지분증명
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1. 개요
지분 증명(Proof of Stake, PoS)은 블록체인에서 새로운 블록을 생성하고 거래를 검증하는 합의 메커니즘의 한 종류이다. 이는 2011년 비트코인 포럼에서 처음 제안되었으며, 2012년 피어코인에서 처음 상용화되었다. PoS는 코인 보유량에 따라 블록 생성 권한을 부여하는 방식으로, 작업 증명(Proof of Work, PoW) 방식보다 에너지 소비가 적다는 장점이 있다. 하지만 보안 취약성, 소수에게 권력이 집중될 수 있다는 비판도 존재한다. 다양한 유형의 PoS가 존재하며, 이더리움은 2022년에 PoW에서 PoS로 전환했다. 대한민국에서도 PoS 기반 암호화폐에 대한 관심이 증가하고 있으며, 관련 산업 육성을 위한 정책이 추진되고 있다.
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지분증명 | |
---|---|
개요 | |
유형 | 합의 알고리즘 |
약자 | PoS |
용도 | 블록체인 |
합의 방식 | 지분 |
특징 | |
장점 | 에너지 효율성 증가 보안 강화 확장성 개선 |
단점 | '부자일수록 더 부유해지는' 현상 발생 가능성 중앙 집중화 가능성 담합 공격의 위험 |
작동 방식 | |
선택 과정 | 암호화폐 보유량과 보유 기간에 따라 결정 '코인 에이지' 개념 사용 (오래 보유할수록 유리) |
검증인 역할 | 블록 생성 및 검증 담당 네트워크 보안 유지 |
역사 및 발전 | |
최초 사용 | 피어코인 (2012년) |
주요 사용 블록체인 | 이더리움 (전환) 카르다노 솔라나 테조스 |
보안 | |
공격 유형 | 롱 레인지 공격 (Long Range Attack) 스테이크 그라인딩 (Stake grinding) 담합 공격 (Collusion attack) |
보안 강화 방법 | 검증인 활동 모니터링 경제적 인센티브 및 처벌 시스템 지분 분산 유도 |
2. 역사
피어코인(Peercoin)은 2012년에 최초로 지분 증명 방식을 도입하여 상용화했다.[2] 이후 블랙코인(Blackcoin), 넥스트(Nxt) 등 다양한 암호화폐들이 PoS 방식을 채택했다.[2]
지분 증명 방식은 암호화폐 보유량과 보유 기간 등을 기준으로 다음 블록을 생성할 검증인(Validator)을 선정한다. 코인 보유자는 일정 기간 이상 코인을 보유해야 블록 생성 경쟁에 참여할 수 있다.
2022년 9월, 세계 2위 암호화폐였던 이더리움(Ethereum)은 "더 머지(The Merge)"라는 업그레이드를 통해 작업 증명(PoW)에서 지분 증명(PoS) 합의 메커니즘으로 전환했다.[20] 이로써 이더리움의 에너지 사용량은 99% 감소했다.[20] 이는 여러 제안[9][10]과 일부 지연[10][11] 끝에 이루어진 결과였다.[8]
지분 증명 방식은 작업 증명 방식보다 에너지 효율이 훨씬 높다고 알려져 있다.[4] 2021년 런던대학교 연구에 따르면, 작업 증명 기반의 비트코인은 가장 에너지 소비량이 많은 지분 증명 시스템보다 약 1,000배 더 많은 에너지를 소비하는 것으로 나타났다.[18]
3. 블록 생성자 선정 방식
하지만 암호화폐 보유량이 많은 소수에게 유리한 시나리오를 방지하기 위해, 각 암호화폐는 서로 다른 블록 생성자 선정 방식을 활용한다. 가장 부유한 구성원이 계속 유리한 위치를 차지하면 시스템이 중앙화될 수 있기 때문이다.
계좌 잔고에 따라 검증인을 선정하면 중앙 집중화 문제가 발생할 수 있으므로, 이를 해결하기 위해 다양한 선정 방식이 고안되었다.
3. 1. 임의 블록 선정
넥스트와 블랙코인은 지분 규모와 결합하여 가장 낮은 해시값을 찾는 공식을 통해 다음 생성자를 예측한다.[36] 지분은 공개되므로, 각 노드는 어떤 계좌가 블록을 만들 권한을 얻을지 상당히 정확하게 예측할 수 있다.
3. 2. 코인 나이 기반 선정
피어코인(Peercoin)은 무작위성과 함께 '코인 나이'라는 개념을 활용하여 블록을 선별한다.[38] 코인 나이는 코인 보유 기간과 실제 코인 개수를 곱해서 산출한다.[38] 코인 보유자는 한 달 이상 코인을 보유했을 때만 블록 생성 경쟁에 참여할 수 있다.[38] 해당 코인이 블록 생성에 사용되면 한 달 이상 코인 보유에 대한 주기는 처음부터 다시 시작하게 된다.[38]
3. 3. 임의 지분 증명 (rPoS)
오브(Orbs)는 단일 블록 리더 대신 위원회 전체를 선출하는 방식을 사용한다. 오브는 주주에게 블록 선별 자격을 부여할 때, 보유 토큰량보다 평판도를 기준으로 삼는다.[37]
각 노드는 검증 가능한 임의 비콘을 사용하여 무작위로 선별되며, 이를 통해 기존 거래 블록을 제안한다. 이후 해당 블록은 전체 노드 중 미리 지정된 수의 노드로 구성된 위원회를 통해 검증된다. 오브에 따르면 이 위원회는 수천 개의 노드 중에서 선별되므로, 네트워크상의 모든 노드가 블록 형성 과정에 참여하는 것과 동일한 수준의 보안을 유지할 수 있다고 한다.[37]
4. 지분 증명의 유형
지분 증명(PoS)은 블록체인의 보안을 유지하기 위해 검증자가 특정 수량의 블록체인 토큰을 보유하도록 요구한다. 이를 통해 악의적인 사용자가 공격을 수행하려면 많은 양의 토큰을 확보해야 하므로 공격을 방지한다.[3]
초기 PoS 구현은 고유한 취약점을 악용하는 여러 공격으로 어려움을 겪었다. 이후, "비잔틴 장애 허용 기반" 및 "체인 기반" 접근 방식이라는 두 가지 주요 설계가 등장했다. 바시르(Bashir)는 지분 증명(PoS)의 세 가지 유형을 더 식별한다.
- 위원회 기반 PoS (일명 지명 PoS, NPoS)
- 위임 지분 증명 (DPoS)
- 유동 지분 증명 (LPoS)
지분 증명은 블록체인의 다음 유효한 블록을 결정하는 방법이 필요하다. 계정 잔액에 따른 선택은 가장 부유한 구성원 1명이 지속적인 이점을 얻게 되므로 바람직하지 않은 중앙 집중화를 초래한다. 그 대신 몇 가지 다른 선택 방법이 고안되었다.
4. 1. 체인 기반 PoS
이는 본질적으로 작업 증명(PoW) 체계를 수정한 것이다. 여기서 경쟁은 가장 짧은 시간에 동일한 퍼즐을 풀기 위해 무차별 대입을 적용하는 것이 아니라, 참가자의 지분에 따라 퍼즐의 난이도를 변화시키는 것에 기반을 두고 있다. 시계가 똑딱거리면 퍼즐이 해결된다(||는 연결임).:
고가치 이해관계자는 퍼즐을 해결하는 데 필요한 계산량이 적기 때문에 과도한 하드웨어 사용을 피할 수 있다.[2]
4. 2. 지명 PoS (NPoS)
"위원회 기반"이라고도 불리는 이 방식은 검증 가능한 난수 함수를 사용하여 검증자 위원회를 선출하며, 더 높은 지분을 가진 검증자가 선출될 확률이 더 높다.[3] 그런 다음 검증자들은 무작위로 블록 생성을 번갈아 한다. NPoS는 우로보로스 프라오스와 BABE에서 사용된다.[3]4. 3. BFT 기반 PoS
비잔티움 장애 허용(BFT) 기반 지분 증명(PoS)의 "에포크"(블록체인에 블록 추가) 개요는 다음과 같다.[2]# "제안된 블록"을 가진 "제안자"가 무작위로 선택되어, 합의된 블록 하나만 선택하는 데 사용되는 임시 풀에 추가된다.
# 다른 참여자(검증자)는 풀을 얻고, 검증하고, 그중 하나에 대해 투표한다.
# BFT 합의를 사용하여 가장 많은 표를 얻은 블록을 최종 확정한다.
이 방식은 검증자의 3분의 1 이상이 부정직하지 않은 한 작동한다. BFT 방식은 텐더민트와 캐스퍼 FFG에서 사용된다.[2]
4. 4. 위임된 지분 증명 (DPoS)
위임 지분 증명(DPoS)은 2단계 과정을 거친다. 첫째, 이해관계자들은 자신의 지분에 비례하여 투표를 통해 검증 위원회(증인이라고도 함)를 선출한다.[3] 그 후 위원들은 돌아가면서 새로운 블록을 제안하고, 일반적으로 비잔틴 장애 허용(BFT) 방식으로 투표한다. DPoS는 다른 많은 지분 증명(PoS) 방식보다 검증인 수가 적기 때문에 합의가 더 빠르게 이루어질 수 있다. 이 방식은 EOS, Lisk, Tron을 포함한 여러 체인에서 사용된다.[3]4. 5. 유동적 지분 증명 (LPoS)
유동적 지분 증명(LPoS)에서는 지분을 가진 누구나 검증인이 될 수 있지만, 소규모 보유자는 정기적인 지급과 같은 혜택을 받는 대가로 대규모 참여자에게 투표권을 위임하는 것이 합리적이다. 검증인은 수수료, 평판 등 여러 요소를 두고 경쟁하는 시장을 형성한다. 토큰 보유자는 언제든지 다른 검증인으로 지원을 바꿀 수 있다. LPoS는 테조스(Tezos)에서 사용된다.[2]5. 공격 유형 및 대응
지분 증명(PoS)은 작업 증명(PoW)에 비해 적은 계산량으로 블록체인을 구성할 수 있어 효율적이지만, 이론적으로 다양한 공격에 취약할 수 있다는 단점이 있다.[41]
PoS는 검증자가 특정 수량의 암호 화폐를 보유해야 검증에 참여할 수 있도록 설계되어 있어, 공격자가 공격을 수행하려면 많은 양의 암호 화폐를 확보해야 하므로 공격 비용이 증가한다.[3] 반면, 작업 증명(PoW)은 계산 능력 검증을 통해 거래를 검증하므로, 공격자는 검증자 네트워크 계산 능력의 상당 부분을 확보해야 한다.[3] 이는 막대한 에너지 소비를 유발하지만, PoS는 에너지 효율성이 더 높다.[4]
하지만 PoS는 적은 계산량으로 인해 발생할 수 있는 고유한 취약점이 존재한다. 이러한 취약점을 악용한 공격 유형으로는 장거리 공격, 무위험 지분 공격, 뇌물 공격 등이 있다.
5. 1. 장거리 공격 (Long-range attacks)
공격자가 과거의 특정 시점부터 새로운 블록체인을 만들어 기존의 블록체인을 대체하는 공격을 장거리 공격(Long-range attacks)이라고 한다. 이 공격은 "대체 역사(Alternative History)", "대안적 역사(Alternate History)", "역사 수정(History Revision)" 등으로도 불린다. 지분 증명(PoS) 방식은 작업 증명(PoW) 방식에 비해 필요한 컴퓨팅 성능이 적기 때문에 이러한 공격에 취약하다. 작업 증명 방식에서는 방대한 계산량이 필요하기 때문에 사실상 불가능하다.블록체인 초기 단계는 이해 관계자 그룹의 규모가 작아 공모가 더 쉽기 때문에 재작성이 훨씬 용이하다. 블록 및 트랜잭션당 보상이 주어지는 경우, 악의적인 그룹은 전체 내역을 다시 작성하고 이러한 보상을 수집할 수도 있다.[22]
5. 2. 무위험 지분 공격 (Nothing at stake)
블록 생성자가 여러 블록체인에 동시에 검증 작업을 수행하여 이중지불을 시도하는 공격을 무위험 지분 공격이라고 한다. 지분 증명(PoS) 방식에서는 검증자가 상당한 컴퓨팅 자원을 소비할 필요가 없기 때문에, 모든 체인 포크를 수락하여 검증 수수료를 획득할 가능성을 높이려는 유인이 발생한다.[2] 이는 시스템의 안정성을 위협하며, 디지털 토큰을 두 번 이상 사용할 수 있는 이중 지불 문제를 야기할 수 있다.[41]이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 여러 시도가 있었다.
- 피어코인: 중앙 통신 체크포인트를 사용하여 마지막으로 알려진 체크포인트 이후의 블록체인 재구성을 방지한다.
- 이더리움: 슬래셔 프로토콜을 제안하여 이중 서명을 한 부정행위자를 처벌하려 했으나, 결국 도입되지 않았다. 대신 이더해시(Ethash)라는 작업 증명 알고리즘을 도입했고, 추후 캐스퍼(Casper)라는 지분 증명 프로토콜로 대체될 예정이다.
- 엔엑스티(Nxt): 프로토콜은 지난 720개 블록의 재구성만 허용하지만, 클라이언트가 721개 블록 포크를 따를 수 있어 여전히 문제가 존재한다.
- 하이브리드 소실 증명 및 지분 증명: 소실 증명 블록을 체크포인트로 사용하여 보안을 강화했지만, 비용이 더 비싸다.
- 디크레드(Decred): 작업 증명과 지분 증명을 결합하여 지분 증명이 이중 인증 메커니즘으로 작동하게 하여 문제를 해결하려 한다.
- 카르다노 (블록체인): [https://iohk.io/en/research/library/papers/ouroboros-genesiscomposable-proof-of-stake-blockchains-with-dynamic-availability/ Ouroboros Genesis]라는 새로운 PoS 기반 프로토콜을 제안했다.
통계 시뮬레이션에 따르면 여러 체인에서 동시에 검증 작업을 수행하는 것이 가능하며 수익을 창출할 수도 있지만, 지분 증명 지지자들은 대부분의 공격 시나리오가 이론에 불과하다고 주장한다.[41]
5. 3. 뇌물 공격 (Bribery attack)
공격자가 검증인에게 금전적 인센티브를 제공하여 블록체인 포크를 승인하게 하는 뇌물 공격은 지분 증명(PoS) 방식에서 더 효과적이다.[28] 과거에 상당한 지분을 보유했지만 현재는 그렇지 않은 이해관계자들이 공모하여 과거 어느 시점에 필요한 과반수를 확보하고, 그곳에서 대체 블록체인을 성장시킬 수 있기 때문이다. PoS 방식에서는 블록 추가에 필요한 컴퓨팅 비용이 적기 때문에 이러한 작업이 가능하다.[29]6. 비판
일부에서는 지분 증명 방식이 작업 증명 방식보다 보안성이 떨어진다고 주장한다.[12] 지분 증명 방식은 암호화폐를 많이 보유한 소수에게 권력이 집중될 수 있다는 비판도 제기된다.[13][14]
몇몇 저자들은 지분 증명이 분산화된 합의 프로토콜에 이상적인 방식이 아니라고 주장한다. 예를 들어, '위험성 제로(Nothing at stake)' 문제가 발생할 수 있는데, 이는 블록 생성자가 다수의 블록체인 히스토리에 투표함으로써 잃을 것이 없게 되고, 합의에 도달하지 못하는 결과를 가져오게 되는 시나리오이다.[41] 이는 작업 증명 시스템과 달리 여러 체인에서 작업할 때 드는 비용이 적기 때문이다.[29]
이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 많은 시도가 있었다.
- 피어코인: 지분 증명을 처음으로 도입한 암호화폐로, 중앙 통신 체크포인트를 사용했다.
- 이더리움: 슬래셔 프로토콜을 제안했지만, 결국 도입되지 않았고, 작업 증명 알고리즘인 이더해시를 도입했다. 추후 캐스퍼라는 지분 증명 프로토콜로 대체될 예정이다.
- 엔엑스티(Nxt): 지난 720개 블록의 재구성만을 허용하는 프로토콜을 사용했지만, 여전히 문제를 완전히 해결하지 못했다.
- 하이브리드 소실 증명 및 지분 증명: 소실 증명 블록을 체크포인트로 사용하여 보안성을 강화했지만, 비용이 더 비싸다.
- 디크레드(Decred): 작업 증명 및 지분 증명 하이브리드 방식을 사용하여 '위험성 제로' 문제를 해결하고자 했다.
통계 시뮬레이션에 따르면 여러 체인에서 동시에 단조 작업을 진행하는 것이 가능하며, 심지어 수익을 창출할 수도 있는 것으로 밝혀졌다. 하지만 지분 증명의 지지자들은 가장 많이 언급되는 공격 시나리오들이 절대 발생할 수 없거나 예측이 매우 힘들어 이론에 지나지 않을 뿐이라고 믿는다.[41]
7. 대한민국 현황 및 전망
대한민국은 암호화폐 투자 참여율이 높으며, PoS 기반 암호화폐에 대한 관심도 증가하고 있다. 특히 이더리움(Ethereum)의 PoS 전환 이후, 국내에서도 PoS 방식에 대한 논의가 활발하게 진행되고 있다. 더불어민주당은 PoS를 포함한 다양한 블록체인 기술을 활용하여 디지털 경제를 활성화하고, 관련 산업을 육성하는 정책을 추진하고 있다. 앞으로도 대한민국은 PoS 기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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