채굴의 탈 중앙화 비교 : 비트코인 VS 이더리움

원문보기: https://brunch.co.kr/@curg/7

Edit by 김성환(성균관대_Skkrypto),조유정(이화여대_ewha-chain),안성주(가톨릭대_BlockCat)

consensus팀은 앞으로 블록체인의 다양한 합의 알고리즘에 대해 다룰 예정입니다. 여러 합의 알고리즘의 개념을 설명하고, 그와 관련해 흥미롭거나 유익한 내용들을 소개해 드리려 합니다. 

본 글은 Crypto Cannon의 글 Decentralization in Bitcoin and Ethereum를 바탕으로 작성된 글입니다.


 이번 포스팅에서는 가장 기본적이고 널리 쓰이는 pow의 대표주자, 비트코인과 이더리움을 ‘채굴의 탈 중앙화’ 관점에서 알아보고자 합니다. 암호화폐의 가장 큰 가치는 탈 중앙화 라고 많이들 이야기 합니다. 그렇다면 현재 암호화폐들은 어느 정도나 탈 중앙화 되어있을까요? 탈 중앙화라고 하면 소유의 탈 중앙화, 서비스의 탈 중앙화 혹은 신뢰의 탈 중앙화 등 여러 가지 개념이 있을 수 있습니다. 그 중에서도 ‘화폐 발행의 탈 중앙화’ 와 직결되어 있는 채굴의 관점에서 코넬 대학교에서 진행된 연구가 있습니다. 이 연구는 채굴의 관점에서, 비트코인과 이더리움 네트워크의 효율성을 분석하고 두 네트워크의 탈 중앙화 수준을 비교하였습니다. 그 내용들을 공유하고, 간략히 설명해보고자 합니다.

비트코인은 현재 네트워크 능력을 낭비하고 있다

 이 연구의 핵심 결과 중 첫 번째는, 비트코인 네트워크는 이전과 동일한 탈 중앙화 정도를 유지하면서도 거래 처리속도를 늘릴 수 있지만, 그러지 않고 있다는 것입니다. 보통 비트코인 노드가 이더리움 노드보다 높은 대역폭을 가지고 있습니다. 여기서 대역폭이란 노드가 일정 시간 동안 네트워크와 주고 받을 수 있는 데이터의 양을 뜻합니다. 2016년에 비해서, 각 비트코인 노드에 할당된 대역폭은 대략 1.7배 정도 증가해왔습니다. 더 높은 대역폭을 가지고 있다는 것은 *고아 블록 생성률에 영향을 미치지 않고, 즉, 탈 중앙화에 영향을 미치지 않고 블록사이즈를 키울 수 있음을 뜻합니다. 즉, 2016년도 수준의 탈 중앙화 정도를 유지하면서 블록사이즈를 1.7배정도 늘릴 수 있고, TPS(초당 거래 처리 수)를 2배 가까이 향상시킬 수 있다는 것입니다.

   블록사이즈를 키우면 노드 유지를 위해 요구되는 CPU와 메모리 용량이 엄청나게 커질 것이라는 우려도 있습니다. 하지만 이런 비용들은 현재 트랜잭션 수수료에 비교해 봤을 때 미미한 수준이며, 비용 자체도 급격하게 줄어왔습니다. 2016년에 85불 정도 하던 1테라바이트 짜리 디스크가 2017년에는 70불이 되었으니까요. 현재까지는 적합한 블록사이즈에 대해 합리적이거나 수치로 뒷받침 되는 논의가 없는 상황입니다. 그럴 듯 하게 들리지만, 기술적으로나 과학적으로나 뒷받침 되지 않는 모호한 논의들만 있다는 것이죠. 블록체인 기술이 효율적으로 발전하려면, 위의 내용과 같이 수치와 합리적인 근거를 바탕으로 한 논의가 필요하다는 것이 연구자들의 주장입니다.

*고아 블록(orphaned block)

 여기서 고아 블록(orphaned block)이란 정상적인 블록의 조건을 모두 만족하지만, 가장 긴 체인에 포함되지 못한 블록을 뜻합니다. (원래 고아 블록은 직전 블록이 어떤 것인지 확인되지 않는 블록을 뜻하지만 여기서는 혼용해서 쓰고 있습니다.) 보통 이는 채굴자가 다음 블록이 생성된 사실을 전달받지 못하고 채굴을 계속 하는 경우 발생합니다. 고아 블록 생성률(orphan rate)은 정상 블록이 하나 생성될 때 발생하는 고아블록의 갯수를 비율로 나타낸 것입니다. 그렇다면 블록 사이즈와 고아블록, 탈 중앙화는 무슨 연관이 있을까요? 블록 사이즈를 키우면 한 블록의 용량이 커져서 새로운 블록을 다른 노드들에게 전달하는데 시간이 더 오래 걸리게 됩니다. 즉, 블록을 전달 받지 못한 채굴자들이 이미 생성된 블록에 계산력을 투입해 고아 블록을 생성할 확률이 커집니다. 그럴수록 소규모 채굴자들은 블록을 늦게 전달받는 상황을 피하기 위해 규모가 큰 채굴 풀로 모일 가능성이 커지고, 채굴의 중앙화가 이루어지게 됩니다.

이더리움이 비트코인보다는 탈 중앙화 되어있다.

 다음 내용은, 이더리움이 비트코인보다는 탈 중앙화 되어있다는 점입니다. 네트워크 측면에서도, 지리적으로도 비트코인 노드들이 이더리움 보다 더 밀집돼있는 상황입니다. 즉, 이더리움 노드들이 세계적으로 더 골고루 분포되어 있고, 훨씬 더 탈 중앙화 되어있다고 볼 수 있습니다. 이렇게 차이가 나는 이유 중 하나는, 훨씬 더 많은 비율의 비트코인 노드가 데이터센터에 소속되어 있기 때문입니다. 여기서 데이터센터란, 대규모 중앙 네트워크를 갖춘 시설을 뜻합니다. 이더리움은 28%인 반면 비트코인은 56%의 노드가 데이터센터에 소속되어 있습니다. 많은 노드가 데이터센터에 소속되어 있다면 노드가 더욱 기업화 되어있다고 볼 수 있습니다. 또한 이는 특정 목적을 위해 노드 숫자가 왜곡되어 있다는 징후로 해석할 수도 있습니다. 대표적인 예가 채굴풀의 경우입니다. 사실 채굴풀 하나는 아무리 규모가 크더라도 통일된 의견과 목적을 가지기 때문에 하나의 노드로 간주하는 것이 맞습니다. 하지만 채굴풀에서는 많은 수의 노드를 돌릴 수 있고, 이러한 채굴풀의 특징이 여론 왜곡으로도 이어질 수 있습니다. 또 위의 수치는 비트코인에 비해 이더리움의 노드가 중앙 시설이 아닌 다양한 익명 시스템에 분포되어 있음을 보여줍니다.

비트코인과 이더리움 둘 다 채굴이 중앙화 되어있다

 이 연구의 핵심 결과 세 번째는, 비트코인과 이더리움 두 시스템 모두 채굴이 상당히 중앙화 되어있다는 것입니다. 채굴 과정의 중앙화 정도를 비교하기 위해서 두 시스템에서 각 채굴자의 채굴 파워(mining power)를 측정하였습니다. 여기서 채굴 파워는 각 채굴자가 메인 체인에 기여한 블록 비율입니다. 이 비율은 메인 체인에 생성된 블록(분모) 분에 각 채굴자가 생성한 메인체인 블록(분자)입니다. (이 측정치는 메인 체인에 기여한 블록을 센 것이라서 고아 블록과 관련이 없습니다.) 아래의 도표가 측정 결과입니다.

(Figure 출처 : Adem Efe Gencer, Soumya Basu, Ittay Eyal, Robbert van Renesse, Emin Gün Sirer

“Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks”, Submitted on 11 Jan 2018 (v1), last revised 29 Mar 2018 (this version, v2), p 10)

이 연구결과에 따르면 스무 명의  채굴자들이 전체 블록체인을 결정한다고 합니다. (물론 이 채굴자에는 마이닝 풀도 포함됩니다.) 그리고 비트코인에서는 상위 채굴자 넷이, 이더리움에서는 상위 채굴자 셋이 50%이상의 해시 파워(hash power)를 가진다고 합니다. 정리하면 두 플랫폼은 블록체인 유지하기 위해서 매우 적은 수의 채굴자들에게 의존한다는 것을 알 수 있습니다. 

 연구자는 이 두 시스템을 크기가 20인 비잔티움 정족수 시스템(Byzantine quorum system)과 비교합니다. (Byzantine quorum system:비잔틴 문제를 해결하는 시스템이다) 비트 코인과 이더리움에서 해시 파워에 따라 기여도가 달라지는 것과 다르게, 비잔티움 정족수 시스템에서는 20개의 모든 노드가 동등하게 기여하도록 합니다. 선택된 노드가 해시 파워와 상관없이 동등하게 기여할 수 있다는 점에서 탈중앙화 정도가 높다고 볼 수 있습니다. 이 비교로 미루어 볼때, 탈중앙화를 더 높이는 비허가 합의 알고리즘(permissionless consensus protocol)이 있을 것이며 이에 대해 더 많은 연구가 필요하다는 것이 연구자들의 주장입니다.

이더리움은 채굴 에너지를 낭비한다.

 이 연구의 핵심 결과 네 번째는, 이더리움은 비효율적으로 채굴 에너지를 낭비한다는 것입니다. 다시 말해, 체인에 기여하지 않는 블록을 생성하는 데 많은 에너지를 낭비한다는 것입니다.

(Figure 출처 : Adem Efe Gencer, Soumya Basu, Ittay Eyal, Robbert van Renesse, Emin Gün Sirer,“Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks”, Submitted on 11 Jan 2018 (v1), last revised 29 Mar 2018 (this version, v2), p 12)

채굴 파워(mining power)의 효용성을 검증하기 위해서, 비트코인에서는 고아 블록의 분산(distrbution) 정도를, 이더리움에서는 엉클 블록(uncle block)의 분산 정도를 분석해서 이 것을  메인 체인 블록의 분산 정도와 비교했다고 합니다. 위의 도표가 측정 결과입니다. 그 결과 비트코인에서 효용성(utilization)은 99%였고 이는 비트코인에서 고아 블록이 거의 발생하지 않는다는 것을 보여줍니다. 이와 대조적으로 이더리움에서의 효용성은 90%에서 94%를 왔다갔다 했으며 절대 97%를 넘지 않았습니다. 이러한 결과는 이더리움이 비트코인에 비해 채굴 파워를 낭비하고 있음을 보여줍니다.

 물론 이더리움은 엉클블록을 생성한 채굴자에게 보상을 주어서 엉클 블록을 생성하도록 설계되었습니다. 그러함에도 연구자는 엉클블록 생성에 쓰이는 해시 파워 중 일부를 메인 체인에 사용하는 것이  더 이로울 것이라고 주장합니다. 더 나아가 엉클 블록을 줄이기 위해 중계망(relay network)을 도입하는 것이 필요하다고 주장합니다. 중계망은 채굴자와 풀 노드(full nodes)에게 빠르게 블록들을 전달해서 엉클블록의 생성을 줄일 수 있게 도와주기 때문입니다. 

* 중계망(relay network)

전송 범위보다 멀어서 서로 직접적으로 통신할 수 없을 때, 둘 사이에 연결된 노드들로 통신하는 것을 말한다.

*엉클 블록(uncle block)

비트코인의 고아 블록을 이더리움에서 일컫는 말이다. 엉클 블록은 고아 블록과 다르게 채굴 보상을 받는다.

이더리움과 비트코인, 둘 중 어떤 시스템이 더 공평할까

(이미지 출처 : https://www.quora.com/What-is-equality-and-how-is-it-different-from-fairness )

 이 연구에서 공평함(fairness)이라는 값은 소규모 채굴자가 대규모 채굴자에 비해 불이익을 받는지 여부를 나타냅니다. 연구에서는 공평함을  채굴자가 가지는 채굴 파워(mining power) 대비 고아블록(orphan block)의 비율로 계산합니다. 이때 이상적이고 공정한  프로토콜은 공평함의 값이 1이어야 합니다. 만약 공평함의 값이 1보다 크다면 자신의 채굴능력 대비 고아블록 생성율이 높다는 말로 공평하지 못한 것을 의미합니다. 1보다 커질수록 공평하지 못하게 되는 것이죠. 연구에서는 1보다 크다면 채굴자가 손실을 얻는다고 합니다. 반대로 공평함이 1보다 작은 경우는 어떨까요. 이는 자신의 채굴파워 대비 고아블록을 적게 생성한다는 의미로 자신이 가진 채굴능력보다 메인체인(main chain)에 연결되는 블록을 더 많이 생성한다는 것을 의미합니다. 연구에서는 1보다 작은 것은 채굴자가 이득을 얻는 상황이라고 합니다. 하지만 이는 불공평한 상황으로 대규모 채굴자가 소규모 채굴자와 비교하였을 때 같은 채굴 파워를 가지고 더 많은 메인체인에 연결하는 블록을 생성한다는 것을 의미합니다.     

아래에 나오는 도표의 x 축은 비트코인과 이더리움상에서 상위 20위의 채굴 파워를 가지는 채굴자들을 오름차순으로 정렬한 것이고 y 축은 공평함의 비율을 나타냅니다.

(Figure 출처 : Adem Efe Gencer, Soumya Basu, Ittay Eyal, Robbert van Renesse, Emin Gün Sirer, “Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks”, Submitted on 11 Jan 2018 (v1), last revised 29 Mar 2018 (this version, v2), p 12)

도표를 보면 이더리움과 비트코인에서 1~4위의 채굴 파워를 가진 채굴자들은 공평함의 값이 모두 1에 가깝거나 1보다 작은 것을 볼 수 있습니다. 이러한 상황은 위에서 설명한 것과 같이 채굴자가 이익을 얻는 것으로 현재 프로토콜에서는 1~4위의 채굴자들이 이익을 얻고 있습니다. 

또한 이더리움과 비트코인 두 시스템의 공평함의 평균값은 각각 1.08, 1.22로 비슷합니다. 하지만 도표에서 확인할 수 있듯이 이더리움은 상위 20개 채굴자들의 공평함의 값이 골고루 분포되어 있는 반면 비트코인의 공평함의 값은 채굴자별로 편차가 큰 것을 확인할 수 있습니다.

높은 편차는 결국 중앙화로 가는 길입니다. 소규모 채굴자들은 일시적이더라도 높은 공평함의 값으로 생기는 손실을 점점 감당하기 힘들어질 것이고 이는 채굴을 중단하거나 대규모 풀로 모이는 결과로 이어질 것입니다. 반면 소규모 채굴자들에 비해 손실이 적은 대규모 채굴자는 계속 채굴을 할 것입니다. 공평함에서 높은 편차를 보이는 비트코인은 이더리움과 비교할 때, 더욱 중앙화가 심화될 것으로 보입니다.

결론

 탈 중앙화를 표방한 블록체인 기반 암호화폐의 두 대표주자인 비트코인과 이더리움은 시간이 흐를수록 아이러니하게 채굴 파워가 강한 채굴자들을 중심으로 중앙화되고 있습니다.  이번 포스팅에서는 비트코인과 이더리움 두 시스템에서 채굴 파워가 효율적으로 사용되고 있는지와 채굴 과정의 중앙화 정도에 대해 알아보았습니다. 그 결과를 다시 한번 요약하자면 다음과 같습니다.  이더리움은 비트코인에 비해 채굴 파워를 낭비하고 있으며 두 시스템 모두 채굴이 중앙화되어있습니다. 보다 효율적으로 채굴 파워를 사용하기 위해서 이더리움에 중계망을 도입하는 것이 이로울 것입니다. 또한 중앙화된 두 시스템보다 탈 중앙화된 비허가 합의 프로토콜이 있을 것이며 그에 대한 연구가 필요하다는 것을 알 수 있었습니다. 마지막으로, 이더리움과 비트코인 중 어느 쪽이 채굴자들에게 공평한 시스템을 가지고 있는지 비교해 봤으며 그 결과 이더리움이 더 공평한 시스템을 가지고 있었습니다.


참고문헌

[1]   Adem Efe Gencer, Soumya Basu, Ittay Eyal, Robbert van Renesse, Emin Gün Sirer

[2] “Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks”, Submitted on 11 Jan 2018   (v1), last revised 29 Mar 2018 (this version, v2)

[3] Dahlia Malkhi, Michael Reiter “Byzantine quorum systems”, Proceeding STOC ’97 Proceedings of the twenty-ninth annual ACM symposium on Theory of computing Pages 569-578, 1997

[4] Miguel Castro and Barbara Liskov “Practical Byzantine Fault Tolerance”, Appears in the Proceedings of the Third Symposium on Operating Systems Design and Implementation, New Orleans, USA, February 1999

[링크1]http://hackingdistributed.com/2018/01/15/decentralization-bitcoin-ethereum/

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