기본 소개
레이어 2는 이더리움의 확장성 문제를 해결하기 위해 설계된 핵심 솔루션 중 하나입니다. 이더리움 메인 체인 위에 추가 네트워크 레이어를 구축함으로써 메인 체인의 보안 및 분산 특성을 유지하면서 더 많은 트랜잭션을 처리할 수 있습니다.
롤업은 오프체인 거래를 처리한 다음 거래 데이터를 메인 체인에 패키지하는 레이어 2 확장 솔루션입니다. 보안은 레이어 1에 의해 보장됩니다. 현재 다른 체인과 비교할 때 가장 주류인 레이어 2 확장 솔루션입니다. 상태 채널, 사이드 체인, 플라즈마 등과 같은 솔루션에는 Rollup의 세 가지 특징이 있습니다.
레이어 2는 레이어 1과 상대적으로 독립적인 플랫폼입니다. 참여하는 모든 사용자는 독립적인 레이어 2 계정도 가지고 있습니다. 사용자는 레이어 2 플랫폼에서 다른 레이어 2 사용자와 거래할 수 있지만 레이어 1 계정과 레이어 2 계정 간의 상호 작용을 거쳐야 합니다. 레이어 2 운영자는 레이어 1과 레이어 2에 스마트 계약을 배포합니다. 가장 일반적인 상호 작용은 ETH와 같은 토큰 전송입니다.
모든 거래 정보는 메인 체인, 즉 Calldata나 Blob 데이터(EIP-4844)에 완전히 기록되어야 합니다. Layer 2 상태가 손실되더라도 메인 체인에 저장된 정보를 통해 누구나 손실된 상태를 복구할 수 있습니다. 이전 오프체인 거래 솔루션에 존재하는 데이터 가용성 문제를 해결합니다.
트랜잭션 실행 및 상태 변경은 레이어 2 플랫폼에서 이루어지지만 상태 요약은 레이어 1 체인에 게시됩니다. 따라서 레이어 1 체인은 일부 데이터 유효성 검증 방법을 통해 검증될 수 있습니다. 레이어 1 마스터에서 데이터 유효성 검증 방법을 기반으로 하는 온체인 잠금은 낙관적 롤업과 ZK 롤업으로 더 세분화될 수 있습니다.
롤업 개발 내역
사이드 체인은 초기 레이어 2 솔루션 중 하나입니다. 이름에서 알 수 있듯이 사이드 체인은 메인 체인(레이어 1)에 연결된(페그) 독립적인 블록체인이며 자체 합의 모델과 블록 매개변수를 갖습니다. 하나의 블록체인을 다른 블록체인에 연결한다는 것은 두 블록체인 간에 자산을 이동할 수 있다는 의미입니다. 더 빠른 거래를 원할 경우 메인 체인에서 사이드 체인으로 자산을 전송하고 사이드 체인에서 거래할 수 있습니다. 완료되면 자산을 다시 메인 체인으로 전송할 수 있습니다.
플라즈마는 라이트닝 네트워크 제안자 중 한 명인 Joseph Poon과 이더리움 창시자인 Vitalik Buterin이 2017년에 제안한 레이어 2 확장 솔루션입니다.
플라즈마 체인은 나무 가지처럼 이더리움 외부에 구축된 독립적인 블록체인으로, 하위 체인이라고도 하며, 이더리움이 루트 체인이라고도 불리는 백본입니다. 각 하위 체인은 다양한 비즈니스를 처리하는 데 사용할 수 있는 맞춤형 스마트 계약을 이더리움에 배포할 수 있습니다. 플라즈마 체인 위에 또 다른 하위 체인 레이어를 구축하여 트리형 플라즈마 네트워크를 형성할 수 있습니다. 플라즈마의 작동 원리는 대규모 컴퓨팅 작업을 작은 작업으로 분할하고 이를 다양한 하위 체인에 할당하여 처리하는 것입니다. 처리된 결과는 계층별로 요약되어 상위 계층에 제출되므로 대량의 컴퓨팅 작업을 빠르고 효율적으로 처리할 수 있습니다. 복잡한 계산을 처리하는 데 비용이 적게 듭니다.
플라즈마는 플라즈마 체인에서 발생한 거래의 머클 루트를 제출해야 하며, 사용자가 자신의 자산을 플라즈마 체인에서 루트 체인으로 다시 이동하려고 시도할 때 사용자는 자산을 플라즈마에 보낸 최신 거래의 머클 분기를 제출할 수 있습니다. . 이로써 누구나 사용자의 Merkle 포크가 사기임을 입증할 수 있는 도전 기간이 시작됩니다. Merkle 지점이 사기성인 경우 사기 증명을 제출할 수 있습니다. 루트 블록체인은 Merkle 루트만 추적하기 때문에 메인 체인에서 발생하는 트랜잭션보다 훨씬 적은 양의 데이터를 처리해야 하므로 루트 체인의 확장성이 향상됩니다.
플라즈마는 비지도형 이더리움 사이드 체인 기술입니다. 비지도형은 플라즈마 체인이 악의적으로 공격을 받거나 검증자가 악의적인 행위를 공모하더라도 플라즈마 체인의 자산을 루트 체인으로 안전하게 반환할 수 있음을 의미합니다. 이는 사용자 자산을 보호하기 위해 자체 보안 모델에 의존해야 하는 플라즈마와 사이드체인의 가장 큰 차이점이기도 합니다. 플라즈마의 대표적인 솔루션은 Polygon 1.0(Matic)입니다.
그러나 플라즈마에는 세 가지 치명적인 단점이 있습니다.
플라즈마 체인에서는 운영자가 루트 체인에 Merkle 루트 약속을 게시해야 합니다. 운영자는 데이터 가용성 공격을 수행할 수 있습니다. 즉, 특정 트랜잭션을 체인에 게시하는 것을 거부할 수 있습니다. 이 경우 사기 증명을 위한 거래가 부족하여 사용자 자산이 유출되지 않습니다.
사용자가 플라즈마 체인에서 자산을 인출하려고 하면 거래 종료 요청을 제출한 다음 챌린지 기간이라고 하는 일정 기간 동안 기다려야 합니다. 이의 제기 기간 중 언제든지 모든 사용자는 철회가 유효하지 않다는 증거를 제공하여 다른 사용자의 철회에 이의를 제기할 수 있습니다.
사용자는 악성 노드의 동작을 감지하고 적시에 종료하기 위해 플라즈마 체인의 모든 트랜잭션을 모니터링하고 검증해야 합니다. 그러나 트랜잭션 검증에는 비용이 많이 들고 이러한 모니터링 요구 사항은 플라즈마 체인에 참여하는 데 많은 오버헤드를 추가합니다.
바로 Plasma의 단점 때문에 Plasma는 2019년부터 개발 병목 현상에 빠졌습니다. 이때 ConsenSys에서 Layer 2 확장성 연구원으로 근무하고 있는 John Adler가 Optimistic Rollup 솔루션을 제안했습니다. 주로 플라즈마의 데이터 가용성 문제를 해결합니다.
반면 비탈릭 부테린은 ZK 롤업의 프로토타입이기도 한 블록 상태 변경의 타당성을 증명하기 위해 2018년 영지식증명 기술 도입을 개척했다. 영지식 증명은 1980년대 초 S. Goldwasser, S. Micali 및 C. Rackoff에 의해 처음 제안되었습니다. 검증자에게 유용한 정보를 제공하지 않고도 특정 주장이 정확하다는 것을 검증자에게 확신시키는 증명자의 능력을 말합니다. 즉, 증명자는 검증자에게 증명하여 자신이 특정 메시지를 알고 있거나 소유하고 있다고 믿게 만들지만, 증명 과정에서는 검증자에게 입증된 메시지에 대한 어떠한 정보도 공개할 수 없습니다.
zk-SNARK(Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge)는 널리 사용되는 보편적인 영지식 증명 방식으로, 모든 계산 프로세스를 여러 게이트 회로의 형태로 변환하고 일련의 다항식 수학적 속성을 사용하여 변환합니다. 회로를 다항식으로 게이트한 다음 비대화형 증명을 생성하여 다양하고 복잡한 비즈니스 시나리오의 적용을 실현할 수 있습니다.
그러나 zk-SNARK가 피할 수 없는 한 가지 점은 중앙 집중식 신뢰 설정입니다. 신뢰 설정은 신뢰 설정에서 여러 당사자가 각각 네트워크를 시작하기 위해 부분 키를 생성한 다음 키를 파기한다는 것을 의미합니다. 신뢰 설정을 생성하는 데 사용된 키의 비밀이 파기되지 않으면 이러한 비밀이 허위 검증을 통해 거래를 위조하는 데 악용될 수 있습니다.
2019년 Aztec 연구팀이 제안한 Plonk 알고리즘은 zk-SNARK 보편성 문제를 해결합니다. 즉, 신뢰할 수 있는 설정은 응용 프로그램과 아무런 관련이 없습니다. 모든 응용 프로그램을 만족하려면 하나의 신뢰할 수 있는 설정만 필요하며 신뢰할 수 있는 설정은 다음과 같습니다. Plonk 알고리즘의 제안으로 인해 ZK Rollup의 개발이 크게 가속화되었다고 할 수 있습니다.
롤업 트랙
Rollup 트랙을 살펴보면 현재 경쟁이 매우 치열합니다. 메인 네트워크에 출시된 Layer 2 Rollup 중에서 Optimistic Rollup이 여전히 TVL의 대부분을 차지하고 있는 주된 이유는 Optimistic Rollup이 최초의 완전한 롤업 솔루션이기 때문입니다. 구현될 예정이지만 ZK Rollups로 기술이 성숙해짐에 따라 점점 더 많은 사람들이 ZK Rollups 생태계에 관심을 갖고 참여하기 시작했습니다.
낙관적 롤업
낙관적 롤업은 대부분의 트랜잭션이 유효하고 사기 행위가 발견될 경우 문제를 제기하고 롤백할 수 있다는 낙관적 가정을 기반으로 합니다. 롤업의 레이어 1 계약은 레이어 2가 제출한 새 상태를 직접 확인하지 않지만 제출된 새 상태마다 챌린지 기간을 준비합니다. Rollup은 모든 거래 정보를 메인 체인에 제출하고 공개하므로 누구나 상태 업데이트를 확인할 수 있습니다(특히 상태 업데이트에 자신의 지갑이 관련된 경우). 새로운 상태가 잘못된 경우 검증자는 잘못된 상태에 대한 사기 증명을 생성하여 챌린지 기간 동안 제출함으로써 잘못된 상태 업데이트를 무효화할 수 있습니다.
Optimistic Rollup의 대표적인 솔루션으로는 Arbitrum과 Optimism이 있습니다.
Arbitrum은 2021년 9월에 공식적으로 메인넷을 출시할 예정이며 현재 TVL이 가장 높은 레이어 2 프로토콜입니다.
현재 Arbitrum 생태계에는 Arbitrum One, Arbitrum Nova 및 Arbitrum Orbit을 포함한 세 가지 주요 네트워크가 있습니다.
Arbitrum One은 현재 Arbitrum 생태계의 핵심 롤업 체인입니다. 모든 거래 데이터는 메인 네트워크 Ethereum에 저장됩니다. 우리가 일반적으로 언급하는 대부분의 L2 및 온체인 생태학적 애플리케이션은 이 메인 네트워크에서 실행됩니다.
Arbitrum Nova는 AnyTrust 기술을 기반으로 구축된 새로운 네트워크이며 게임, 소셜 애플리케이션 및 처리량이 높은 DApp 사용 사례를 위해 설계되었습니다. 네트워크의 거래 데이터는 오프체인에 저장되며 데이터 위원회 DAC에 의해 관리됩니다.
Arbitrum Orbit은 레이어 3 네트워크 구축을 위한 오픈 소스 툴킷으로, 개발자가 자신의 체인을 배포하고 생성할 수 있도록 지원합니다. 개발자는 Orbit 툴킷을 기반으로 자체 Rollup 및 AnyTrust 체인(레이어 3)을 구축하고 Arbitrum One 또는 Arbitrum Nova 체인 중 하나를 결제 레이어로 선택하여 확장을 달성할 수 있습니다.
Optimism은 2021년 8월 메인넷에 출시될 예정이며 현재 Arbitrum에 이어 두 번째로 레이어 2에서 두 번째로 큰 TVL을 보유하고 있습니다.
Optimism은 EVM 동등성을 달성했습니다. Ethereum의 Solidity 스마트 계약은 추가 기능을 구축하지 않고도 Optimism의 Layer 2에서 실행될 수 있습니다.
OP Stack은 Optimism에서 출시한 오픈 소스 모듈형 툴킷으로, 데이터 가용성 계층, 실행 계층, 결제 계층, 거버넌스 계층 등을 포괄합니다. 개발자는 OP Stack 툴킷을 사용하여 자신의 필요에 따라 맞춤형 레이어 2 네트워크를 구성할 수 있습니다. 이 때문에 OP Stack은 Optimism에 슈퍼 체인 개념을 도입합니다. 슈퍼 체인은 OP Stack을 기반으로 구축된 레이어 2 블록체인(OP 체인이라고도 함) 그룹을 의미합니다. 현재 Base, opBNB, Magi 및 Worldcoin과 같은 대규모 프로젝트를 포함하여 OP Stack을 기반으로 구축된 수십 개의 레이어 네트워크가 있습니다.
ZK 롤업
ZK Rollups는 영지식 증명 기술을 사용하여 체인 외부에서 처리되는 거래가 유효하고 정확하도록 보장하여 더 높은 보안과 효율성을 제공합니다. 상태가 변경된 후 Rollup의 레이어 2 플랫폼은 상태 변경의 정확성에 대한 영지식 증명을 제공하고 이를 상태 변경과 함께 메인 체인에 제출해야 합니다. 메인 체인의 계약은 이 증거를 확인하여 상태 업데이트의 정확성을 결정합니다. 낙관적 롤업 방식과 비교하여 ZK 롤업은 레이어 2 트랜잭션을 마무리하기 위해 긴 챌린지 기간을 설정할 필요가 없으며 챌린지 기간 동안 잘못된 상태 업데이트가 발견될 것이라는 가정에 의존할 필요가 없습니다.
대표적인 솔루션으로는 zkSync, StarkNet, Polygon zkEVM 및 Scroll이 있습니다.
ZK Rollups는 메인 네트워크에서 출시되는 최초의 zkEVM 프로젝트로, 영지식 증명을 기반으로 하며 기본 데이터를 공개하지 않고도 거래를 확인할 수 있습니다. zkSync의 주요 기능 중 하나는 낙관적 전송을 사용하는 것입니다. 이를 통해 사용자는 Ethereum 블록체인에서 확인될 때까지 기다리지 않고 거래를 보내고 받을 수 있습니다. 이는 트랜잭션 시간을 크게 줄이고 더 높은 트랜잭션 처리량을 허용합니다. 영지식 증명과 낙관적 전송을 사용하는 것 외에도 zkSync는 확장성과 보안을 향상시키기 위해 여러 가지 다른 기술도 활용합니다. 이러한 기술에는 여러 서명을 단일 서명으로 압축할 수 있는 서명 집계와 zkSync가 다른 블록체인 네트워크와 상호 작용하는 데 도움이 되는 다중 체인 지원이 포함됩니다.
StarkNet은 사용자가 기본 데이터를 공개하지 않고도 계산의 정확성을 증명할 수 있는 영지식 증명 시스템인 zkSTARK의 스케일링 솔루션을 사용합니다. 이를 통해 네트워크의 개인 정보 보호 및 보안이 강화되고 제3자를 신뢰하지 않고도 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다. StarkNet은 또한 블록체인을 병렬로 처리할 수 있는 여러 개의 작은 체인, 즉 샤드로 분할할 수 있는 샤딩 기술을 활용합니다. 이렇게 하면 각 샤드가 다른 샤드와 독립적으로 처리될 수 있으므로 처리량이 늘어나고 트랜잭션 시간이 빨라집니다.
Polygon 2.0에는 Polygon zkEVM이라는 ZK 롤업 기술이 도입되었습니다. 이 기술은 영지식 증명을 사용하여 이더리움 네트워크에서 거래를 더 빠르고 저렴하게 만들어 이더리움 블록체인의 확장성 문제를 해결하며, 이 구현은 언어 수준 호환이 아닌 바이트코드 수준에서 이루어집니다.
Scroll은 Ethereum과 동일한 프로그래밍 언어 및 스마트 계약을 지원하는 EVM 호환 ZK 롤업이므로 개발자는 코드를 수정하지 않고도 기존 애플리케이션을 Rollup 네트워크로 쉽게 마이그레이션할 수 있습니다.
요약하다
블록체인 자체의 성능 문제로 인해 현재 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 낙관적이고 영지식 확장 솔루션은 블록체인의 성능 병목 현상을 해결하고 분산화 및 보안을 희생하지 않고 거래 속도와 거래 처리량을 향상시킬 것으로 예상됩니다. 롤업은 계산을 오프체인으로 전송하여 블록체인의 처리량을 향상시킵니다. 즉, 대량의 트랜잭션을 롤업 블록으로 패키징하고 레이어 1의 스마트 계약은 이를 검증하기만 하면 됩니다. Proof는 새로운 상태를 직접 적용할 수 있으며, 이는 더 낮은 가스와 더 높은 온체인 보안을 달성할 수 있습니다.
단기적으로는 낙관적 롤업이 일반 EVM 계산에서 승리할 가능성이 높지만 ZK 롤업은 단순 결제, 거래 및 기타 특정 애플리케이션 시나리오에서 승리할 수 있습니다. 주된 이유는 Zk 롤업이 낙관적 롤업보다 빠르고 효율적이기 때문입니다. 기존 스마트 계약을 레이어 2로 마이그레이션하는 쉬운 방법을 제공하지 않습니다.
그러나 최근 몇 년간 블록체인, 개인 정보 보호 컴퓨팅 등 신흥 기술 애플리케이션의 개발로 인해 영지식 증명 기술은 ZK-SNARK 기술의 발전과 함께 중장기적으로 신뢰 구축을 위한 중요한 기술로 자리 잡았습니다. ZK 롤업은 이더리움 확장 계획에 대한 궁극적인 해답이 되는 시나리오에서 모든 승리에 사용됩니다.
