블록체인 기술은 탈중앙화, 보안성, 투명성이라는 혁신적인 가치를 제공하지만, 확장성이라는 중요한 문제에 직면해 있습니다.
확장성은 블록체인 네트워크가 얼마나 많은 거래를 효율적으로 처리할 수 있는지를 나타내는 척도입니다.
현재 대부분의 블록체인은 거래 처리 속도(TPS, 초당 거래 건수)가 제한되어 있어, 사용자 증가 및 거래량 폭증 시 네트워크 지연 및 높은 수수료 문제를 야기합니다.
예를 들어, 대표적인 블록체인인 비트코인은 평균적으로 초당 4~7건의 거래를 처리할 수 있습니다. 이는 중앙 집중형 결제 시스템인 비자의 초당 수천 건의 거래 처리량에 비해 현저히 낮은 수준입니다.
이러한 확장성 한계는 특히 이더리움과 같은 주요 플랫폼에서 더욱 두드러지게 나타납니다. 이더리움은 스마트 컨트랙트 기능으로 다양한 디앱(DApp) 생태계를 구축했지만, 초당 약 15~20건의 거래 처리 용량으로는 대규모 서비스 운영에 어려움을 겪고 있습니다.
실제로 2020년에는 DeFi 서비스 붐으로 인해 이더리움 네트워크가 과부하되어 거래 수수료가 폭등하고 처리 지연이 발생하는 등 사용자 불편이 심화되기도 했습니다.
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확장성 문제의 중요성
블록체인 기술이 대중적으로 널리 사용되기 위해서는 확장성 확보가 필수적입니다. 낮은 TPS는 사용자 경험 저하, 서비스 마비, 높은 거래 비용으로 이어져 블록체인 생태계 성장을 저해하는 요인이 됩니다.
특히 대규모 상용 서비스 환경, 예를 들어 결제, 공급망 관리, 소셜 미디어, 게임 등의 분야에서 블록체인이 활용되기 위해서는 현재의 확장성 한계를 반드시 극복해야 합니다.
현재 기술 한계: 블록 용량 제한 및 처리 속도 저하
블록체인 확장성 문제의 주요 원인 중 하나는 블록 용량 제한입니다. 대부분의 블록체인은 각 블록에 담을 수 있는 데이터 크기를 제한하고 있습니다.
이는 네트워크 안정성 및 탈중앙성을 유지하기 위한 설계이지만, 블록이 꽉 찰 경우 새로운 거래를 처리하기 어려워지는 병목 현상을 야기합니다.
또한, 블록체인은 분산 원장 기술의 특성상 모든 거래를 네트워크 참여자(노드)들이 검증해야 합니다. 거래량이 증가하면 각 노드의 부담이 늘어나고, 합의 과정에 더 많은 시간이 소요되어 전체적인 거래 처리 속도가 저하될 수 있습니다.
특히 비트코인처럼 블록 생성 시간이 비교적 긴 블록체인에서는 이러한 문제가 더욱 심각하게 나타납니다.
확장성 트릴레마: 균형점 찾기
블록체인 확장성 문제 해결은 단순히 처리 속도를 높이는 것 이상의 복잡한 과제입니다.
블록체인은 확장성, 보안성, 탈중앙성이라는 세 가지 핵심 가치를 동시에 추구해야 하며, 이 세 가지 요소는 서로 트릴레마 관계에 있습니다.
즉, 하나를 개선하면 다른 하나 또는 두 가지 모두 약화될 수 있다는 것입니다.
- 확장성 (Scalability): 거래 처리 속도 및 용량
- 보안성 (Security): 네트워크 안정성 및 위변조 방지
- 탈중앙성 (Decentralization): 분산된 노드 운영 및 검열 저항성
따라서 블록체인 확장성 솔루션은 이 세 가지 가치의 균형을 유지하면서 성능을 향상시키는 방향으로 개발되어야 합니다.
확장성 문제 해결 기술: 레이어 1 & 레이어 2 솔루션
블록체인 확장성 문제를 해결하기 위한 다양한 기술적 시도들이 이루어지고 있으며, 크게 레이어 1 솔루션(온체인 확장)과 레이어 2 솔루션(오프체인 확장)으로 구분할 수 있습니다.
레이어 1 솔루션 (온체인 확장): 블록체인 프로토콜 자체 개선
- 샤딩 (Sharding):
데이터베이스 샤딩 기술을 블록체인에 적용하여 네트워크를 여러 개의 샤드(Shard, 분할된 네트워크)로 나누어 거래를 병렬로 처리하는 기술입니다.
각 샤드는 독립적으로 거래를 처리하므로 전체 네트워크의 처리량이 획기적으로 증가합니다.
이더리움 2.0의 핵심 확장성 솔루션이며, Near Protocol, Polkadot 등 다양한 블록체인에서 샤딩 기술을 채택하고 있습니다.
- 합의 알고리즘 개선:
기존 작업증명(PoW) 방식보다 효율적인 합의 알고리즘을 도입하여 블록 생성 시간 단축 및 TPS 향상을 꾀합니다.
지분증명(PoS), 위임지분증명(DPoS), Consensus 알고리즘 등이 대표적입니다. 이더리움 2.0은 PoS 방식으로 전환하여 에너지 효율성뿐만 아니라 확장성도 개선하고자 합니다.
- 블록 크기 증가:
블록당 저장할 수 있는 데이터 크기를 늘려 더 많은 거래를 한 번에 처리하는 방식입니다. 비트코인 캐시(Bitcoin Cash) 등이 블록 크기 증가를 통해 확장성을 개선하려는 시도를 했습니다.
하지만 블록 크기 증가는 네트워크 대역폭 부담 증가, 노드 운영 비용 증가, 탈중앙성 약화 등의 부작용을 초래할 수 있습니다.
레이어 2 솔루션 (오프체인 확장): 메인 체인 외부에서 거래 처리
레이어 2 솔루션은 메인 블록체인(레이어 1)의 보안성을 활용하면서, 실제 거래 처리는 메인 체인 외부(레이어 2)에서 수행하여 확장성을 높이는 기술입니다.
메인 체인의 부담을 줄이고, 더 빠르고 저렴한 거래를 가능하게 합니다.
주요 레이어 2 솔루션 비교
롤업 (Rollups)
현재 가장 활발하게 연구 개발되고 있는 레이어 2 솔루션입니다. 특히 옵티미스틱 롤업 (Optimistic Rollups)과 ZK-롤업 (Zero-Knowledge Rollups) 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.
옵티미스틱 롤업은 거래 유효성을 '낙관적으로' 가정하고, 문제 발생 시에만 검증하는 방식이며, ZK-롤업은 영지식 증명 기술을 활용하여 거래 유효성을 수학적으로 증명하는 방식입니다.
롤업은 메인 체인의 보안성을 상속받으면서 높은 확장성을 제공하지만, 데이터 가용성 문제 및 롤업 종류에 따른 보안 및 탈중앙성 수준 차이 등의 한계도 존재합니다.
대표적인 롤업 솔루션으로는 이더리움 레이어 2 네트워크인 옵티미즘, 아비트럼, zkSync 등이 있습니다.
사이드체인 (Sidechains)
폴리곤 네트워크는 이더리움 사이드체인의 대표적인 예시입니다.
사이드체인은 메인 체인과 독립적으로 운영되므로 높은 TPS를 확보하기 용이하며, 자체적인 규칙과 기능을 자유롭게 설계할 수 있습니다.
하지만 사이드체인은 메인 체인과 다른 보안 모델을 사용하므로, 자체적인 보안을 유지하는 것이 중요합니다. 사이드체인과 메인 체인 간의 자산 이동 시 보안 취약성이 발생할 수도 있습니다.
스테이트 채널 (State Channels)
라이트닝 네트워크는 비트코인 스테이트 채널의 대표적인 예시입니다. 스테이트 채널은 거래 당사자 간에 직접 채널을 개설하여 거래를 처리하므로 매우 빠른 속도와 낮은 수수료를 제공합니다.
하지만 채널 참여자 간의 거래만 지원하며, 채널 개설 및 유지 관리가 필요하다는 단점이 있습니다. 주로 소액 결제 등 특정 용도에 적합합니다.
미래 발전 방향: 확장성과 더불어 상호운용성, 규제 고려
블록체인 기술의 미래는 확장성, 보안성, 탈중앙성의 균형을 효과적으로 맞추는 동시에, 상호운용성과 규제 준수를 고려하는 방향으로 나아갈 것입니다.
지속적인 기술 혁신
샤딩, 레이어 2 솔루션은 현재 블록체인 확장성 문제 해결에 상당한 진전을 가져왔지만, 여전히 개선의 여지가 많습니다.
영지식 증명, 동형 암호, 멀티파티 연산(MPC) 등 차세대 암호 기술을 활용한 더욱 효율적이고 안전한 확장성 솔루션 개발이 지속적으로 이루어져야 합니다.
특히 데이터 가용성 문제 해결, 롤업 간 상호운용성 확보, 레이어 2 솔루션의 탈중앙성 강화 등이 중요한 연구 과제입니다.
모듈형 블록체인 (Modular Blockchain)
확장성, 보안성, 데이터 가용성 등 블록체인의 핵심 기능을 모듈화하여 각 기능에 특화된 레이어를 조합하는 방식이 주목받고 있습니다.
모듈형 블록체인은 유연성과 확장성을 극대화하고, 다양한 서비스 요구사항에 맞춤형 블록체인 네트워크를 구축할 수 있도록 합니다.
상호운용성 (Interoperability) 증진
서로 다른 블록체인 네트워크 간의 자산 및 데이터 교환을 용이하게 하는 상호운용성 기술은 블록체인 생태계 확장에 필수적입니다.
Inter-Blockchain Communication (IBC), Cross-Chain Bridge 등 다양한 상호운용성 기술 개발 및 표준화 노력이 필요합니다. 확장성 솔루션 또한 상호운용성을 고려하여 설계되어야 합니다.
규제 환경 변화에 대한 대응
블록체인 기술 발전과 함께 각국 정부의 규제 움직임도 활발해지고 있습니다. 확장성 솔루션 개발 단계부터 규제 준수 및 법적 문제 발생 가능성을 고려해야 합니다.특히 개인정보보호, 자금세탁방지(AML), 테러자금조달방지(CFT) 등 규제 요구사항을 충족하는 확장성 솔루션 설계가 중요해질 것입니다.
확장성 확보를 넘어 지속 가능한 블록체인 생태계로
블록체인 기술은 혁신적인 잠재력을 가지고 있지만, 현재 확장성 문제로 인해 대규모 서비스 적용에 어려움을 겪고 있습니다.
샤딩, 롤업, 사이드체인 등 다양한 확장성 솔루션들이 개발되어 블록체인 성능 개선에 기여하고 있지만, 아직 해결해야 할 과제가 많습니다.
미래 블록체인 기술은 확장성, 보안성, 탈중앙성의 균형을 이루면서, 상호운용성 및 규제 준수까지 고려하는 방향으로 발전해야 합니다.
지속적인 기술 혁신과 함께, 블록체인 생태계 참여자들의 협력과 노력을 통해 확장성 문제를 극복하고, 블록체인 기술이 실생활에 널리 활용되는 미래를 만들어나가야 할 것입니다.
