January 20,2020

합의 알고리즘으로 블록체인 난제 풀어

트릴레마 넘어야 블록체인 보편화 가능

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합의 알고리즘은 블록체인 산업 발전에 중요 요소이다. ⓒ Piqsel

합의 알고리즘은 블록체인 산업 발전에 중요 요소이다. ⓒ Piqsel

동국대학교 국제정보보호대학원은 지난 9월 블록체인전공자들을 대상으로 합의 알고리즘 강의를 개설했다. 이는 블록체인 산업 발전을 위해서는 합의 알고리즘을 반드시 다뤄야 한다는 동국대학교 국제정보보호대학원의 판단에 따른 것이다.

특히 합의 알고리즘을 다뤄야 하는 이유는 두가지로 설명할 수 있다. 첫째는 블록체인 보편화가 핵심이다. 둘째는 국가 기술 선도 차원에서 다뤄야 하는 것이다. 합의 알고리즘이 블록체인 차별화의 주요 요소이기 때문이다.

블록체인 보편화의 걸림돌 ‘트릴레마’

2008년은 블록체인이 처음으로 등장한 해라면, 2015년은 블록체인이 새로운 패러다임을 맞이한 해라고 할 수 있다. 이더리움이 등장했기 때문이다. 이더리움 등장은 단순히 새로운 암호화폐 등장을 의미한 게 아니다. 스마트 컨트랙트라는 기술이 블록체인에 최초로 결합했기 때문이다.

이더리움은 블록체인에 새로운 패더라임을 불러왔다. ⓒ Pixabay

이더리움은 블록체인에 새로운 패더라임을 불러왔다. ⓒ Pixabay

스마트 컨트랙트는 1994년에 컴퓨터 과학자인 닉 사보(Nick Szabo)가 처음으로 제안한 개념이다. 스마트 컨트랙트 취지는 계약서 분쟁을 줄이기 위함이다. 다시 말해, 계약서에 쓰인 자연어를 이진수 기반 컴퓨터 언어로 바꾸자는 뜻이다. 계약서를 컴퓨터 언어로 기록하면, 분쟁 시에도 ‘동작’과 ‘미 동작’의 결과만 산출되게 할 수 있기 때문이다.

당시 이러한 개념은 큰 인기를 끌었다. 그러나 지속하지 못했다. 해킹 취약점이 문제점으로 등장했기 때문이다. 다시 말해, 계약서 내용이 조작될 위험이 높았다.

그런데 이더리움은 이러한 문제를 해결했다. 블록체인을 활용해서 말이다. 블록체인의 장점인 무결성을 무기로 계약서 내용을 보증할 수 있었기 때문이다. 이러한 관점에서 보면, 스마트 컨트랙트는 블록체인의 기능으로서 보기보다는 ‘응용 사례’로 보는 것이 적합해 보인다.

블록체인과 스마트 컨트랙트 결합은 적용 범위를 넓혔다. 스마트 컨트랙트가 적용하고자 했던, 계약 분야로 확장할 수 있었기 때문이다. 이에 따라, 블록체인 잠재성에 관한 기대가 많이 부풀러 올랐다.

멜라니 스완(Melanie Swan)이 저술한 책에서 이를 엿볼 수 있다. 2015년 당시 멜라니는 ‘블록체인: 신경제를 위한 청사진(Blockchain: Blueprint for a New Economy)’라는 저서를 출간했다. 해당 저서는 블록체인을 세대별로 구분했다. 비트코인 세대를 블록체인1.0, 이더리움 세대를 블록체인2.0으로 구분했다. 그리고 블록체인3.0을 미래 청사진으로 제시했다.

멜라니는 저서를 통해 3.0 시대에는 블록체인이 전 산업으로 확장될 것이라고 분석했다. 이러한 주장은 블록체인 전문가로부터 많은 주목을 받았다. 그러나 블록체인2.0과 차별점이 없어서 추상적인 개념으로 변했다.

이후 한국전자통신연구원(ETRI)이 블록체인3.0을 재정의함으로써 의미를 좀 더 명확히 했다. ETRI에 따르면, 블록체인3.0은 기존과 달리 개발 언어가 다양해졌다. 그리고 확장성, 보안성, 민주성 등이 더 강화된다. 결국, 블록체인3.0은 이러한 변화를 통해 산업 전체에 보편적으로 적용될 수 있다.

개발 언어는 블록체인 개발 방법론만을 변화하는 것이다. 그러므로 기존 블록체인 특성과 구분된 차이점으로 보기 어렵다. 반면 확장성, 보안성, 민주성 등은 블록체인과 구분된 특성으로 볼 수 있다.

그럼 세 가지 요인을 강화할 수 있는 기반 기술이 무엇일까? 결론부터 말하면, 합의 알고리즘이라고 할 수 있다. 이러한 알고리즘 고도화가 블록체인의 세 가지 부분을 강화할 수 있다. 그리고 이는 블록체인 보편화에 기여한다.

참고로 세 가지 요인의 중요성은 이더리움 창시자인 비탈릭 부테린(Vitalik Buterin)이 이미 강조한 부분이다.

기존 블록체인은 거래당 처리속도(TPS) 부분에 집중했다. 기존 블록체인 플랫폼인 이더리움, 비트코인 등의 TPS가 낮았기 때문이다. TPS는 블록체인 운영 속도를 나타내는 척도이다. 그런데 이는 블록체인의 보안성을 감소시키는 역효과를 불러왔다. 둘 사이의 트레이드 오프(Trade Off)가 존재한 것이다. 그래서 최근에는 TPS에만 매달리지 않고 있다.

비탈릭은 이러한 트레이드 오프를 확장했는데, 확장성, 보안성, 민주성 등을 모두 만족하는 블록체인 등장이 기술 보편화에 가장 중요한 요인이라고 강조했다. 그러나 비탈릭은 이러한 세 가지 요건을 모두 만족한 블록체인이 없다고 주장했다. 이를 트릴레마라고 불렀다. 다시 말해, 피자 크기는 이미 정해져 있다. 그리고 3명이 몫을 가져가느냐에 따라 특성 비중이 달라질 뿐이다.

결국, 트레이드 오프간에 요인 변경은 해결책이 될 수 없다. 피자 몫을 균형 있게 나누는 연구는 중요치 않다. 피자 크기를 키우는 연구가 필요한데, 이를 충족할 기술이 합의 알고리즘이다.

다양한 방법으로 개발되는 합의 알고리즘

합의 알고리즘은 탈중앙 방식으로 블록체인 운영 방식의 동력이 되는 기술로 정의할 수 있다. 혹은 블록체인 데이터 공유 방법의 규칙을 정하는 알고리즘으로 정의할 수 있다. 세계 트렌드 또한 합의 알고리즘을 중요하게 생각하고 있다. 이러한 이유로, 수많은 합의 알고리즘이 있다.

작업증명알고리즘(PoW)은 1세대 블록체인 합의 알고리즘이다. PoW는 비트코인에 처음으로 활용됐는데, 컴퓨팅 파워로 블록체인 합의를 결정한다. 보안성과 민주성은 매우 높고, 확장성은 낮다. TPS가 낮을 뿐만 아니라, 컴퓨팅 파워 소모가 크기 때문에 전기료가 많이 든다.

이러한 대안으로, 지분증명알고리즘(PoS)이 등장했다. PoS는 블록체인에서 사용되는 암호화폐를 지분으로 사용해서 합의하는 방식이다. 의사결정 영향력은 지분에 사용된 암호 화폐량과 이러한 기간에 비례해 커진다. PoW는 컴퓨팅 파워가 핵심이라면, PoS는 지분이 핵심이다.

PoS는 확장성 측면에서 PoW보다 우수하다. 그런데 문제가 있다. 그건 바로, 민주성이다. PoS 의사 결정은 암호화폐 보유수에 영향을 받기 때문이다. 이는 독점 문제를 불러올 수 있다.

이처럼 기존 합의 알고리즘을 보완하고자, 블록체인3.0 시대에는 여러 합의 알고리즘이 등장하고 있다. 위임지분증명(DPoS)을 대표적인 예로 들 수 있다. DPoS는 본인 지분을 의사결정에 활용하는 것이 아니라, 타인에게 결정 권한을 양도하는 알고리즘이다. 간접 민주주의를 떠오르면 된다. 선출 방식으로 블록체인 운영 의사 결정자들을 선출하므로, 기존과 같은 독점 문제 발생 가능성은 적다.

알고랜드(Algorand)는 미국 MIT 교수가 제안한 합의 알고리즘이다. 알고랜드는 PoS처럼 지분 보유에 따라 블록체인 의사 결정에 참여할 수 있다. 독점 문제가 예상된다. 그러나 알고랜드는 PoS를 두 가지 측면에서 달리함으로써, 이러한 문제를 최소화했다. 첫째는 블록체인 의사 결정 참여자는 지분 보유 수가 아닌 무작위로 추천된다. 의사 결정 독점을 막을 수 있다. 둘째는 보상이 없다. 이는 승자 독식 문제를 최소화한다.

이처럼 블록체인3.0 도약을 위해 여러 합의 알고리즘이 등장하고 있다. 앞서 언급한 것 외에도, 연합된 비잔틴 합의(FBA), 용량증명(PoSP) 등이 제안되고 있다.

정리하면, 블록체인 산업과 기술 경쟁력을 위해서는 ‘합의 알고리즘’ 연구가 중요하다. 합의 알고리즘 연구 활성화로 블록체인 국가 경쟁력을 향상할 필요가 있다.

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