이뤄내고자 합니다.

하지만 이더리움은 이제 플라즈마의 MVP가 시장에 등장하였고, 샤딩은 아직까지 Phase 1에 불과합니다. 2017년 3월에 메인네트워크에 올라온다고 하였던 오프체인 솔루션인 라인덴은 아직까지 업데이트만이 진행되고 있습니다. 이와중에 Liquidity Network와 같은 새로운 오프체인 솔루션(또는 라이덴에서 포크된 수준에 불과한)이 시장에 등장하려한다는 점은 이더리움의 입장에서는 오히려 긍정적입니다.

이더리움은 2017년 하반기에 들어서 스케일링 이슈에 대해서는 굉장히 빠른 행보를 보이고 있습니다. 이더리움의 개발자인 비탈릭은 2018년 1월에는 자신이 일하던 펜부시 캐피털을 떠나 개발에 더 많은 시간을 쏟겠다고 이야기했습니다.(Link) 또한 고질적인 플랫폼의 문제(네트워크의 한계)로 블록체인의 실용성이 퇴색되었다는 점과, 지난 4년간 개발을 지속해오던 확장성, 개인정보보호에 대한 아이디어를 2018년에는 이더리움에 적용할 것이라고 발표하였습니다.

우리가 과거에 윈도우 xp를 사용하던 때를 기억하실 겁니다. 수많은 다음 버젼들이 나오고 있는 와중에도 기존의 시장에 앵커되어 있는 고객들은 존재하기 마련입니다. 윈도우 XP의 보안적인 문제점이 발생하는 와중에서도 사람들은 쉬이 XP를 버리지 않았습니다. 다만 현재는 대부분의 사람들은 XP를 사용하지 않습니다. 결국은 앵커되어있는 사용자도 편리한 시장으로 넘어가버리기 마련입니다.

이더리움이 지금은 사용하지 않는 윈도우XP에서 머무를지, 그 이상을 이루어낼지에 대한 판단을 할 수 있는 2018년이 될 듯합니다. 다음 4부부터는 이더리움과 비트코인에 한정되는게 아닌, 모든 블록체인을 연결하는 Internet과같은 Inter-chain에 대해서 이야기해보고자 합니다.

도움 되셨다면 리스팀 부탁드립니다. 감사합니다.

Appendix. 용어정리

1. 차일드체인 : 플라즈마 내에서 전송에 대한 기입과 계산을 수행하는 체인

2. 패런츠체인 : 차일드체인을 보호하는 체인. MVP에서 이야기하는 루트체인과 동의어. 플라즈마는 최종적으로 루트체인과 차일드체인 사이에 수많은 패런츠체인이 존재할 수 있음

3. 루트체인 : 스마트컨트랙트를 통해서 이더리움 네트워크 상에 차일드체인을 고정. 하위체인의 출입을 처리하고 먼저 들어온 전송에 대한 선순위를 부여하는 역활

P.S : 스팀이 많이 빠져서 저점매수하는 느낌으로 보유하고 있는 스팀달러를 보팅봇에 사용하였습니다.