작업증명과 지분증명

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2024년 9월 25일

초보자 가이드

작업증명(Proof-of-work, PoW)과 지분증명(Proof-of-stake, PoS)은 공공 블록체인 네트워크에서 가장 일반적으로 사용되는 합의 메커니즘입니다. 이 시스템은 네트워크 보안을 담당하며, 탈중앙 형태의 참가자 집단이 네트워크의 더 큰 이익을 위해 협력하도록 유도합니다.

전 세계 누구나 공개 블록체인 기반 시스템에 참여할 수 있습니다. 이러한 네트워크에서는 운영을 단일 회사, 중앙은행 또는 정부가 관리하지 않습니다. 즉, Bitcoin, Ethereum, Dogecoin 또는 Monero와 같은 인기 블록체인에 대해 아무도 직접적인 통제권을 갖고 있지 않다는 것입니다.

그것은 이 기술들이 분산되어 있기 때문입니다. 인터넷과 마찬가지로, 기술의 유지 관리를 담당하는 특정 개인이나집단은 없습니다. 대신, 전 세계 수천 명의 개인에게 책임이 분산되어 있습니다. 그러나 분산화에는 몇 가지 중요한 문제가 따릅니다.

악의적인 행위자에 대응할 수 있는 강력한 무신뢰 시스템을 어떻게 만들 수 있을까요?
누구나 네트워크에 참여할 수 있다면, 어떻게 정직한 참여를 촉진하고 불량 행위자를 억제할 수 있을까요?
전반적인 관리자가 없다면, 누가 블록체인에서 데이터를 제안하고, 검증하고, 기록할지를 어떻게 결정할 수 있을까요?

일반적으로 블록체인 합의 메커니즘으로 알려진 작업증명(Proof-of-work, PoW)과 지분증명(Proof-of-stake, PoS)이 바로 이 지점에서 등장합니다.

합의 메커니즘이란 무엇입니까?

합의는 시스템이나 집단 구성원 간에 이루어진, 특정 정보에 대한 동의를 의미합니다.

블록체인 합의는 공유 데이터베이스에 저장된 정보의 순서와 유효성에 관해 분산 네트워크 내 컴퓨터들 사이에 동의가 있는 상태를 의미합니다.

Bitcoin 블록체인과 그 뒤를 이은 다른 블록체인들의 혁신적인 것으로 평가 받는 이유는, 비잔티움 장군 문제이라는 오랜 문제를 해결했기 때문입니다.

비잔티움 장군 문제는 신뢰 문제를 다루는 분산 컴퓨팅 분야에서 제기된 고전적인 문제입니다. 이 문제는 분산되어 있는 부대들을 지휘하는 장군들이, 한 도시를 공격하기 위해 합의에 이르는 과정을 다루고 있습니다. 장군들은 서로 직접적으로 소통할 수 없으며, 일부 장군들은 배신자로서 다른 장군들에게 잘못된 메시지를 보낼 가능성이 있습니다.

블록체인 맥락에서, 비잔티움 장군 문제는 합의의 문제입니다. 블록체인 네트워크에는 여러 노드가 있고, 이들은 원장의 상태에 대한 합의에 도달하고자 합니다. 그러나 일부 노드는 악의적 행위자로서, 다른 노드에게 잘못된 정보를 보내려고 시도할 가능성이 있습니다. 문제는 나머지 노드들이 합의에 도달하기 위해서는 수신하는 정보를 신뢰할 수 있어야 한다는 것입니다.

블록체인은 합의 알고리즘을 사용해 네트워크의 모든 참가자가 진실의 단일 버전에 동의하도록 유도함으로써 비잔티움 장군 문제를 해결합니다. 이 과정은 네트워크의 각 노드가 거래를 검증하고 거래의 유효성에 대한 합의에 도달함으로써 이루어집니다. 그런 다음 시스템은 이 합의를 블록체인에 기록하여 안전하고 집단적으로 공유된 불변하는 진실의 근거를 생성합니다. 합의 메커니즘은 네트워크의 모든 참가자가 동일한 진실의 버전을 가지고 있으며 거래가 유효함을 보장해줍니다.

이 문제는 컴퓨터 과학자들이 1980년대에 구상했지만, 그 기본 개념은 게임 이론이라는 오래된 경제학 분야에서 유래합니다. 수학자 존 폰 노이만(John Von Neumann)과 오스카 모겐슈테른(Oskar Morgenstern)은 비잔티움 장군 문제보다 30년 전에 게임 이론을 개척했습니다. 두 사람의 연구는 플레이어의 개별 행동, 보상 및 처벌에 기반한 게임의 결과를 분석하는 것이었습니다.

블록체인 합의 메커니즘은 이러한 이론적 원칙을 반영하고 있습니다. 이 메커니즘은 블록체인 네트워크에 참여하는 플레이어가 자신과 네트워크의 이익을 증진하기 위해 정직하게 행동하도록 유도합니다. 반면에 악의적인 행위자는 부정직한 행동에 대한 처벌을 받습니다.

흥미로운 점은 PoW와 PoS 시스템이 전혀 다른 방식으로 신뢰 없이도 합의를 달성한다는 것입니다.

작업증명(Proof-of-Work, PoW)이란 무엇인가요?

작업증명(PoW)은 "채굴자"라고 불리는 네트워크 사용자들이 특정 작업을 완료하기 위해 연산력을 투입하는 합의 메커니즘의 일종입니다.

작업증명 합의 메커니즘은 1990년대 초에 이메일 스팸을 방지하기 위한 시스템으로 처음 등장했습니다. 이 방법에서, 사용자는 이메일을 보내기 전에 암호화 문제를 풀어야 했습니다.

정당한 사용자가 소수의 이메일만 보내는 경우, 이 단일 암호화 퍼즐을 푸는 것은 어렵지 않았습니다. 그러나 스팸 이메일을 대량으로 보내려는 부정직한 행위자는 필요한 연산력이 막대했기 때문에 훨씬 많은 비용을 투입해야 했습니다.

Bitcoin과 작업증명

2009년 1월, 비공식 저자 사토시 나카모토(Sakashi Nakamoto)가 Bitcoin 백서를 발표하고 Bitcoin 프로토콜을 시작했습니다. 이 P2P 전자 화폐 시스템은 앞서 언급한 비잔티움 장군 문제를 해결하기 위해 PoW 메커니즘의 수정 버전을 도입했습니다.

Bitcoin 프로토콜에서 사용되는 PoW 합의 메커니즘은 암호학 기반의 경쟁을 내용으로 합니다. 사용자들은 자신의 컴퓨터를 사용해 원장에 새로운 항목을 제안할 권리를 두고 경쟁합니다.

Bitcoin 채굴 과정을 통해 채굴자들은 해시라고 불리는 무작위 고정 길이 코드를 생성합니다. 암호화 해싱 알고리즘을 통해 무작위로 입력을 실행하여 이러한 해시를 생성합니다. 이렇게 하면 고유한 64자리 16진수 코드(0-9 및 A-F의 문자만 포함된 코드)가 생성됩니다.

채굴자들은 목표 해시와 동일하거나 앞쪽에 0이 더 많은 해시가 나올 때까지 무작위로 해시를 생성합니다.

목표 해시는 블록체인 프로토콜의 난이도 조정 알고리즘이 설정한 숫자입니다.

채굴자가 목표 해시를 초과해 경쟁에서 이기면, 블록체인에 추가할 새로운 거래 블록을 제안할 권리를 얻습니다. 네트워크가 제안된 블록을 유효하다고 판단하면, 채굴자는 자신의 노력에 대한 보상을 블록으로 받습니다. 네트워크가 블록이 유효하지 않거나 사기라고 판단하면 노드는 블록을 거부하고 채굴자의 노력은 의미를 잃게 됩니다.

암호화폐의 기초가 되는 암호화 방식에 대해 더 알고 싶다면, 암호화폐가 암호화를 사용하는 방법에 대한 초보자 가이드를 확인해보세요.

인센티브 및 보상 분배

경쟁에 이긴 채굴자는 노력에 대한 보상으로 새로 발행된 Bitcoin과 자신이 새 블록에 추가한 거래에 대한 수수료를 받습니다. 이 보상을 블록 보상이라고 합니다.

개인 채굴자들이 채굴 풀을 이루어 연산력을 합치면 채굴 경쟁에서 이길 확률을 높일 수 있습니다. 이 경우 모든 블록 보상은 풀 참가자들 사이에 비례에 따라 분배됩니다.

블록 보상은 일반적으로 시간에 따라 체계적으로 보상 규모가 감소하는 엄격하고 미리 정의된 통화 정책을 따라 지급됩니다. 예를 들어 Bitcoin은 210,000 블록마다(약 4년마다) 블록당 새로 발행된 코인의 수를 절반으로 줄입니다. Bitcoin 반감기로 알려진 이러한 감축을 통해 시간이 지남에 따라 유통되는 새로운 코인의 발행을 줄이는 것입니다.

Bitcoin 반감기에 대한 자세한 내용은 저희 Kraken Intelligencve 보고서, 반감기: Bitcoin 공급 인플레이션 메커니즘의 동향 및 시사점에서 확인하실 수 있습니다.

검증 및 발행

경쟁에서 이긴 채굴자가 새로운 거래 블록을 제안하면, 네트워크의 나머지 채굴자들은 그 거래를 독립적으로 검증합니다. 블록에 저장된 정보의 유효성에 대해 합의에 도달하면, 그 블록은 블록체인에 영구적으로 추가됩니다.

제안된 거래를 확정하기 전에 네트워크의 모든 사용자가 사전에 독립적으로 확인하도록 하므로, 자신의 잔액을 이중으로 사용하는 것은 거의 불가능합니다. 51% 이상의 검증자가 부정직하게 행동할 경우, 같은 코인이 두 번 사용될 가능성은 실제로 위협이 됩니다. 그러나 이러한 유형의 공격은 블록체인 네트워크가 성장함에 따라 기하급수적으로 수행하기 어려워집니다.

각 새로운 블록에 대한 채굴 경쟁이 끝난 후, 각 프로토콜이 따르도록 프로그래밍된 블록 시간에 따라 채굴이 다시 시작됩니다. Bitcoin의 경우 새로운 블록은 대략 10분마다 발견되지만, 블록 시간은 암호화폐마다 다릅니다. Litecoin 및 ZCash 암호화폐의 경우 각각 2.5분과 75초마다 새로운 블록을 생성합니다.

이 기능은 네트워크를 안전하게 유지할 뿐만 아니라, 새로운 암호화폐 단위가 사전에 정해진 고정 비율로 유통되도록 보장합니다.

PoW의 장단점

PoW 시스템 사용 시 장점으로는 높은 보안이 있습니다. 이미 구축된 PoW 블록체인에서 사기 거래를 실행하기 위해서는 막대한 양의 연산력이 필요합니다.

부정직한 행위자가 네트워크 연산력의 과반수, 즉 50%를 넘는 비율을 통제해야 사기행위가 가능합니다. 이러한 종류의 취약점은 51% 공격이라 불리기도 합니다. 누군가 네트워크의 51% 이상을 제어할 수 있다면, 이들은 거래를 재정렬할 수도, 잔액을 이중으로 지출할 수도, 특정 수신 결제를 차단할 수도 있습니다.

PoW 시스템 네트워크를 악용하기 위해서는 전문 장비와 막대한 양의 에너지가 필요하기 때문에, 공격이 어렵습니다.

그러나 PoW 기반 블록체인이 에너지를 너무 많이 소모한다는 비판이 암호화폐 반대자들 사이에서 제기됩니다. 하지만, 이 소비는 의도적인 기능이라는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 대부분의 경우, 네트워크의 보안성은 해시파워가 클수록 더 높아집니다.

암호화폐 채굴을 둘러싼 사실과 허구를 가려내는 데 도움이 되도록, 저희 암호화폐 신화 부수기: "Bitcoin이 환경을 파괴하고 있다" 가이드에서 관련 내용을 안내해 드리고 있습니다.

궁극적으로, PoW 채굴자가 이익을 극대화하기 위해서는 운영 비용을 가능한 한 낮게 유지하는 한편 저렴하고 신뢰할 수 있는 에너지를 조달해야 합니다. 많은 채굴자들이 비용을 낮추고 환경 문제를 완화하기 위해 지속가능한 에너지 조합을 사용하고 있습니다.

작업증명 블록체인의 예

지분증명(Proof-of-Stake, PoS)이란 무엇인가요?

직접적인 경쟁을 활용하는 작업증명과 달리, 지분증명(PoS)에서는 다른 인센티브를 활용해 네트워크 참가자들이 정직하게 행동하도록 보장합니다.

Bitcoin이 출시된 지 3년 후, 스콧 나달(Scott Nadal)과 써니 킹(Sunny King)이라는 두 개발자가 PoS 합의 메커니즘을 만들었습니다. 두 사람의 주요 목표는 작업증명보다 더 에너지 효율적인 시스템을 만드는 것이었습니다.

지분증명(PoS)에서는 네트워크 참가자들이 새로운 거래 블록을 검증하기 위해 프로토콜의 기본 토큰을 구매하고 잠급니다. 참가자들은 그 대가로 스테이킹 보상을 받을 수 있습니다(일반적으로 스테이킹 자산에 대한 이자로 지급됨).

Ethereum, Cardano, Algorand, Polkadot과 같은 여러 주요 PoS 블록체인은 자체 선택 알고리즘을 사용해 어떤 스테이커가 새로운 블록을 제안할 권리를 얻는지 결정합니다.

일반적으로 더 많은 토큰을 스테이킹한 참가자일수록 새로운 블록을 검증할 가능성이 높아지지만, 이러한 특정 알고리즘에는 무작위성이 프로그래밍되어 있습니다.

이러한 무작위화의 목적은 공정성을 높이는 것으로서, 모든 스테이킹 참가자가 보상을 받을 기회를 갖도록 합니다.

Ignite(구 Tendermint)는 또 다른 인기 PoS 스타일 합의 메커니즘으로, 검증자는 블록체인에 새 블록을 추가하기 위해 사전 투표, 사전 커밋 및 커밋 투표를 수행하게 됩니다. ⅔ 이상의 표를 받은 블록은 블록체인에 커밋됩니다.

PoS는 검증자가 자신의 돈을 투자하도록 함으로써 PoW와 유사한 방식으로 정직한 행동을 유도합니다. 또한 PoW와 마찬가지로, 행동 유도 비용과 검증자 노드 운영 비용은 프로토콜에 따라 크게 다릅니다.

PoS 검증자 노드 장비는 Bitcoin(BTC)과 같은 인기 있는 PoW 암호화폐를 수익성 있게 채굴하는 데 필요한 장비에 비해 전체적으로 훨씬 저렴한 경우가 많습니다.

인센티브 및 보상 분배

대부분의 PoS 블록체인에서 네트워크 검증자는 경쟁이 아니라 지명을 통해 거래 블록 검증자로 선택됩니다. 검증자는 네트워크를 보호하는 데 도움을 주는 대가로 고정 연간 이자 형태로 보상을 받습니다.

기술 전문 지식이나 최소 요구 자산을 갖추지 못해 독립적인 PoS 검증자가 될 수 없는 사람의 경우, 다른 투자자와 자금을 결합할 수 있습니다.

이 경우 여러 소규모 투자자가 자금을 모아 단일 스테이킹 단위를 형성할 수 있습니다. 선출된 개인 또는 전문 지식을 가진 사람들 그룹이 이러한 스테이킹 풀을 유지하고 운영합니다. 투자자는 보상을 비례에 따라 나누고 스테이킹 풀 운영자에게 분배합니다.

PoS 합의 메커니즘은 검증자가 정직하게 행동하도록 유도하기도 하지만, 프로토콜의 규칙을 벗어난 행동에 대해 페널티를 부과할 수도 있습니다. 일부 프로토콜에서는 검증자 또는 위임 스테이킹 풀 운영자가 사기를 저지르면 스테이킹 자산 중 일부 또는 전부를 압수할 수 있습니다. "슬래싱"이라고 알려진 이 메커니즘은 네트워크에서 좋은 행동을 더욱 유도합니다.

검증 및 발행

대부분의 PoS 블록체인 프로토콜에서, 사용자가 스테이킹 과정에 참여하기 위해서는 먼저 최소한의 토큰을 잠금으로써 자격을 얻어야 합니다.

Ethereum의 새로운 PoS 블록체인의 경우, 검증자가 되기 위해서는 32 Ether(Ethereum 블록체인의 기본 암호화폐)가 필요합니다. 그러나 유동 스테이킹 프로토콜의 등장은 이 높은 진입 장벽을 극적으로 줄였습니다.

Polkadot의 PoS 블록체인에서는 최소 스테이크 요건이 10 DOT에서 350 DOT까지 다양합니다. DOT는 Polkadot의 기본 암호화폐입니다.

PoS 블록체인에서 네트워크에서는, 새로 제안된 거래 블록이 블록체인에 합류하기 위해서는 사전에 반드시 독립 검증을 거쳐야 합니다.

PoS 체인은 새로운 코인이 유통되는 방식을 전체 네트워크가 볼 수 있도록 투명한 발행 일정을 따릅니다.

PoS의 장단점

지분증명 블록체인의 주요 이점은 PoW 프로토콜보다 에너지 효율성이 훨씬 높다는 것입니다. PoS 검증자는 비싼 장비를 사용하여 경쟁하는 것이 아니라 지명을 통해 블록을 검증하기 때문에, 에너지를 덜 사용합니다.

PoS 합의 메커니즘의 주된 단점으로는 지분 집중화 문제가 있습니다.

PoS 블록체인에서 거래 블록을 검증하고 보상을 받을 가능성을 주로 결정하는 요소는 개인이 스테이킹하는 토큰의 양이입니다. 이로 인해 PoS 시스템은 더 많은 토큰을 가진 사람을 덜 가진 사람보다 선호할 수 있으며, 이러한 이유로 일부에서는 이 시스템이 네트워크의 집중화로 이어지는 것으로 보고 있습니다.

이 단점으로 인해, 많은 사람들은 소수의 대형 스테이킹 풀과 고래 투자자가 블록 검증에 대한 중앙 집중적 통제권을 얻을 수 있다고 생각합니다. 이 요소는 암호화폐의 핵심 원칙에 반하며 전체 네트워크 보안을 감소시킵니다.

일부 PoS 블록체인에서 발생하는 또 다른 문제로는 유동성 부족이 있습니다. 사용자가 잠금 기간이 끝날 때까지 스테이킹한 자산에 접근할 수 없는 경우도 있습니다. 이 문제는 기본 암호화폐의 시장 유동성을 감소시키고 투자자가 중요한 시장 변동 국면에서 스테이킹한 자금에 접근할 수 없도록 합니다.

두 가지 합의 메커니즘은 비잔티움 장군 문제를 해결하지만, 그 방식은 매우 다릅니다. PoW 합의 메커니즘은 믿을 수 있는 시스템으로, 매우 높은 수준의 보안을 제공할 수 있습니다. 반면에 PoS 합의 메커니즘은 더 에너지 효율적이고 확장성 있는 대안으로 점점 더 인기를 얻고 있습니다.