[토큰포스트 칼럼] 비탈릭 부테린의 POS와 '더머지(The Merge)'

9월은 이더리움 커뮤니티에 기념비적 이벤트가 진행되었던 달이었다. 바로 이더리움의 POS전환이다. 이더리움 메인넷이 지난 9월 15일에 더머지(The Merge)라는 이름의 하드포크를 진행해 합의메카니즘을 작업증명(Proof-of-Work)방식에서 지분증명(Proof-of-Stake) 방식으로 완전히 전환했다.

이번 전환의 가장 큰 의미는 첫째, PoS가 PoW보다 더 안전하다는 비탈릭의 믿음을 결국 실행한 것과 둘째, PoW를 버림으로서 네트워크 에너지 사용량을 약 99% 정도 절약하는 것이라고 할 수 있다. 가스 요금이나 네트워크 처리속도는 크게 변하지 않았다.

또한 ‘비탈릭 부테린 지분증명’(이하 VB POS)이란 제목의 서적도 출판 됐다(2022년 9월13일 최초 발행). 한국어 번역판도 이미 서점가에 배치됐다. 세계적인 블록체인 이더리움을 창시한 비탈릭 부테린이 지분증명에 관하여 새롭게 쓴 책일까 해서 기대했는데 그건 아니었다. 부테린이 지난 8년 동안 써서 미디어 매체에 기고했던 23편의 글들을 모아서 편집한 책이다. 원고는 편집자인 저널리스트 네이선 슈나이더가 비탈릭과 상의해서 선정했다고 한다.

비탈릭이 왜 POS를 선호하는지, 더머지 이후 커다란 변화에 관해 연구해보고 나름대로 소견을 적어봤다.

◇​왜 POW보다 POS인가

POW와 POS를 바라보는 시각이 전문가에 따라 천자만별이다. 본고에서는 비탈릭이 그의 책을 통해서 전하려고 하는 POW와 POS에 관한 시각에만 집중하기로 하겠다. 그래야 왜 비탈릭이 POS로 전환하려는지 이해를 할 수 있을 것이다.

비탈릭이 POW를 바라보는 시각은 다음과 같다.

1. POW는 복잡한 계산 문제를 풀어야 블록을 확인할 수 있다. 그 과정에서 POW네트워크는 많은 에너지를 소비한다. POW네트워크의 보안은 네트워크 해시 파워 또는 이에 따른 에너지소모량, 혹은 그에 해당하는 X 만큼의 자본량으로 측정될 수 있다.
2. POW를 수행하는 데에는 전문 장비와 기술이 필요하다. 그로 인해 독립적으로 검증노드를 운영할 수 있는 참가자는 거의 없고 대부분의 개인은 채굴 풀에 참여한다. 따라서 마이닝 풀들이 대부분의 블록을 구축하고 제안한다. 그 결과 POW네트워크는 고도로 집중화된 소수의 풀이 지배하는 네트워크가 된다. 암호화폐 분석 회사인 크립토컴페어(Crypto Compare)에 따르면 5개의 Ethereum 마이닝 풀이 2021년에 채굴된 전체 ETH의 65.4%를 차지했다.

즉, POW네트워크의 보안성은 총 에너지 사용량에서 얻는다. 그렇기 때문에 보안성을 높이려면 에너지 사용량을 늘려야한다. 그러므로, POW네트워크는 비용을 감당할 수 있는 몇 개의 전문 마이닝 풀이 지배하는 중앙화된 네트워크가 되었다는 것이다.

◇비탈릭 부테린의 ‘지분증명에 담긴 설계 믿음’

비탈릭의 지분증명에 담긴 설계 믿음은 다음과 같이 세 마디로 정의할 수 있다.

첫째, ‘에너지의 소모로 인한 보안성’이 아니라 ‘몰수 가능한 경제적 가치에서 나오는 보안성’이다.

둘째, 기여자들이 플랫폼을 방어하는데 들여야 하는 비용보다 플랫폼을 파괴하고 공격하는데 들어가는 비용이 훨씬 크도록 유도하는 설정이 필요하다. POS로 그렇게 할 수 있다.

셋째, POW는 엄청난 에너지를 사용해 환경을 파괴한다.

첫 번째 포인트는 몰수에 의한 보안성 확보, 즉 몰수로 보안성을 확보할 수 있다는 믿음이다.

앞에서 잠깐 언급했듯이, POW네트워크는 대규모 보상을 채굴자에게 주고 보안성을 확보한다. 즉, 에너지 사용량이 큰 네트워크가 작은 네트워크보다 보안성이 더 크다. 만약, 어떤 공격자가 특정 POW네트워크를 공격하려면, 그 네트워크가 소비하는 에너지보다 더 많은량의 에너지를 사용하는 네트워크를 가동할 수 있어야 51%공격이 가능하다고 본 것이다.

반면에, POS는 보상이 아니라 위탁한 자산을 몰수하여 처벌하는 것으로 보안성을 확보한다는 것이다. 설명하면 다음과 같다. POS방식은 POW처럼 문제를 푸는데 에너지를 쓰지 않는다. POS네트워크에는 채굴자 대신에, 블록을 만들고 검증하는 검증인들이 있다. 누구나 32 ETH를 이더리움의 스마트 계약에 스테이킹하면 검증자가 될수 있다. 검증자가 부정직하거나 신뢰할 수 없는 행동을 하는 경우, 스테이킹된 ETH를 몰수한다. 만약 어떤 검증자가 스스로 플랫폼에 해를 끼치거나, 누군가의 공격으로 인해 트랜잭션이 되돌아가는 일이 발생하면, 그가 받은 보상보다 수백배 혹은 수천배 더 큰 위약금을 물려서 처벌한다. 이 위약금은 미리 예치해놓은 코인이나 토큰에서 차감된다.

비탈릭은 이것을 X달러 보안성이라고 지칭한다. 즉, POS네트워크에서는 악의적인 노드가 X달러 상당의 프로토콜 패널티를 내지 않고, 대립한 블록 또는 상태에 대해 같은 수준의 완결성을 달성할 수 없다는 것을 증명할 수 있는 경우, 특정 블록 또는 상태가 X달러의 보안성을 가진다고 설명한다.

둘째는 POS를 통해 네트워크 방어 비용보다 공격 비용을 더 크게 만들 수 있다는 믿음이다.

이 점은 위에 X달러 보안성에서도 설명이 되지만, 다음과 같은 비탈릭의 설명을 보태보겠다. 플랫폼을 방어하고 유지하는 것은 정상적인 플랫폼 기여자들이 하는 일이다. 타원곡선 암호를 사용한 공개키는 정부나 국가조차 깰 수 없을 만큼 안전하다. 기본적으로 사이퍼펑크 철학은 이러한 비대칭 안정성을 활용해 개인의 자율성을 보존하는 세상을 만드는 것이다. 그러므로, 블록체인 시스템도 이렇게 설계해야 한다. 즉, 플랫폼도 기여자가 플랫폼을 방어하는데 들여야 하는 비용보다 플랫폼을 파괴하고 공격하는데 들어가는 비용이 훨씬 크도록 설계하는 것이 필요하다는 것이다.

POS네트워크에 대한 악의적인 공격 대응은 예치금 몰수와 하드포크로 대처할 수 있다.

비탈릭은 지분증명 네트워크에 대한 악의적인 공격을 차단하는 방법을 아래와 같이 설명한다. 이론적으로는 검증자의 과반수가 협력해 POS를 점령한 다음, 악의적인 공격을 가할 수 있다. 그러나 ▲이러한 조작으로 인해 얻을 수 있는 추가 이익을 최대한 제한할 수 있다. 더 중요한 것은 ▲새로운 검증자의 참여를 방해하거나 51% 공격을 실행하려고 하면 커뮤니티는 하드포크를 진행하고 악의적인 검증자의 지분을 몰수할 수 있다.

POS네트워크는 더 분산된 네트워크를 만든다.

누구나 검증인이 될수 있기 때문에 네트워크는 PoW보다 더 많은 참가자에게 분산된다. 32 ETH 미만의 개인은 마이닝 풀에 참여하거나 중앙 집중식 거래소에 스테이킹하여 참여하고 수익을 얻을 수 있다. 그러므로 POS는 POW보다 더 안전하고 분산된 네트워크를 만든다.

비탈릭의 POS에 관한 믿음을 요약하여 정리해 보면, 네트워크를 지키는 검증자들이, 자산을 예치하도록 하여, 올바른 행동을 하도록 유도하고 네트워크 보안을 확보하겠다는 것이라고 정리해 볼 수 있다. 혹시라도 네트워크 공격이 실행될 경우, 예치한 자산을 몰수하고, 하드포크를 하여 원상태로 돌려놓으면 된다는 것이다.

◇머지(The Merge) 이후의 변화

POS에 관한 비탈릭 부테린의 믿음은 이렇게 마무리하고 이제 더머지(The Merge) 이후의 이더리움 네트워크의 변화를 크게 두 가지로 정리해 보겠다.

첫째, 더머지가 완결된 9월 15일 이후 채굴자는 검증자로 대체됐다.

이제는 강력한 채굴 장비가 필요하지 않다. 이제 검증자로 참여하기 위해서 필요한 것은 32 ETH를 스테이킹하고 실행 클라이언트와 합의 클라이언트라고 불리는 SW를 컴퓨터에 설치하면 된다.

검증인의 역할은 새로운 블록을 제안하고, 증명을 제출하는 것뿐이 아니다. 즉, 검증인은 악의적인 행동에 대해 서로 모니터링하고 네트워크 보안을 유지하지 못하는 다른 검증인을 "슬래시" 할 수 있다. 슬래시블한 공격은 이중 투표(예: 같은 슬롯에 두 개의 블록 제안) 또는 상반된 증명 제출(예: 한 시대에 두 개의 다른 증명 서명)을 포함해 이더리움 네트워크에 대해 입증할 수 있는 행위이다.

둘째, 블록 보상이 10% 정도로 감소한다.

PoW 하에서는 성공적으로 블록을 추가한 노드에게 채굴보상으로 ETH를 새로 발행해 줬다. PoS 하에서도 새로운 블록을 성공적으로 제안한 검증자에게 블록 보상이 지급된다. 그러나 PoS에서 블록 보상은 POW에 비해 90%정도 감소한다. 채굴이 없기 때문에 에너지 소모가 99% 이상 줄고, 그만큼 검증자가 부담해야할 비용이 감소하기 때문이다.

◇POS에 관한 필자의 단상

이제 필자의 소견 네 가지를 밝히고 글을 끝맺음 하고자 한다.

1. 슬래싱은 악의적인 검증자만 슬래싱할까?

​POW는 보상이라는 단순한 메커니즘을 활용하여 채굴자들의 자발적이고 적극적인 참여을 유도한다. POS는 검증자들에게 이타적인 행동과 책임을 다할 것과 항상 부지런하며 눈을 부릅뜨고 타 검증인의 행동을 감시할 것을 요구한다.

가령, “내부고발자” 혹은 “슬래셔”라고 부르는 검증인을 두고, 슬래시 가능한 이벤트를 검색하고 제보하게 한다. 슬래싱이 항상 악의적인 의도로 인해 발생하는 것은 아니라는 점에 유의하는 것도 중요하다. 검증인은 게으르고 네트워크에 참여하지 않는다는 이유로 예치금이 삭감 될 수 있다. 서버를 잘 유지하는 못하는 검증자는 슬래싱에 대비한 보호를 최신 상태로 유지하지 못하거나 중복 키를 사용하는 것과 같은 매우 단순한 실수로 슬래싱 당할 수 있는 것이다.

2. 과연 자산 몰수로 보안성을 POW보다 제고할 수 있을까?

​POW는 각 블록에 천문학적인 에너지를 저장한다. 그래서 재작성하려면 동일한 양의 에너지를 다시 확보하고 사용해야 가능하다. 반면, POS는 블록 작성에 에너지를 담아놓지 않기 때문에 스테이크만 충분히 마련해 놓으면 쉽게 블록을 재작성할 수 있습니다. 따라서 안전하지 않다.

악의적인 공격자는 일정한 이자를 준다는 빌미로 여러 사람들을 모아 ETH를 스테이킹하게 하고 자신이 지불해온 이자 금액보다 훨씬 큰 거래를 기다렸다가 이중지불(double spending) 공격을 가해 성공한 후에 사라질 수 있다.

이런 일이 벌어지면 하드포크를 해 대응하면 된다는 게 비탈릭 부탈린의 대응 방안이다만, 이것은 "소 잃고 외양간 고치는" 접근 방식이다.

공격자는 공격에 성공할 때 까지 지불한 이자만 부담하면 되는 것이기 때문이다. 네트워크를 하드포크하는 것은 큰 비용을 지불해야 가능한 것이다. 만약 피해 금액이 하드포크 비용보다는 적을 경우 커뮤니티가 과연 하드포크와 같은 큰 일을 진행하는 것을 동의할 수 있을까?

3. POS는 POW보다 더 빠르게 중앙화된다. 중앙화의 위험은 없는가?

지난 9월 22일 보도된 코인데스크에 따르면 JP모건은 보고서를 통해 “이더리움(ETH) 머지(PoS 전환) 후 중앙화 문제가 더 심해졌다”고 지적했다.

이더리움 비콘체인에 스테이킹된 ETH의 40% 이상을 코인베이스와 리도 두 기업에 집중돼 있다는 것이었다. 이런 경우에는 두 기업이 담합을 하면 블록에 들어가는 거래를 거래별로 파악하여 선별하고 블록에 담을 수 있다.

가령, 해당 기업에 이득이 되는 디앱(dApp)거래를 선택적으로 먼저 담거나 특정 거래를 담지 않는 등의 공격을 할 수 있게 된다. 이러한 오프체인 공모에 의한 작업은 온체인에서 아무런 흔적도 남기지 않으므로 알아차리기 매우 힘들다.

4. 이더리움 POS가 POW장점을 계승할 수는 없었을까?

POS는 새로운 기술적 솔루션이 아니다. POS만으로 POW의 장점을 계승하지 못한다. POS는 검증자가 32ETH 이상을 예치하고 있는지 그 상태만을 체크하는 단순한 기술이다.

이더리움 POS는 하나의 검증자를 선택하여 블록을 생성하게 하고 생성한 자는 블록을 다른 검증자들에게 보내 그들로부터 자신이 보낸 블록을 승인을 받는 절차를 밟는 비잔틴장애허용(Byzantine Fault Tolerance) 알고리즘과 같은 절차를 블록 합의에 사용한다.

이 알고리즘은 80년대에 만들어졌다. 특징은 노드들이 합의에 이르기 위해서는 실제로 합의를 진행해야 한다는 점이다. 즉 여러 차례 상호 교신을 통한 합의 절차, 가령 리더선정-블록생성-블록보냄-투표-수집과 같은 절차를 인터넷 상에서 진행해야 한다.

그러므로 노드의 숫자가 늘어나면 합의에 도달하는 시간이 매우 오래 걸린다. 어쩔 수 없이 합의에 참여하는 노드의 숫자를 100여개 수준으로 크게 제한할 수 밖에 없게 된다. 그러므로 보안성이 크게 떨어지게 된다.

나카모토는 바로 이 문제를 POW로 풀어낸 것이다. POW로 수 천만 대의 노드가 참여하는 합의알고리즘을 만들 수 있었다. 더머지의 POS는 전기 사용량을 줄이기 위해 예전 방법으로 돌아간 것이다.

POW의 가장 큰 장점은 합의에 이르는 과정에서 합의를 위한 노드 간 교신을 필요로 하지 않는 것이다. 각 노드가 각자 자신이 해야 할 일만 하면 된다. 에너지를 절약하는 다른 대안을 모색해보지 않고, 보안성이 떨어지는 선택을 한 것으로 생각한다.

가령 필자가 저술한 '월드랜드(WorldLand[4])'에서 제안했던 동전던지기 함수와 '검증가능한 연산(Verifiable Computation)'과 같은 방법을 사용하면 POW의 장점을 계승하며 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있다.

References
[1] V. Buterin, Proof of Stake: The Making of Ethereum and the Philosophy of Blockchains, 2022년 9월 13일.
[2] The Merge, https://ethereum.org/en/upgrades/merge/#content. (Accessed on 2022년 10월 3일)
[3] Blocknative, “The Ethereum Merge: What is Means for the Network: The Impact of Proof-of-Stake,” August 4, 2022. https://www.blocknative.com/blog/ethereum-merge-proof-of-stake. (Accessed on 2022년 10월 3일)
[4] Heung-No Lee et al., “WorldLand,” https://heungno.net/wp-content/uploads/2022/05/WorldLand_2022%EB%85%84_0517.pdf.