비트코인과 이더리움의 확장성 문제를 해결하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 트릴레마의 한계에 부딪힐 수 밖에 없었다. 현재 시중의 암호화폐들은 탈중앙화, 보안성, 확장성 중 최대 두 개까지만 해결할 수 있으며 세 가지 모두를 만족시키는 것은 물리적으로 불가능하다.

비트코인과 이더리움 이후의 차세대 블록체인들이 처리 속도를 높여 확장성 문제를 해결하려고 했지만 탈중앙화나 보안성 측면에서 문제가 발생했다.

트릴레마를 해소하기 위한 다양한 방안들

1. 레이어 1 솔루션

레이어1 (블록체인)
흔히 아는 블록체인이 레이어1이다. 비트코인, 이더리움, 라이트 코인, 클레이튼, 에이다, 솔라나 등이 레이어1 기반의 블록체인이다.

블록체인 네트워크의 확장성을 개선하기 위해 블록체인을 직접적으로 건드려 구조나 처리 방식 등을 개선한다.

이더리움 2.0 업그레이드

이더리움은 20TPS 처리 속도로 확장성 문제에 부딪혔다. 이더리움의 창시자 비탈릭 부테린은 확장성 문제의 해결을 추구하는 이더리움 2.0을 발표했다. 이더리움 2.0을 통해 실생활에서 이더리움을 사용 가능한 수준까지 끌어올릴 수 있을 것으로 보인다.

✔️ 합의 프로토콜 개선 (PoW -> PoS)
작업 증명은 안전하지만 속도가 느리다. 이더리움은 PoW를 채택했으나 2.0 업그레이드를 통해 PoS로 합의 알고리즘을 변경할 계획이다. PoS 알고리즘에서는 채굴자의 컴퓨팅 성능보다 노드의 지분으로 블록을 생성하는 검사자를 채택하기 때문에 이더리움 네트워크의 용량을 증가시키면서 탈중앙화를 높이며 보안을 보장할 것이다.

✔️ 샤딩(Sharding)
샤딩은 레이어1 블록체인을 여러개의 체인으로 조각내어 샤드(Shard)라고 불리는 오프체인(off-chain)에 할당하고 노드들을 그룹별로 나누어 샤드 당 한 그룹씩 배치시킨다. 노드들은 소속되어 있는 샤드의 트랜잭션에 대해서만 동시다발적으로 유효성을 검증하게 되고, 샤드들이 각자 할당된 조각들의 검증을 모두 끝내면 다시 묶는 개념을 통해 블록을 검증하는 데 걸리는 시간을 단축한다. 샤드별로 Merkel Patricia tree를 만들고 그 샤드의 root들로 만들어진 Merkel Patricia tree의 root만을 블록체인에 올리는 것으로 모든 채굴자가 모든 트랜잭션을 실행할 필요 없이 샤드 별로 분산 실행이 가능해 전체 실행 속도가 올라갈 수 있다. 이더리움 블록 생성 속도는 13초 이상 걸리고 있지만, 샤딩이 도입된다면 약 2초에서 8초 사이에 생성될 것으로 보인다.

🖍 [참고] 세그윗 (Segwit)
이더리움의 2.0의 샤딩과 비슷한 개념으로, 비트코인의 확장성 문제(7TPS)를 해결하기 위한 비트코인의 소프트포크이다. 비트코인의 블록에서 디지털 서명 부분을 따로 Witness라는 데이터 영역으로 분리하여 블록당 저장 용량을 늘리고 더 많은 거래를 처리할 수 있도록 하는 소프트포크이다. 블록 크기를 유지하면서 블록 내부의 내용을 업데이트하여 블록 크기가 확대된 것과 같은 효과를 내는 것이다.

2. 레이어 2 솔루션 (off-chain)

레이어2 (오프체인, off-chain)
레이어2는 레이어1이 가진 한계와 문제점을 해결하기 위해 나온 블록체인이다. 사이드체인이라고도 한다. 레이어1 위에서 구동되는 블록체인이기 때문에 전적으로 레이어1 노드 알고리즘에 의존하게 된다.

레이어1 블록체인이 가진 확장성, 효율성, 안정성, 비용 등을 해결하기 위해 등장했다. 레이어1 블록체인이 아닌 바깥의 별도 레이어에서 연산을 수행하고 거래를 기록, 검증한 후 그 결과만 메인 블록체인에 기록한다. PoW 네트워크의 확장성 문제를 극복하는 가장 효율적인 방법을 입증하고 있다. 하지만 아직까지 생태계에서 제대로 사용되고 있지 않다.

• 중첩 블록체인
  기존 네트워크의 또 다른 레이어로 기능하면서 사용자의 트랜잭션의 일정 부분을 처리하는데 도움이 되는 두 번째 체인이다. 중첩 블록체인은 메인 블록체인을 활용하여 더 넓은 네트워크에 대한 매개변수를 설정하고 실행은 보조 체인에 연결된 웹에서 수행하는 분산형 네트워크 인프라이다. 여러 블록체인 레벨이 이 메인 체인에 구축되며 이 레벨은 부모-자식 연결을 사용한다. 부모 체인 대리자는 자식 체인의 작업 결과를 다시 부모에게 보내는 작업을 수행한다. 메인 블록체인은 분쟁 해결이 필요한 경우가 아니면 네트워크 기능에 참여하지 않는다. 이더리움 위에서 활용되는 OMG Plasma가 중첩 블록체인 인프라의 예이다.

• 상태 채널
  두 사용자 간의 커뮤니케이션을 위한 양방향 채널로서 내부적으로 공유된 트랜잭션의 기록을 요약하고, 지정된 참가자들만 이용할 수 있다. 이후 채널이 닫히면 채널의 최종 상태와 트랜잭션 내역이 레이어1 체인에 업로드 되는데, 이는 메인 블록체인에 한 건의 트랜잭션만 전송되는 것을 뜻한다. 따라서 검증에 소요되는 비용과 시간을 줄일 수 있다. 상태 채널은 다중 서명 또는 스마트 계약 매커니즘을 사용하여 봉인된 네트워크 인접 리소스이다. 비트코인 라이트닝 네트워크와 이더리움 라이덴 네트워크가 상태 채널의 대표적인 예이다. 상태 채널은 확장성 확보를 위해 탈중앙화를 어느 정도 희생한다.

• 사이드 체인
  메인 블록체인과 함께 작동하지만 거래를 확인하기 위해 자체적인 합의 매커니즘을 사용한다. 사이드체인은 레이어1 플랫폼에 브릿지로 연결되며, 신뢰할 수 있는 당사자 간의 반복적인 거래를 편리하게 사용할 수 있다. 사이드 체인은 상태 채널과 다르게 참가자 간 비공개가 아니며 공개적으로 원장에 기록된다. 또한 사이드 체인 보안 침해는 메인 체인이나 다른 사이드체인에 영향을 미치지 않는다. 사이드체인을 구축하려면 인프라 구축을 위해 상당한 노력이 필요하다.

상태 채널 - 라이트닝 네트워크 (Lightning Network)

양방향 채널이라는 아이디어를 기반으로 매우 저렴한 비용으로 거의 즉각적인 거래가 가능한 비트코인 레이어2 솔루션이다. 라이트닝 네트워크 거래는 오프체인(off-chain) 거래라 불리며, 개별 거래 내용을 오프체인에 등록한 뒤 모든 거래 내역을 종합하여 최종 결과만 온체인(on-chain)에 업로드하는 방식이다.

라이트닝 네트워크는 탈중앙화와 보안성을 기본으로 두고 확장성을 높이기 위한 작업이다. 개별 노드 간 일상적으로 반복되는 소액 거래 내역을 처리하는 오프체인 솔루션이다. 여기서 거래되는 내용은 모든 노드들의 승인을 받지 않고 계약 당사자끼리 합의를 통해 확정되고 블록체인에 저장되지도 않는다. 반복적인 거래가 모두 끝난 후 오프체인을 닫을 때 최종 거래 내역만이 블록체인에 저장된다. 승인 과정이 간단하고 반복적인 소액 거래가 블록체인에 저장되지 않아 처리속도가 빨라진다.

라이트닝 네트워크에서는 다중키(Multi-Signature)와 시간 잠금 계약(Hashed Timelock Contract)을 활용해 신뢰를 확보한다. A와 B의 공동 계좌를 만들어 다중 키로 설정하고, 오프체인에서는 둘의 합의만으로 갱신해 나가다가 최정적으로 장부를 청산할 때 다중키를 이용해 온체인한다. 둘 사이의 합의된 거래는 시간 잠금 계약을 걸기 때문에 한 사람이 합의를 뒤집고 자신에게 유리한 상태로 장부를 온체인할 수 없다.

하지만 오프체인 시스템 역시 탈중앙화 문제를 완벽하게 해결하지는 못한다. 오프체인은 블록체인 기술이 아니며 제 3자 세력이 필요하기 때문에 확장성 진영에서 좋은 평가를 받지 못한다.

비트코인 기반인 라이트닝 네트워크에는 비트코인 뿐 아니라 라이트코인, 퀀텀이 참여하고 있다. 이 방식을 통해 비트코인은 잠재적으로 확장성 문제에 대한 솔루션을 찾았고, 수천 TPS에 도달할 가능성이 있다.

상태 채널 - 라이덴 네트워크 (Raiden Network)

라이트닝 네트워크의 이더리움 버전에 해당한다.

3. 알트코인

대안(Alternative)과 화폐(Coin)의 합성어로, 비트코인을 개량한 암호화폐 전체를 의미한다. 비트코인은 오픈소스이기 때문에 누구나 이를 참고해 새로운 암호화폐를 만들 수 있다. 전 세계 알트코인은 2만 개가 넘는다. 알트코인은 비트코인의 문제를 해결하기 위해 비트코인을 하드포크하거나 제네시스 블록에서부터 새롭게 시작하여 만들어진다.

🧩 제네시스블록
블록체인에서 생성된 첫 번째 블록을 말한다. 제네시스블록의 생성은 블록체인 네트워크가 시작되었다는 상징적 의미를 갖는다.

비트코인 캐시 (Bitcoin Cash)

비트코인 캐시는 비트코인에서 하드포크된 대표적인 알트코인 중 하나이다. 블록의 크기를 기존에 비해 2~8배까지 확장하여 트랜잭션 속도를 올렸다. 기존 비트코인의 탈중앙화 구조를 유지하고 블록생성 주기 10분을 조정하지 않은 상태에서 트랜잭션 속도를 올릴 수 있는 방법이다. 또한 비트코인보다 더 낮은 수수료로 이용할 수 있다.

비트코인의 확장성 문제에 대해 세그윗(Segwit) 소프트포크와 블록 크기 증대라는 두 가지 방안이 나왔으며, 각 방안을 지지하는 대립이 발생했다. 세그윗을 진행할 경우 중국 채굴업자들이 사용하던 에이식부스트(AsicBoost, 비트코인 채굴 속도를 약 20% 높이는 방법) 방식의 채굴이 불가능해졌다. 따라서 중국 체굴업체들을 중심으로 세그윗에 반대하던 블록 크기 증대 지지자들은 기존의 에이식부스트 방식의 채굴을 지속할 수 있도록 비트코인 하드포크를 단행하여 분리된 블록체인을 비트코인 캐시라고 명명했다.

하지만 기존 구조를 거의 변경하지 않았다는 점에서 확장성의 효과는 제한적이다. 블록체인 참여 노드 수가 증가하고 트랜잭션이 늘어나면, 지금의 비트코인과 같은 지연상태가 일어날 가능성이 높다.

또한 컴퓨팅 자원의 농장화(Farm)가 발생하여 농장을 운영하는 주체는 채굴 주체로써 영향력을 가지게 될 수 있다. 채굴 농장(Mining Farm)이 전체 채굴 컴퓨팅 파워의 51% 이상을 가지게 되면 모든 정보의 소유권을 갖게 되며 악의적 공격을 시도하면 모든 정보를 임의로 변경할 수 있다. 실제로 비트코인 캐시의 블록을 채굴하는 해시파워의 50% 이상을 주요 4대 채굴농장들이 점유하고 있으며 이들은 수익지향형 권력조직이라 할 수 있다.

이는 건전한 블록체인 생태계를 위해서는, 탈중앙화된 가치를 유지시키기 위한 관리와 행위가 요구됨을 의미한다.

비트코인 골드 (Bitcoin Gold)

비트코인 캐시에 대항하여 중국의 잭 리아오가 만든 암호화폐이다. 기존 비트코인에서 하드포크 방식으로 분리하여 만들어졌다. 비트코인 골드는 사토시 나카모토가 구현하려는 원래의 비트코인에 더 가깝도록 비트코인을 다시 탈중앙화시키는 것을 추구한다. 소수 채굴업체 중심의 기존 PoW 채굴 방식의 단점을 보완하기 위해 최첨단 채굴 난이도 조정 알고리즘 LWMA를 통해 일반 GPU로도 채굴할 수 있도록 하였다.

❗️ 2018년 5월 51% Attack을 받아 약 200억원 상당의 비트코인골드가 암호화폐 거래소로 전송되었고 이 코인은 법정화폐 및 다른 암호화폐로 교환되었다. 이로 인해 비트코인골드가 보안 문제에 취약함이 드러나기도 했다.

4. 알고랜드

알고랜드는 기존 암호화폐들이 블록체인의 본질적 특성에 의존하면서 발생하는 확장성, 탈중앙화, 보안성의 트릴레마에서 벗어나기 위해 PPoS(무허가형 순수지분증명)이라는 새로운 알고리즘으로 작동하는 암호화폐이다.

순수지분증명(PPoS) 알고리즘

알고랜드는 순수지분증명(PPoS) 알고리즘을 이용하여 블록체인의 트릴레마를 해결할 수 있다고 본다. 알고랜드 블록체인의 거래는 1000명의 위원들로 구성되어 있으며 위원들은 블록체인에 참여한 노드들 중에서 무작위로 선발되고 선발 확률은 자신이 보유한 토큰 개수에 비례해 높아진다. 토큰 보유량은 저마다 다르기 때문에 크고 작은 노드가 있을 수는 있지만, 권력이 한 곳에 집중되는 것은 아니다. 검증 위원은 비밀리에 선발된다. 선발된 노드가 누구인지는 노드가 블록을 생성하고 네트워크에 전파한 이후 공개된다. 공개된 직후에는 또 다시 새로운 위원회가 무작위로 선발된다. 이렇게 검증자가 무작위로 선택되는 임의성은 알고랜드가 목표로 하는 분산화 수준을 달성하게 해준다. 그런 과정이 규칙적으로 이뤄지지만 선발은 무규칙적이다. 즉, 블록 생성이 1000만분의 1초마다 이뤄지고 매번 1000명이 참여하는 위원회 구성이 바뀌기 때문에 공격당할 틈이 없다는 것이다. 또한 채굴에 따른 보상이 따로 없어 채굴에 필요한 자원이 들어가지 않도록 한다. 채굴 수준은 간단한 덧셈 수준의 매우 쉬운 난도로 설정하며 1000명의 위원회를 통해 보안을 유지한다.

알고랜드에는 보상이 없지만, 근본적으로 특정한 집단을 위한 보상이 필요하지 않으므로 지갑 소유자 모두에게 이자로서의 보상이 지급된다. 이를 수퍼 분권화라고 한다. 알고랜드의 창시자 실비오 미칼리는 사실상 정말 제대로 탈중앙화를 갖추면서 보상제도를 작동시키는 것은 불가능에 가깝기 때문에 처음부터 보상을 통해 시스템을 운영하는 방식을 피하는게 낫다고 말했다.

📌 References
https://xangle.io/research/61c92ae798aa4f55343118fc
https://drhot552.github.io/%EC%95%94%ED%98%B8%ED%99%94%ED%8F%90/%EC%95%94%ED%98%B8%ED%99%94%ED%8F%90-%EB%A0%88%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%9E%80-%EB%A0%88%EC%9D%B4%EC%96%B41-%EB%A0%88%EC%9D%B4%EC%96%B42-%EC%BD%94%EC%9D%B8%EC%A0%95%EB%A6%AC/#layer-2-%EC%98%A4%ED%94%84%EC%B2%B4%EC%9D%B8
https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=12148521&memberNo=202219