콘텐츠의 제휴사 링크를 통해 구매하면 추가 비용 없이 수수료를 받을 수 있습니다. 합의 알고리즘이란?
블록체인 기술과 가상화폐는 금전적 가치를 교환하고 저장하는 혁신적인 방법이다. 이 기술의 핵심은 합의 메커니즘(Consensus mechanism)이라고도 불리는 합의 알고리즘(Consensus algorithm)이다.
“합의(consensus)”라는 단어는 “보편적 합의(general agreement)”를 의미한다.
블록체인은 거래와 계좌 잔액을 기록하는 분산 원장(ledger)이다. 모든 참여자 간에 원장의 상태에 대한 합의가 있어야 한다. 여기서 합의 알고리즘이 작동한다.
합의 알고리즘은 블록체인 노드(거래를 검증하고 기록하는 컴퓨터)가 원장의 상태에 대한 합의에 도달하는 과정이다.
합의 알고리즘이 중요한 이유는 악의적인 행위자가 시스템을 위변조하는 것을 방지하기 때문이다. 이 메커니즘은 선량한 행위자에게 인센티브를 제공함으로써 가상화폐의 “이중 지급”이나 시빌 공격(Sybil attack)과 같은 악의적 활동을 방지한다.
따라서 합의 메커니즘의 정의에는 네트워크가 블록체인의 상태에 대해 합의하는 데 필요한 규칙과 인센티브가 포함된다.
합의 메커니즘의 작동 방식
Max가 10개의 가상화폐 토큰을 보유한 악의적인 행위자라고 가정해보자. Max는 10개의 토큰을 Nina에게 보낸 뒤, 같은 10개의 토큰을 Ozy에게 전송하여 자신의 가상화폐를 “이중 지급”하려고 한다.
Max가 Nina와 Ozy를 완벽히 속이기 위해서는 블록체인의 모든 노드가 그의 허위 거래 내역에 동의해야 한다.
그러나 퍼블릭 블록체인은 탈중앙화되고 개방되어 있으며, 시스템은 선한 행위자들이 허위 거래를 중단시킬 수 있도록 인센티브를 제공한다. 선한 행위자가 악한 행위자보다 많은 한, Max는 “보편적 합의”를 이끌어내지 못하고, 이중 지급을 하지 못하게 될 것이다.
합의 알고리즘의 유형
블록체인 시스템에서 사용되는 다양한 유형의 합의 알고리즘을 살펴보자. 다음은 가장 많이 사용되는 알고리즘의 목록이다.
- 작업 증명(PoW)
- 지분 증명(PoS)
- 위임 지분 증명(dPoS)
- 권위 증명(PoA)
- 하이브리드 작업 증명/지분 증명 합의
- 소각 증명(PoB)
- 지연 작업 증명(dPoW)
작업 증명(PoW)
작업 증명 (PoW, Proof-of-Work)은 가장 잘 알려진 합의 알고리즘이다. 이는 최초 공개된 가상화폐 기반 블록체인인 비트코인에 사용된 합의 알고리즘이다.
작업 증명 합의 메커니즘에서는 “채굴자 (miner)”라고 불리는 네트워크 참여자가 연산 능력과 전력을 사용하여 거래를 검증하고 블록체인 원장에 새로운 블록을 추가한다. 채굴자는 작업에 대한 보상으로 새로운 토큰 (비트코인의 경우 BTC)을 받는다.
PoW 블록체인은 정직한 노드가 네트워크 연산 능력의 51%를 보유하는 한 안전하게 유지된다. 정직한 채굴자가 대부분의 연산 능력을 제어하기 때문에 정직한 체인 (정직한 버전의 블록체인)은 어떤 경쟁 체인도 앞지르게 된다.
과거 블록을 변경하려면 공격자 (attacker)는 엄청난 연산 능력과 전력을 사용하여 특정 블록과 그 이후의 모든 블록을 수정한 다음, 정직한 체인의 작업까지 능가해야 한다. 이렇게 많은 양의 컴퓨팅 파워와 전력을 소모한다면 공격자는 공격으로 얻는 경제적 이득보다 잃는 게 커질 것이다.
비트코인과 같은 대규모 작업 증명 블록체인은 51% 공격을 시도하는 것 자체에 천문학적 비용이 들 정도로 충분한 해싱 파워 (hashing power)를 가지고 있다.
그러나 이는 해싱 파워가 적은 소규모 PoW 블록체인엔 해당되지 않는 이야기다.
지분 증명(PoS)
지분 증명 (PoS, Proof-of-Stake)은 2022년 이더리움이 합의 메커니즘을 작업 증명에서 지분 증명으로 전환하면서 각광받기 시작했다.
여기서 작업 증명의 채굴자는 지분 증명의 스테이커(staker)로 대체된다. 채굴자와 달리 스테이커는 트랜잭션 검증을 위해 에너지를 소모할 필요가 없다. 대신, 참여자는 검증자(validator)가 되기 위해 가상화폐 형태의 자본을 담보로 맡겨야 한다.
검증자는 무작위로 선택되어 새로운 블록을 생성한다. 새 블록이 생성되면 검증자는 새로운 가상화폐 토큰으로 보상을 받는다.
담보와 블록 보상이라는 장치 덕분에 검증자는 정직성을 유지하고 트랜잭션 검증, 새 블록 생성, 네트워크 운영 유지라는 의무를 지속적으로 수행할 수 있게 된다.
검증자가 악의적으로 행동할 경우 스테이킹한 담보를 잃을 수 있다. 또한 요청을 받았을 때 네트워크 활동에 참여하지 않으면 검증자는 블록 보상을 받지 못하게 된다.
이 글을 쓰는 현재, 이더리움에서 검증자가 되려면 32 ETH를 스테이킹해야 한다.
작업 증명과 지분 증명 간의 주요 차이점
| 작업 증명(PoW) | 지분 증명(PoS) |
| 채굴자는 거래를 검증하고 새로운 블록을 생성하기 위해 연산 능력과 전력을 사용해야 함 | 검증자는 거래를 검증하고 새로운 블록을 생성하기 위해 가상화폐를 담보로 스테이킹해야 함 |
| 검증된 합의 메커니즘 | PoW에 비해 검증 기간이 짧음 |
| 많은 양의 전기가 필요하므로 친환경적이지 않음 | 작업 증명에 비해 훨씬 적은 에너지를 소비함 |
| 채굴자는 PoW 실행을 위해 고가의 장비를 구매해야 함 | 검증자는 노트북으로도 PoS 소프트웨어를 실행할 수 있음 |
| 채굴자는 블록 생성 기회를 얻기 위해 경쟁적으로 암호화 퍼즐을 풀어야 함 | 검증자는 최신 블록 생성을 위해 무작위로 선택됨 |
| 슬래싱 없음 | 정직하지 못한 검증자는 ‘슬래싱’ 처벌을 통해 스테이킹한 담보를 잃을 수 있음 |
위임 지분 증명(dPoS)
위임 지분 증명(dPoS, delegated Proof-of-Stake)은 지분 증명 합의 메커니즘이 변형된 형태다. 여기서 네트워크 사용자는 투표를 통해 블록을 검증할 대리인(delegates)을 선출한다.
위임 지분 증명은 평판 기반 합의 메커니즘 모델이다. 대리인은 신뢰성에 대한 평판을 기반으로 선출된다. dPoS 네트워크는 지분 증명 블록체인에 비해 검증자의 수가 적기 때문에 네트워크가 더 빠르게 합의에 도달할 수 있다.
하지만 네트워크의 검증자 수가 적기 때문에 dPoS 시스템은 51% 공격에 취약할 수 있다. 또한 검증자의 수가 적고 평판에 편향된 투표가 이루어지기 때문에 권력이 중앙 집중화될 위험도 존재한다.
권위 증명(PoA)
권위 증명(PoA, Proof-of-Authority)은 권위 있는 주체만이 블록 검증자가 될 수 있는 합의 메커니즘이다.
여기서 잠재적 검증자는 신뢰성, 도덕적 기준, 범죄 기록, 투자 가능한 자본, 평판 등을 기준으로 선별되는 심사 과정을 거친다. 네트워크가 소수의 상위 검증자에게 의존하기 때문에 PoA는 매우 효율적인 합의 메커니즘으로 간주된다.
DPoS와 마찬가지로 PoA 합의 메커니즘 역시 중앙 집중화 및 51% 공격에 취약하다.
하이브리드 작업 증명/지분 증명 합의
이름에서 알 수 있듯이 하이브리드 작업 증명(Hybrid PoW)/지분 증명 합의(PoS Consensus)는 작업 증명과 지분 증명 합의 알고리즘을 혼합한 것이다. 이 접근 방식은 PoW의 보안과 PoS의 거버넌스를 결합한다.
하이브리드 작업 증명/지분 증명 합의를 사용하는 블록체인의 예로 디크레드를 들 수 있다. 디크레드의 작업 증명 채굴자는 비트코인 블록체인에서와 유사한 역할, 즉 트랜잭션을 검증하고 새로운 블록을 생성하는 역할을 수행한다.
디크레드의 지분 증명은 거버넌스를 위해 설계되었다. DCR 토큰 보유자는 자신의 코인을 스테이킹하여 투표권을 얻을 수 있다. 투표권 보유자는 무작위로 선정되어 작업 증명 채굴자를 승인하거나 변경하는 안에 투표한다.
소각 증명(PoB)
소각 증명(PoB, Proof-of-Burn)을 이해하기 위해서는 먼저 “소각(burning)”의 의미에 대해 알아볼 필요가 있다. 소각은 코인을 회수할 수 없는 주소로 전송하여 영구적으로 제거하는 것이다.
소각 증명은 채굴자가 코인을 소각해야 하는 합의 메커니즘이다. 코인 소각이 트랜잭션 확인, 새 블록 생성, 블록 보상 수령 등 채굴 활동에 참여하는 데 필요한 비용인 것이다.
소각 증명의 창시자인 이안 스튜어트에 따르면, 채굴자가 소각하는 코인의 양이 많을수록 채굴 능력이 높아진다.
소각 증명 채굴자는 작업 증명 채굴자처럼 전기를 소비하는 대신 코인을 태우기 때문에, 작업 증명에 비해 에너지 소비가 현저히 적다.
지연 작업 증명(dPoW)
지연 작업 증명(dPoW, delayed Proof-of-Work)은 블록체인이 자체 블록체인 외에 추가 PoW 네트워크(예: 비트코인)의 보안을 활용하는 합의 메커니즘이다. 코모도 재단(Komodo Foundation)이 이 합의 메커니즘을 사용하고 있다.
코모도에 따르면 dPoW 네트워크는 비트코인 블록체인에 블록체인 기록의 백업을 저장한다. dPoW 체인에 대한 공격이 발생하더라도, dPoW 체인의 사본이 있기 때문에 전체 네트워크를 다시 활성화할 수 있다.
해시 레이트(hash rate)가 낮은 블록체인은 네트워크 보안을 강화하기 위해 비트코인과 같은 대규모 PoW 네트워크를 활용하여 dPoW 합의 메커니즘 사용한다.
결론
합의 알고리즘은 블록체인 기술의 근간이다.
각 합의 알고리즘에는 고유의 장단점이 존재한다. 보안과 탈중앙화를 중시하는 알고리즘이 있는 반면, 속도와 효율성을 우선시하는 알고리즘도 있다.
