Why Ethereum is switching to proof of stake and how it will work

지분증명으로 전환을 시도하는 이더리움

이더리움이 새로운 거래 증명 방식을 시험하고 있다. 이더리움은 올해 상반기에 시스템을 ‘지분증명’ 방식으로 전환할 계획이다. 그러나 이러한 계획에는 여전히 위험 요소가 많다.

디지털 아트, 음악, 영상 등으로 대표되는 ‘대체불가토큰(NFT)’ 시장이 지난해 440억 달러로 성장했다. 이 덕분에 대부분의 NFT가 거래되는 블록체인 네트워크 ‘이더리움’에 많은 관심이 쏠렸고 암호화폐 채굴로 인한 엄청난 에너지 낭비도 사회적 이슈가 되었다.

블록체인은 은행처럼 거래를 검증하는 중앙 기관이 없다. 양대 암호화폐인 비트코인과 이더리움은 은행 대신에 ‘작업증명(proof of work)’이라는 합의 메커니즘(consensus mechanism)을 이용해서 시간 순서대로 거래 장부를 기록한다. 이 과정에서 핵심을 이루는 것은 암호화폐 채굴자들이다.

이렇게 은행이나 정부 같은 감독 기관 없이 운영되는 ‘탈중앙화(decentralization)’에는 막대한 ‘비용’이 필요하다. 작업증명 방식의 경우 필요한 비용에 해당하는 것이 컴퓨터의 연산 능력이다. 작업증명 방식에서는 채굴자들이 어려운 수학 문제를 풀기 위해 서로 경쟁해야 한다. 누구든 처음 문제를 푼 채굴자는 체인에 새 블록을 추가하여 장부를 업데이트하고 그 대가로 새로 만들어진 코인을 얻을 수 있다. 이러한 작업을 하기 위해서는 컴퓨터의 막대한 연산 능력, 그리고 그런 컴퓨터 구동을 위한 전기가 필요하다.

이더리움은 1년에 113TWh(테라와트시)를 사용한다. 디지코노미스트(Digiconomist)에 따르면 이는 네덜란드가 1년 동안 사용하는 전력량과 비슷한 수준이다. 이더리움 거래 한 번에 소모되는 전력량은 미국의 평범한 가정에서 일주일 이상 사용할 수 있는 전력량과 맞먹는다. 비트코인의 에너지 소모량은 이보다 더 많다.

그러나 현재 전 세계는 전력 부족 사태에 직면해 있다. 그래서 지난해에 중국이 암호화폐 채굴을 금지했던 것이고 채굴자들이 몰려든 코소보나 카자흐스탄 같은 나라들이 채굴자들을 몰아내고 그들의 전력 사용을 막고 있는 것이다. 이러한 국가들은 기업이 사업을 영위하고 가정이 계속 난방을 할 수 있게 해줄 전기가 필요하다.

작업증명은 전기를 낭비할 뿐만 아니라 전자폐기물도 생성한다. 암호화폐 채굴에 사용되는 전문적인 컴퓨터 서버는 보통 1년 반이면 사용할 수 없게 되고 결국 쓰레기장에 버려지기 때문이다.

이더리움이 사용하는 작업증명 방식에는 다른 단점들도 있다. 우선 작업증명은 속도가 매우 느려서 1초에 거래 15건을 처리하는 정도가 평균이다. 또한 네트워크 규모를 키울 수도 없다. 2017년에 이더리움 네트워크는 플레이어들이 고양이를 키우고 거래하는 ‘크립토키티(CryptoKitties)’ 게임의 인기로 인해 거래 마비를 경험한 적도 있었다.

앱이 모두 탈중앙화 블록체인에서 구동되는 미래형 모델 ‘Web3’에 벤처캐피털 회사들이 투자하고 있는 현재 상황은 이더리움이 작업증명 방식에서 벗어나기 좋은 시점이다. 그리고 실제로 이더리움은 그런 전략을 세웠다.

2022년 상반기 어느 시점에 이더리움은 ‘더 머지(The Merge)’라는 드라마틱한 이름으로 전체 네트워크를 ‘지분증명(proof of stake)’이라는 합의 메커니즘으로 전환할 계획이다. 이를 통해 전력 사용량을 99% 줄일 것이고 네트워크 규모를 키울 것이며 1초에 10만 건의 거래를 처리할 수 있게 될 것이다.

물론 이더리움은 몇 년째 반년 뒤에 지분증명 방식으로 전환한다고 말해왔다. 이더리움의 설립자 비탈릭 부테린(Vitalik Buterin)은 2021년 5월 포천(Fortune)지와의 인터뷰에서 “우리는 지분증명 방식으로 전환하는 데 1년이 걸릴 거라고 생각했지만, 실제로는 거의 6년이 걸렸다”고 말했다. 지분증명 방식으로 전환하는 작업이 매우 복잡하기 때문이다.

‘지분증명’이란?

비트코인은 세상에 처음으로 등장한 블록체인이다. 비트코인의 개발자는 대형 은행이나 국가 같은 제3자가 통제할 수 없는 금융 시스템을 만들려고 했다.

참가자들이 공동으로 장부를 유지하는 블록체인을 활용해서 비트코인 개발자는 사람들이 시스템을 악용하거나 같은 코인을 두 번 사용할 수 없게 하는 방법을 찾아야 했다. 작업증명 방식을 사용한 것은 현명했다. 완벽한 방식은 아니었지만 작업증명은 충분히 제 역할을 했다.

‘무언가를 증명(proof of something)’하는 방식은 상당한 선행 투자를 요구하기 때문에 악덕 행위자가 겉보기에는 독립적으로 보이는 가상 노드(virtual node)를 만들어서 네트워크에 영향력을 행사하는 것을 방지할 수 있다. 기본적으로 누구든 시스템에 참여하려면 무언가를 투자해야 한다.

비트코인의 작업증명 방식에서 투자에 해당하는 것은 ‘하드웨어’다. 대략 10분마다 비트코인 채굴자들은 퍼즐을 풀기 위해 경쟁한다. 승자는 체인에 다음 블록을 추가하고 블록 보상이라는 형태로 새 비트코인을 획득한다. 그러나 퍼즐의 해결법을 찾는 것은 마치 복권에 당첨되려고 시도하는 것과 같다. 행운을 얻을 때까지 계속해서 추측하고 또 추측해야 한다. 컴퓨터 성능이 더 좋을수록 더 많이 추측할 수 있다.

전 세계 여기저기에서 1초에 수조 개에 달하는 추측 작업을 진행하는 채굴자들의 서버팜(server farm)은 오직 이러한 채굴 작업을 위한 것이다. 채굴 작업의 규모가 클수록 비용을 더 많이 절약할 수 있으므로 시장 점유율도 높아진다. 그러나 이것은 탈중앙화 개념에 어긋난다. 결국 작업증명 방식을 사용하는 시스템은 자연스럽게 다시 ‘중앙화(centralize)’되는 것이다.

비트코인의 경우 이로 인해 결국 소수의 대기업이 네트워크를 통제하게 되었다.

그러나 비트코인의 역사 초반부터 암호화폐 지지자들은 탈중앙화를 어느 정도 보전할 수 있고 작업증명 방식처럼 에너지 낭비가 심하거나 지구 파괴적이지 않은 합의 메커니즘을 모색해왔다.

지분증명의 원리는?

2011년 7월 11일에 비트코인토크(BitcoinTalk)라는 온라인 포럼에서 누군가가 처음 제안한 ‘지분증명’은 작업증명의 대안으로 인기를 끌고 있다. 2013년에 이더리움에 관해 처음 설명한 백서에 따르면 사실 이더리움은 처음부터 지분증명 방식을 사용하려고 했다. 그러나 부테린이 2014년에 언급했듯이 지분증명 시스템을 개발하는 것은 ‘너무나 복잡해서 어떤 이들은 불가능하다고 생각할 정도’였다. 그래서 이더리움은 작업증명 모델을 출시하고 지분증명 알고리즘을 개발하기 시작했다.

지분증명 방식에서는 ‘채굴자’ 대신에 ‘검증자(validator)’라는 개념이 등장한다. 그리고 에너지를 소비하는 컴퓨터에 투자하는 대신에 시스템의 자체적인 코인에 투자한다. 검증자가 되거나 블록 보상을 획득하려면 블록체인에서 실행되는 컴퓨터 코드라고 할 수 있는 ‘스마트 계약(smart contract)’을 이용해 자신이 보유한 코인을 지분으로 묶어 놓아야 한다. 암호화폐를 스마트 계약의 지갑 주소로 보내면 마치 금고에 돈을 보관하는 것처럼 스마트 계약에 암호화폐가 예치된다.

이더리움의 지분증명 시스템에서 검증자가 되려면 현재 1억 2,000만 원 정도의 가치가 있는 32이더(ether)를 투입해야 한다. 수중에 그 정도의 코인이 없다면 참가자들이 공동으로 검증자 역할을 할 수 있는 스테이킹 서비스(staking service)에 가입해야 한다.

알고리즘은 참가자들이 예치한 금액을 바탕으로 검증자들 중에서 의사 결정 권한을 가질 사람을 선정한다. 지분이 클수록 ‘복권에서 당첨’될 가능성이 커진다. 이 과정에서 선정되어 알고리즘이 임의로 선택한 검증자 그룹으로 이루어진 위원회가 블록을 수용하면 그 사람은 새로 만들어진 이더리움 코인을 받게 된다.

이더리움을 지지하는 사람들은 작업증명 방식과 비교해서 지분증명 방식이 가진 주요 이점 하나가 ‘강력한 규칙이 존재하는 것’이라고 주장한다. 노드가 불량 거래나 블록을 검증하면 검증자는 보유한 코인 전부를 ‘소각’당하는 ‘지분삭감(slashing)’ 패널티를 받게 된다. (코인이 소각되면 코인은 누구도 접근할 수 없는 사용 불가능한 지갑 주소로 전송되어 영원히 사용할 수 없게 된다.)

지지자들은 또한 지분증명이 작업증명보다 더 안전하다고 주장한다. 작업증명 체인을 공격하려면 네트워크에서 연산 능력의 절반 이상을 확보해야 한다. 이와 대조적으로 지분증명에서는 시스템 내부 코인의 절반 이상을 확보해야 한다. 그러나 이것 역시 작업증명 방식에서와 마찬가지로 어렵긴 하지만 달성하기 불가능한 조건은 아니다.

이더리움의 지분증명 시스템은 이미 2020년 12월 1일에 출시한 비컨체인(Beacon Chain)에서 테스트되고 있다. 지금까지 950만 이더(현재 가치로 약 45조 8,500만 원)가 비컨체인에 예치됐다. 이더리움은 향후 몇 달 내에 비컨체인을 이더리움의 메인체인과 병합할 계획이다.

다른 업그레이드도 뒤따를 것이다. 두 블록체인을 병합한 이후에 이더리움은 ‘샤딩(sharding)’이라는 방식을 도입해서 이더리움의 단일 블록체인을 64개 체인으로 나눌 것이고 이렇게 조각난 샤드체인(shard chain)을 비컨체인이 조정해서 연결할 것이다.

샤드체인을 이용하면 병렬처리가 가능해진다. 그러면 네트워크의 규모를 키워서 현재보다 더 많은 이용자를 지원할 수 있다. 많은 사람들은 샤드체인이 완전히 도입되어야 ‘이더리움 2.0’ 업그레이드가 공식적으로 완성되는 것이라고 생각한다. 그러나 그런 작업은 2023년 이후에나 가능할 것이다.

나중에는 거래를 체인 외부에서 실행하고 데이터만 이더리움 메인 네트워크로 가져오는 ‘롤업(rollup)’이라는 기술을 이용해 거래 속도를 향상시킬 것이다.

위험한 움직임

이 모든 작업에는 위험이 따른다. 이더리움이 지분증명으로 전환하는 것은 엄청난 작업이다. 현재 이더리움 체인에서 작동하는 수천 개의 스마트 계약에는 수십억 달러의 자산이 걸려있다.

그리고 컴퓨터 시스템으로 가득 찬 창고처럼 스테이킹이 지구에 직접적인 피해를 주는 것은 아니라고 해도 지분증명 방식이 작업증명 방식과 마찬가지로 탈중앙화를 유지하는 데 그다지 효과적이지 않다는 비판도 있다. 가장 많은 돈을 예치한 사람이 가장 많은 돈을 버는 구조이기 때문이다.

지분증명은 작업증명 방식을 사용하는 플랫폼들처럼 아직 큰 규모에서 검증된 적이 없다. 비트코인이 탄생한 지는 10년이 넘었다. 알고랜드(Algorand), 카르다노(Cardano), 테조스(Tezos) 등 일부 체인이 지분증명 방식을 사용하지만 이들은 이더리움에 비하면 매우 규모가 작다. 따라서 이더리움처럼 규모가 큰 체인에 지분증명 방식이 도입되면 새로운 취약점이 표면에 드러날 수도 있다.

이더리움이 새로운 방식으로 전환되면 이에 불만을 품은 채굴자들이 경쟁 체인을 만들기로 할 수도 있다. 그러면 현재 이더리움 체인에 존재하는 모든 스마트 계약, 코인, NFT가 포크(fork)된 체인, 즉, 복제된 체인에 자동으로 복제될 것이다.

2016년 이더리움 개발자들이 대규모 해킹 피해를 복구하려고 이더리움 블록체인을 롤백한 이후에 비슷한 일이 발생했다. 일부 커뮤니티 구성원들이 롤백 결정에 매우 분노해서 원래 체인을 계속 채굴했고 그 결과 두 개의 이더리움이 만들어진 것이다. 바로 ‘이더리움 클래식(Ethereum Classic)’과 우리가 현재 잘 알고 있는 ‘이더리움’이 그 둘이다. 이런 일이 다시 발생하면 새로 만들어지는 체인의 성공 여부는 시장에서 해당 코인이 갖게 되는 가치에 따라 달라질 것이다.

비트코인처럼 환경 문제를 악화시키지 않으려면 이더리움은 지분증명 방식으로 전환해야 한다. 문제는 이더리움의 새 시스템이 과연 지분증명에 대한 모든 전망을 충족시킬 수 있을지 알 수 없다는 것이다. 탈중앙화는 얼마나 실현될까? 만약 퍼블릭 블록체인이 탈중앙화되지 않는다면 무언가를 증명이라는 방식이 무슨 소용이 있을까? 그러면 결국 엄청난 전력량을 소비하거나 모든 코인을 예치하는 것이 그저 탈중앙화된 금융 시스템이라는 실현 불가능한 ‘환상’을 좇는 행위에 지나지 않게 될 것이다.  

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