블록체인 확장성: 롤업 기술 심층 분석

블록체인 기술은 혁신적이지만, 확장성이라는 중대한 장벽에 직면해 있습니다. 블록체인 네트워크의 인기가 높아짐에 따라 증가하는 트랜잭션 수를 처리하는 데 어려움을 겪으며, 이는 처리 시간 지연과 트랜잭션 수수료 상승으로 이어집니다. 이러한 한계는 블록체인이 주류 애플리케이션으로 널리 채택되는 것을 방해합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 설계된 유망한 레이어 2 확장 솔루션인 롤업이 등장했습니다. 이 종합 가이드에서는 롤업의 세계를 깊이 파고들어 기본 메커니즘, 다양한 유형, 장단점을 살펴보고 블록체인 환경에 미치는 영향에 대한 글로벌 관점을 제공합니다.

블록체인 확장성 문제

블록체인 확장성의 핵심 문제는 대부분의 인기 있는 블록체인, 특히 작업증명(PoW)과 같은 합의 메커니즘을 사용하는 블록체인의 고유한 설계에서 비롯됩니다. 각 트랜잭션은 네트워크의 모든 노드에서 검증되고 기록되어야 하므로 트랜잭션 양이 증가함에 따라 병목 현상이 발생합니다. 몇 가지 실제 사례를 살펴보겠습니다.

비트코인: 보안과 탈중앙화로 유명한 비트코인은 초당 약 7개의 트랜잭션(TPS)만 처리할 수 있습니다. 이러한 한계는 수요가 많은 기간에 명확해지며, 트랜잭션 수수료 증가와 확인 시간 지연을 초래합니다. 소액 결제라 할지라도 간단한 구매를 확인하는 데 상당한 시간이 걸려 사용자 경험에 영향을 미칠 수 있습니다.
이더리움: 이더리움은 비트코인보다 TPS가 높지만 여전히 확장성 문제에 직면해 있습니다. 이더리움 기반의 탈중앙화 애플리케이션(dApp)과 디파이(DeFi) 프로젝트의 인기로 인해 네트워크 혼잡과 엄청난 가스비가 발생하여 이러한 애플리케이션과의 상호작용 비용이 비싸졌습니다. 피크 시간대에는 사용자들이 간단한 스마트 계약 함수를 실행하기 위해 수백 달러 이상의 트랜잭션 수수료를 지불하기도 했습니다.

이처럼 효과적으로 확장할 수 없다는 점은 신규 사용자의 진입 장벽을 만들고 블록체인 기술의 잠재력을 제한합니다. 확장성 솔루션은 블록체인이 소액 결제 및 공급망 관리에서부터 투표 시스템 및 글로벌 금융 거래에 이르기까지 더 넓은 범위의 애플리케이션을 지원할 수 있도록 하는 데 매우 중요합니다.

레이어 2 확장 솔루션의 이해

레이어 2 솔루션은 기존 블록체인(레이어 1) 위에 구축된 프로토콜로, 트랜잭션을 오프체인에서 처리하여 메인 체인의 부하를 줄입니다. 이러한 솔루션은 트랜잭션을 별도로 처리한 다음 주기적으로 결과를 일괄 처리하여 검증을 위해 메인 체인에 제출합니다. 이 접근 방식은 트랜잭션 처리량을 크게 늘리고 비용을 절감합니다.

여러 레이어 2 확장 솔루션이 존재하며, 다음을 포함합니다.

상태 채널: 참여자들이 여러 트랜잭션을 오프체인에서 수행하고 최종 상태만 메인 체인에 정산할 수 있도록 합니다. 예시로는 라이트닝 네트워크(비트코인)와 레이든 네트워크(이더리움)가 있습니다.
사이드체인: 메인 체인과 병렬로 실행되며 자체적인 합의 메커니즘을 가진 독립적인 블록체인입니다. 자산은 메인 체인과 사이드체인 간에 전송될 수 있습니다.
플라즈마: 메인 체인의 보안을 상속하는 자식 체인을 생성하여 확장 가능한 디앱을 구축하기 위한 프레임워크입니다.
롤업: 여러 트랜잭션을 메인 체인에서 단일 트랜잭션으로 묶는 레이어 2 확장 솔루션입니다. 이는 메인 체인에서 필요한 데이터 및 계산의 양을 줄여 확장성을 향상시킵니다.

이 중 롤업은 메인 체인의 보안을 상속하면서 상당한 확장성 향상을 제공하는 능력 덕분에 특히 유망한 솔루션으로 부상했습니다. 롤업의 메커니즘에 대해 더 깊이 알아보겠습니다.

롤업: 기본 개념

롤업은 트랜잭션을 오프체인에서 실행하지만 트랜잭션 데이터를 메인 체인에 게시하는 레이어 2 확장 솔루션의 한 유형입니다. 여러 트랜잭션을 하나의 단일 트랜잭션으로 묶거나 "롤업"함으로써, 롤업은 메인 체인에서 처리하고 저장해야 할 데이터의 양을 크게 줄입니다. 이 접근 방식은 다음을 가능하게 합니다.

처리량 증가: 롤업은 초당 수천 개의 트랜잭션을 처리할 수 있어 기본 레이어 1 블록체인의 능력을 훨씬 뛰어넘습니다.
트랜잭션 수수료 감소: 단일 온체인 트랜잭션의 비용을 많은 사용자 간에 공유함으로써 롤업은 트랜잭션 수수료를 대폭 절감합니다.
보안 강화: 롤업은 트랜잭션 데이터를 온체인에 게시함으로써 메인 체인의 보안을 활용합니다. 이를 통해 트랜잭션이 검증 가능하고 위변조가 불가능하도록 보장합니다.

롤업에는 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업의 두 가지 주요 유형이 있으며, 각각 오프체인 트랜잭션의 유효성을 보장하는 고유한 접근 방식을 가지고 있습니다.

옵티미스틱 롤업

옵티미스틱 롤업은 트랜잭션이 기본적으로 유효하다는 원칙에 따라 작동합니다. 각 트랜잭션을 개별적으로 검증하는 대신, 달리 증명되지 않는 한 트랜잭션이 합법적이라고 가정합니다. 이 "낙관적인" 접근 방식은 더 빠르고 저렴한 트랜잭션 처리를 가능하게 합니다.

옵티미스틱 롤업 작동 방식

트랜잭션 실행: 트랜잭션은 롤업 운영자에 의해 오프체인에서 실행됩니다.
상태 게시: 롤업 운영자는 새로운 상태 루트(롤업 상태의 암호화된 요약)를 메인 체인에 게시합니다.
사기 증명: 챌린지 기간이 시작되며, 이 기간 동안 누구나 사기 증명을 제출하여 게시된 상태의 유효성에 이의를 제기할 수 있습니다.
분쟁 해결: 사기 증명이 제출되고 유효한 것으로 증명되면 잘못된 상태는 되돌려지고 올바른 상태가 적용됩니다. 사기 증명 제출자는 일반적으로 보상을 받고 악의적인 운영자는 처벌을 받습니다.

옵티미스틱 롤업의 장점

높은 처리량: 옵티미스틱 롤업은 메인 체인에 비해 훨씬 높은 처리량을 달성할 수 있습니다.
낮은 트랜잭션 수수료: 온체인 검증 비용이 최소화되어 트랜잭션 수수료가 낮아집니다.
EVM 호환성: 옵티미스틱 롤업은 일반적으로 이더리움 가상 머신(EVM)과 호환되므로 개발자가 기존 디앱을 쉽게 마이그레이션할 수 있습니다.

옵티미스틱 롤업의 단점

출금 지연: 챌린지 기간으로 인해 롤업에서 메인 체인으로 자금을 인출하는 데 지연(일반적으로 7-14일)이 발생합니다. 이 지연은 사기 증명이 제출될 시간을 허용하기 위해 필요합니다.
보안 가정: 옵티미스틱 롤업은 롤업을 모니터링하고 필요한 경우 사기 증명을 제출할 의향이 있는 정직한 참여자가 최소 한 명 이상 존재한다는 가정에 의존합니다.

옵티미스틱 롤업의 예시

아비트럼(Arbitrum): 디앱을 위한 확장 가능하고 EVM 호환 가능한 플랫폼을 제공하는 것을 목표로 하는 옵티미스틱 롤업 솔루션입니다.
옵티미즘(Optimism): 이더리움 확장에 초점을 맞추고 원활한 사용자 경험을 제공하는 또 다른 옵티미스틱 롤업 솔루션입니다.

ZK-롤업

ZK-롤업(영지식 롤업)은 영지식 증명(특히, 간결한 비대화형 영지식 증명 또는 zk-SNARK)을 사용하여 오프체인 트랜잭션의 유효성을 증명합니다. 챌린지 기간에 의존하는 대신, ZK-롤업은 트랜잭션 실행의 정확성을 검증하는 암호학적 증명을 생성합니다. 이 증명은 메인 체인에 제출되어 더 빠른 최종성과 향상된 보안을 가능하게 합니다.

ZK-롤업 작동 방식

트랜잭션 실행: 트랜잭션은 롤업 운영자에 의해 오프체인에서 실행됩니다.
유효성 증명 생성: 롤업 운영자는 트랜잭션의 유효성을 증명하는 영지식 증명(zk-SNARK)을 생성합니다.
증명 제출: 유효성 증명이 메인 체인에 제출됩니다.
온체인 검증: 메인 체인은 유효성 증명을 검증합니다. 증명이 유효하면 상태가 업데이트됩니다.

ZK-롤업의 장점

빠른 최종성: ZK-롤업은 유효성 증명 제출 즉시 트랜잭션이 검증되므로 옵티미스틱 롤업에 비해 더 빠른 최종성을 제공합니다. 챌린지 기간이 필요 없습니다.
보안 강화: 영지식 증명을 사용하면 트랜잭션 유효성에 대한 강력한 암호학적 보장이 제공됩니다.
데이터 가용성 옵션: ZK-롤업과 유사하지만 데이터가 온체인에 게시되지 않는 벨리디움(Validium)과 같은 새로운 혁신이 존재합니다.

ZK-롤업의 단점

계산 복잡성: 영지식 증명을 생성하는 것은 계산 집약적이어서 특수 하드웨어와 전문 지식이 필요합니다.
EVM 호환성: ZK-롤업에서 EVM 호환성을 구현하는 것은 어렵지만 상당한 진전이 이루어지고 있습니다. 초기 ZK-롤업은 종종 특정 유형의 트랜잭션이나 애플리케이션만 지원했습니다.
개발 복잡성: ZK-롤업을 개발하고 배포하려면 암호학에 대한 깊은 이해와 고급 엔지니어링 기술이 필요합니다.

ZK-롤업의 예시

zkSync: 이더리움에서 확장 가능하고 안전한 결제 및 스마트 계약 기능을 제공하는 것을 목표로 하는 ZK-롤업 솔루션입니다.
StarkWare: 영지식 증명의 한 종류인 STARK(확장 가능한 투명한 영지식 증명)를 사용하여 ZK-롤업 솔루션을 개발하는 회사입니다. dYdX(탈중앙화 거래소)와 같은 솔루션을 지원합니다.
Polygon Hermez: 결제 및 토큰 전송 확장에 초점을 맞춘 탈중앙화 오픈 소스 ZK-롤업입니다.

옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업 비교

다음 표는 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업의 주요 차이점을 요약한 것입니다.

기능	옵티미스틱 롤업	ZK-롤업
유효성 증명	사기 증명 (챌린지 기간)	영지식 증명 (zk-SNARKs/STARKs)
최종성	지연됨 (7-14일)	빠름 (거의 즉시)
보안	최소 한 명의 정직한 참여자에게 의존	암호학적으로 보장됨
EVM 호환성	일반적으로 구현이 더 쉬움	더 어렵지만, 빠르게 개선 중
계산 복잡성	낮음	높음

롤업과 블록체인 확장성의 미래

롤업은 블록체인 확장성의 미래에 중요한 역할을 할 것입니다. 레이어 1 블록체인이 계속 발전함에 따라, 롤업은 온체인 처리의 한계를 해결하기 위한 실용적이고 효과적인 솔루션을 제공합니다. 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업 사이의 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항과 보안, 최종성 및 계산 복잡성 간의 절충안에 따라 달라집니다. 그러나 두 유형의 롤업 모두 블록체인 기술을 전 세계 사용자가 더 쉽게 접근하고, 효율적이며, 확장 가능하게 만드는 데 있어 중요한 진전을 나타냅니다.

여러 트렌드가 롤업의 미래를 형성하고 있습니다.

EVM 등가성: 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업 모두에서 완전한 EVM 등가성을 달성하기 위한 노력이 진행 중입니다. 이를 통해 개발자는 코드 수정 없이 기존 이더리움 디앱을 롤업에 원활하게 배포할 수 있습니다.
하이브리드 롤업: 연구원들은 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업의 장점을 결합한 하이브리드 접근 방식을 탐색하고 있습니다. 예를 들어, 시스템은 대부분의 트랜잭션에 옵티미스틱 롤업을 사용하고, 향상된 보안이 필요한 고가치 또는 중요한 트랜잭션에는 ZK-롤업을 사용할 수 있습니다.
데이터 가용성 솔루션: 확장 가능한 데이터 가용성 레이어를 제공하는 모듈형 블록체인 네트워크인 셀레스티아(Celestia)와 같은 혁신은 롤업의 확장성과 효율성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
롤업 간 상호운용성: 서로 다른 롤업 간의 원활한 통신 및 자산 전송을 가능하게 하는 것은 응집력 있고 상호 연결된 블록체인 생태계를 만드는 데 매우 중요할 것입니다.

글로벌 관점에서 볼 때, 롤업의 영향은 단순히 트랜잭션 속도를 개선하고 수수료를 줄이는 것을 넘어섭니다. 블록체인 기술을 더 접근하기 쉽고 저렴하게 만듦으로써 롤업은 개발도상국의 개인과 기업에 힘을 실어주고, 금융 포용성을 촉진하며 경제 성장을 주도할 수 있습니다. 예를 들어, 롤업은 저비용 해외 송금을 용이하게 하고, 은행 서비스를 이용하지 못하는 사람들에게 탈중앙화 금융 서비스에 대한 접근을 가능하게 하며, 지역 사회의 필요에 맞는 혁신적인 새로운 애플리케이션 개발을 지원할 수 있습니다. 블록체인 생태계가 계속 진화함에 따라 롤업은 의심할 여지 없이 더 탈중앙화되고 효율적이며 포용적인 미래를 형성하는 데 중추적인 역할을 할 것입니다.

결론

블록체인 확장성은 더 이상 먼 꿈이 아니라 롤업과 같은 혁신적인 솔루션 덕분에 가시적인 현실이 되었습니다. 옵티미스틱 롤업의 "신뢰하되 검증하라"는 접근 방식이든 ZK-롤업의 암호학적 엄격함이든, 이러한 기술들은 블록체인이 트랜잭션을 처리하는 방식을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 업계가 계속 혁신함에 따라, 비용을 절감하고 속도를 높이며 전 세계 블록체인 애플리케이션의 새로운 가능성을 열어줄 훨씬 더 정교한 롤업 구현을 기대할 수 있습니다. 블록체인의 미래는 확장 가능하며, 롤업이 그 선두에 서 있습니다.