🇰🇷 입력 보증자와 샤딩 비교하기 (Comparing Input Endorsers with Sharding)

[CryptoVeri]

입력 보증자와 샤딩 비교하기

입력 보증자는 카르다노 네트워크의 확장성을 증가시킵니다. 샤딩은 동일한 목표를 가진 인기 있는 솔루션입니다. 이 글의 목적은, 특히 시스템의 균일한 글로벌 상태(global state)를 유지하는 것과 관련해서, 두 솔루션의 서로 다른 개념을 짚어보는 것입니다. 카르다노는 입력 보증자와 샤딩을 가질 수 있습니다. 이러한 시스템이 어떤 모습일 수 있는지 살펴보겠습니다.

보안 우선

각 블록체인은 하나의 유효한 글로벌 상태를 유지해야 합니다. 보안 관점에서 네트워크의 모든 노드는 글로벌 상태를 인지하고 이를 관찰 및 유지하기 위한 명확하게 정의된 규칙을 가지고 있어야 합니다.

글로벌 상태는 네트워크의 모든 노드가 블록체인에 저장된 데이터와 트랜잭션에 대한 공유되고 일관된 관점입니다. 모든 노드가 블록체인의 동일한 기록과 현재 상태에 동의하는지 확인합니다.

각 개별 노드가 유지하는 로컬 상태는 새로운 트랜잭션과 블록의 유효성을 검증하기 위한 전제 조건이므로 글로벌 상태와 동일해야 합니다. 글로벌 상태는 저장될 뿐만 아니라 합의에 참여하는 노드에 의해 업데이트됩니다.

글로벌 상태는 일정한 주기로 바뀝니다. 블록체인을 확장하려면 네트워크 합의를 통해 대량의 데이터에 대해 가능한 한 자주 글로벌 상태를 변경할 수 있어야 합니다. 이는 데이터 일관성과 보안이 보장되어야 하기 때문에 어려운 과제입니다. 이는 모든 참여자가 동일한 글로벌 상태를 가지고 작동할 때만 가능합니다.

1세대 합의를 사용하는 모놀리식 블록체인의 경우, 글로벌 상태 변경은 네트워크의 단일 위치에서 무작위로 추출된 단일 노드에 의해 이루어집니다. 이러한 변경은 네트워크에 확산되는 새로운 블록을 통해 이루어집니다. 따라서 다른 노드는 약간의 지연을 거쳐 변경 사항을 수락(또는 거부)합니다. 네트워크 지연 시간은 대량의 데이터로 글로벌 상태를 자주 변경하는 데 장애가 됩니다. 즉, 상태 변경 사이에 모든 노드에서 데이터 일관성을 보장해야 합니다. 즉, 상태를 변경한 후 모든 노드에서 상태가 통일될 때까지 충분히 긴 시간을 기다려야 합니다.

아래 그림에서 최상위 노드가 T 시간에 새로운 블록을 생성하고, 이 블록은 T+1 시간에 중간에 있는 노드에 도달하는 것을 볼 수 있습니다. 시간 T+2에 하단 노드에 도달합니다. 블록 이동 방향은 빨간색 화살표로 표시됩니다. 글로벌 상태는 T+2 시점에 일정합니다. 시간 T와 T+1에서 각 노드는 다른 글로벌 상태를 가졌습니다.

모놀리식 블록체인은 합의, 데이터 가용성, 실행과 같은 시스템의 모든 핵심 구성 요소를 동일한 레이어(단일 레이어)에서 처리합니다. 네트워크 합의에 참여하는 모든 노드는 트랜잭션과 블록을 공동으로 검증하는 단일 공간을 공유합니다. 글로벌 상태는 모든 노드에 저장되므로 언제든지 데이터 일관성과 완전성을 쉽게 유지할 수 있습니다.

그러나 이는 노드에 리소스(스토리지, 대역폭, 연산) 측면에서 부담을 줍니다. 모놀리식 시스템은 중앙 집중화 경향이 있으며 노드 성능 요구 사항이 더 높을 수 있습니다. 따라서 모놀리식 블록체인이 높은 확장성을 달성하는 동시에 높은 수준의 탈중앙화를 보장하기는 매우 어렵습니다. 모놀리식 블록체인은 일반적으로 높은 수준의 보안과 안정성을 제공할 수 있지만 확장성이 떨어집니다.

블록체인이 더 많은 확장이 필요해짐에 따라, 팀들은 입력 보증자와 샤딩과 같은 혁신 기술을 고안해내고 있습니다.

모놀리식이든, 입력 보증자를 사용하든, 샤딩을 사용하든, 각 시스템은 하나의 유효한 글로벌 상태를 유지해야 한다는 점을 기억해야 합니다. 이 글에서는 주로 글로벌 상태와 관련하여 확장성을 높이기 위한 다양한 접근법을 비교해보겠습니다.

블록체인 확장성을 높이기 위한 방법은 모두 네트워크 합의에 병렬화와 동시성의 요소를 도입하려고 합니다. 글로벌 상태의 일관성을 염두에 두고 개선 사항을 구현할 수 있습니다. 일관성이 없으면 보안과 신뢰성이 저하될 수 있습니다.

간단히 말해, 네트워크 합의를 통해 노드는 네트워크의 여러 위치에서 동시에 여러 작업을 수행할 수 있지만, 원장 상태(글로벌 상태)는 일관성을 유지해야 합니다. 노드는 제시간에 정확하게 동기화되어야 합니다.

합의의 복잡성이 증가하고 네트워크에서 전송되는 데이터의 양이 증가함에 따라 글로벌 상태를 유지하는 것은 어려운 과제입니다.

샤딩

샤딩된 블록체인은 네트워크를 샤드라고 하는 더 작은 노드 그룹으로 나눕니다. 샤드는 트랜잭션을 병렬로 처리할 수 있습니다. 각 샤드에는 블록체인 데이터의 자체 하위 집합과 자체 합의 프로토콜이 있습니다.

간단히 말해, 샤딩은 하나의 블록체인(노드 및 글로벌 상태 포함)을 나란히 여러 번 복사하는 것으로 생각할 수 있습니다.

아래 이미지에서 샤드화된 블록체인을 확인할 수 있습니다. 15개의 노드가 3개의 샤드로 나뉩니다. 각 샤드에서 T+1 시점에 하나의 새로운 블록이 생성됩니다. P2P 네트워크에서는 블록이 동시에 모든 통신 채널로 확산되기 때문에 더 많은 블록이 표시됩니다.

샤드 블록체인의 가장 큰 장점은 트랜잭션 검증을 위한 병렬화를 통해 높은 확장성을 확보할 수 있다는 점입니다. 트랜잭션 검증은 부분적으로 독립된 여러 노드 그룹에 분산됩니다. 이는 개별 노드의 스토리지, 대역폭, 연산 능력 요구 사항을 줄여주므로 추가적인 이점이 있습니다.

그러나 샤드화된 블록체인에서는 개별 샤드에서 유지되므로 글로벌 상태의 일관성을 유지하기가 더 어렵습니다. 각 샤드는 모든 데이터를 가지고 있지 않기 때문에 글로벌 상태에 대한 부분적인 지식만 가지고 있습니다. 글로벌 상태가 모든 샤드에서 일관되게 유지되도록 하려면 샤드 간에 동기화 메커니즘이 있어야 합니다. 이는 보안 관점에서 복잡성과 문제를 야기합니다.

샤드화된 블록체인의 노드는 모든 사용자와 자산을 인식하지 못합니다. 사용자와 자산의 분포는 샤딩 메커니즘의 구체적인 설계와 구현에 따라 달라집니다. 일반적인 원칙은 주소, 트랜잭션 기록 또는 부하 분산과 같은 몇 가지 기준에 따라 사용자와 자산이 샤드에 할당된다는 것입니다.

디앱은 또한 샤드에 분산되어 있습니다. 사용자 및 자산과 달리, 디앱은 다른 샤드의 다른 디앱 또는 자산과 상호작용해야 하는 경우 여러 샤드에 걸쳐 있을 수 있습니다.

사용자, 자산, 디앱을 배포하려면 샤드 간에 메시지를 전송하고 일관성과 원자성을 보장하는 크로스 샤드 통신이 필요합니다. 샤드화된 블록체인마다 릴레이 체인, 공증 체계, 수취 증명 등 샤드 간 통신을 처리하는 접근 방식이 다릅니다.

앨리스가 샤드 1에 있고 밥이 샤드 2에 있으며 캐롤이 샤드 3에 있다면, 각 트랜잭션은 해당 샤드의 노드에 의해서만 확인되는 다른 블록에 있을 것입니다. 그렇다면 샤드 2와 3은 앨리스의 트랜잭션에 대해 어떻게 알 수 있을까요? 샤드 2와 샤드 3에 앨리스 트랜잭션에 대해 알리는 방법에는 두 가지가 있습니다.

한 가지 방법은 릴레이 체인 또는 비콘 체인이라고 할 수 있는 글로벌 코디네이터를 사용하는 것입니다. 코디네이터는 모든 샤드를 연결합니다. 코디네이터는 주기적으로 각 샤드로부터 블록 헤더를 받아 다른 샤드에 브로드캐스트할 수 있습니다. 샤드 2와 샤드 3은 글로벌 코디네이터를 통해 샤드 1의 블록 헤더를 수신하여 앨리스 트랜잭션에 대해 알 수 있습니다.

또 다른 방법은 샤드 간의 직접 통신을 포함하는 공증 체계 또는 수취 증명을 사용하는 것입니다. 따라서 글로벌 코디네이터가 필요하지 않습니다. 샤드는 특정 트랜잭션이 실행되었거나 커밋되었음을 나타내는 메시지를 다른 샤드(들)에게 보낼 수 있습니다. 샤드 2와 샤드 3은 샤드 1로부터 메시지 또는 증명을 직접 수신하여 앨리스 트랜잭션에 대해 알 수 있습니다.

샤드가 새로운 블록을 생성할 때마다(많은 트랜잭션이 포함될 때마다) 블록 헤더가 글로벌 코디네이터에게 전송됩니다. 글로벌 코디네이터는 블록 헤더를 다른 모든 샤드에 보냅니다. 이렇게 하면 모든 샤드가 글로벌 상태에 대한 일관된 뷰를 유지할 수 있습니다. 그러나 코디네이터가 모든 샤드의 모든 블록 헤더를 처리하고 브로드캐스트해야 하기 때문에 약간의 오버헤드와 지연 시간이 발생합니다. 따라서 일부 샤드화된 블록체인은 배치, 캐싱, 샘플링 등 글로벌 코디네이터의 성능을 최적화하기 위해 다양한 기술을 사용합니다.

앨리스가 샤드 1에 있고 밥이 샤드 2에 있는 시나리오를 상상해 보겠습니다. 앨리스가 밥에게 코인 10개를 보내려고 합니다. 이 간단한 시나리오에서는 최대 8개의 크로스 샤드 메시지를 사용해 샤드 간 트랜잭션이 원자 단위로 안전하게 실행되도록 할 수 있습니다.

아래 이미지에서 앨리스와 밥이 서로 다른 두 개의 샤드에 있는 경우, 크로스 샤드 통신 중 정상적인 메시지 흐름을 확인할 수 있습니다.

현재로서는 8개의 교차 샤드 메시지를 사용하는 것이 보안과 원자성을 고려할 때 가장 좋은 솔루션입니다.

더 적은 수의 메시지로 동일한 결과를 얻을 수도 있지만 보안, 효율성, 단순성 사이에서 어느 정도 절충점을 찾아야 합니다. 예를 들어, 일부 메시지를 하나로 결합하는 방법을 시도할 수 있습니다. 그러나 이렇게 하면 각 메시지의 크기와 복잡성이 증가하고 네트워크 지연 또는 장애의 위험이 더 커질 수 있습니다. 또는 일부 메시지를 제거할 수도 있습니다. 이렇게 하면 샤드 간의 동기화 및 검증 수준이 낮아지고, 크로스 샤드 트랜잭션의 원자성과 최종성이 손상될 수 있습니다.

보시다시피, 샤드화된 블록체인의 글로벌 상태를 유지하는 것은 복잡한 작업입니다. 서로 다른 샤드 간의 조정과 동기화는 물론, 크로스 샤드 트랜잭션에 대한 일관성과 보안 보장이 필요합니다. 오버헤드의 크기는 샤딩 프로토콜, 샤드 수, 샤드 간 트랜잭션의 빈도, 네트워크 조건에 따라 달라집니다.

샤드 간 통신 오버헤드는 샤딩된 블록체인의 확장성에 영향을 미치는 요소입니다. 샤드 간 트랜잭션이 많을수록 샤드 간에 교환해야 하는 메시지와 데이터의 양이 많아져 대역폭, 스토리지, 연산 리소스를 소모하게 됩니다. 따라서 샤드 간 통신 오버헤드는 특히 샤드 수가 많거나 네트워크 상태가 좋지 않은 경우 시스템의 확장성을 제한할 수 있습니다.

모든 샤드는 로컬 합의를 유지하며 샤드 간 통신도 처리해야 합니다. 이는 리소스와 동기화 집약적인 작업입니다. 로컬 합의는 각 샤드가 자체 트랜잭션에 대한 일관되고 안전한 원장을 유지하도록 보장합니다. 트랜잭션에 여러 개의 샤드가 포함된 경우, 샤드는 트랜잭션을 실행하고 검증하기 위해 서로 통신해야 합니다. 로컬 합의와 샤드 간 통신의 조합을 통해 샤딩 블록체인은 모놀리식 블록체인에 비해 높은 확장성과 성능을 달성할 수 있습니다.

샤딩의 주된 목적은 확장성을 높이는 것이지만, 다소 역설적이게도 이 솔루션은 많은 수의 크로스 샤드 메시지에 의해 압도될 수 있습니다. 블록체인이 샤딩을 사용하여 이점을 얻으려면 병렬화의 이점이 샤드 동기화 및 샤드 간 통신과 관련된 오버헤드보다 더 커야 합니다.

이는 특정 구현과 사용자의 네트워크 사용 방식에 따라 달라집니다. 사용자 수가 증가할수록, 특히 샤드 간 통신의 필요성이 높아질수록 오버헤드가 증가하여 개별 샤드에서 트랜잭션을 처리할 때 병렬화의 효율성이 떨어질 수 있습니다.

시스템에 샤드가 많을수록 사용자, 자산, 애플리케이션이 더 많이 분산됩니다. 높은 분산은 샤드 간 통신의 필요성을 증가시키기 때문에 바람직하지 않지만, 샤드화된 블록체인은 원칙적으로 이를 피할 수 없습니다.

샤드의 수는 무한대로 늘어날 수 없습니다. 이상적인 샤드 수는 현재 샤드 수의 활용도와 샤딩 프로토콜의 보안, 효율성, 복잡성, 사용자가 시스템을 사용하고자 하는 방식과 같은 다른 요소에 따라 달라집니다. 그러나 이는 미리 예측할 수 없습니다.

입력 보증자

입력 보증자는 사용자, 자산, 디앱을 하나의 레이어에 보관합니다. 합의는 병렬화와 동시성의 요소를 사용하지만 단일 글로벌 상태(하나의 원장 버전)를 유지합니다. 따라서 사용자, 자산, 디앱을 여러 개의 개별 그룹으로 나눌 필요가 없습니다.

입력 보증자 기능의 주요 목적은 트랜잭션 선택과 블록 생성을 분리하는 것입니다. 이를 위해 세 가지 블록이 사용됩니다. 입력 블록(IB), 보증 블록(EB), 랭킹 블록(RB)이 그것입니다.

랭킹 블록은 통일된 글로벌 상태를 유지하는 역할을 하며, 입력 블록과 보증 블록은 트랜잭션을 선택하고 검증하는 역할을 하며, 이 두 블록은 통일된 상태를 유지하기 위해 동시에 진행됩니다.

모든 블록 유형은 카르다노 네트워크에서 병렬로 생성되지만 발행 빈도는 다릅니다. 랭킹 블록은 블록체인의 선형성을 보장하기 때문에 합의 블록으로 볼 수 있습니다. 랭킹 블록은 (페이로드를 포함하는) 입력 블록을 참조하는 보증 블록의 데이터에 대한 합의를 형성합니다. 두 개의 랭킹 블록이 생성되는 사이에 많은 보증 블록과 입력 블록이 생성됩니다. 모놀리식 블록체인의 경우보다 더 많은 양의 데이터에 대해 합의가 이루어집니다.

그림에서 입력 보증자를 사용하는 카르다노 네트워크에서 블록이 생성되는 과정을 볼 수 있습니다. 매초마다 새로운 블록이 생성됩니다(같은 초에 여러 블록이 동시에 생성될 수 있음).

입력 블록은 보증 블록에 의해 참조됩니다. 보증 블록은 랭킹 블록에 의해 참조됩니다. 모든 블록 유형 사이에는 동기화 메커니즘 역할을 하는 명확하게 정의된 링크가 있습니다. 이는 정보가 블록의 확산을 통해 네트워크에서 전파되기 때문에 중요합니다. 모든 노드가 한 공간에 있기 때문에 샤딩의 경우처럼 다른 메시징 메커니즘을 도입할 필요가 없습니다.

아래 이미지에서 모든 블록 유형 간의 관계를 확인할 수 있습니다. 검은색 화살표는 입력 블록과 보증 블록 간의 참조, 그리고 랭킹 블록과 보증 블록 간의 참조를 나타냅니다. 빨간색 화살표는 현재 원장 상태, 즉 랭킹 블록에 대한 입력 블록의 참조를 나타냅니다. 입력 블록은 최근 랭킹 블록으로 표시되는 현재 글로벌 상태를 기준으로 생성됩니다. 파란색 화살표는 블록체인의 선형성, 즉 새로운 랭킹 블록이 이전 랭킹 블록을 따라야 할 때 랭킹 블록 간의 관계를 나타냅니다. 시간이 지남에 따라 모든 트랜잭션은 입력 블록을 통해 원장에 입력됩니다. 이미지에서 보증 블록 뒤에 있는 파란색 직사각형은 보증 인증서를 나타냅니다.

앨리스의 트랜잭션에 대한 정보는 입력 블록에서 랭킹 블록으로 점진적으로 전달됩니다. 입력 블록과 보증 블록에서는 트랜잭션이 준비되고 있을 뿐입니다. 네트워크 합의는 새로운 랭킹 블록을 블록체인에 추가하고, 이후 네트워크의 나머지 노드가 이 블록을 수락(또는 거부)하는 과정을 통해 이루어집니다. 새로운 랭킹 블록을 채굴하는 노드는 가장 유리한 보증 블록 세트를 선택함으로써 트랜잭션 간의 충돌을 해결할 수 있습니다.

아래 그림에서 앨리스의 트랜잭션이 입력 블록에서 보증 블록으로, 그리고 이를 통해 랭킹 블록으로 이동하는 과정을 확인할 수 있습니다. 트랜잭션의 이동은 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다.

샤딩과 달리, 입력 보증자는 앨리스와 밥 사이의 트랜잭션을 전송할 때 모놀리식 블록체인의 역할을 합니다. 더 복잡한 것은 앨리스의 트랜잭션에 대한 정보의 분배입니다. 앨리스의 트랜잭션은 다른 많은 트랜잭션과 함께 순위 블록을 통해 블록체인에 포함되기 전에 많은 노드의 검증을 받습니다.

입력 블록은 기본적으로 0.2~2초마다 지속적으로 생성(스트리밍)될 수 있습니다(빈도는 프로토콜 파라미터에 의해 설정됨). 즉, 20초마다 하나의 블록을 생성하는 대신 같은 시간 동안 10~100개의 입력 블록을 생성할 수 있습니다. 입력 블록뿐만 아니라 보증 블록도 랭킹 블록을 통해 블록체인 기록의 일부가 되기 전에 동시에 검증할 수 있습니다.

입력 보증자는 단일 공간 내에서 확장성을 높여줍니다. 네트워크는 단일 글로벌 상태를 유지하므로 샤딩처럼 하위 글로벌 상태를 동기화할 필요가 없습니다.

결론

현재 모놀리식 블록체인 네트워크의 확장성이 30 TPS인 경우, 샤딩은 이 네트워크의 확장성을 높이는 것이 아니라 네트워크의 여러 복사본을 생성하여 샤드(다중 레이어)를 생성합니다. 각 샤드에는 네트워크의 일부 사용자, 자산 및 애플리케이션에 대한 자체 합의와 로컬 상태가 있습니다. 네트워크의 글로벌 상태를 유지하는 것이 필요하며, 이는 로컬 상태의 동기화를 통해 이루어집니다. 두 참가자가 서로 통신하고 각각 다른 샤드에 있는 경우, 간단한 트랜잭션의 경우 최대 8개의 교차 샤드 메시지를 사용해야 합니다. 이는 비교적 큰 오버헤드입니다.

입력 보증자는 블록체인의 확장성을 높이는 솔루션입니다. 모든 사용자, 자산, 애플리케이션에 공통으로 적용되는 하나의 글로벌 상태가 유지됩니다. 시스템에는 병렬성과 동시성이라는 요소가 있지만, 네트워크에서 세 가지 유형의 블록이 확산되면서 동기화가 자연스럽게 발생합니다. 두 참여자 간의 상호작용은 모두 단일 레이어에 있기 때문에 단일 트랜잭션으로 충분합니다.

카르다노는 이론적으로 샤딩과 입력 보증자를 모두 가질 수 있습니다. 각 샤드에는 입력 보증자 개선에 의해 지원되는 합의가 있을 수 있습니다. 따라서 여러 레이어와 글로벌 코디네이터가 있을 수 있습니다(또는 코디네이터가 없는 솔루션이 사용될 수 있습니다). 로컬 상태의 동기화는 랭킹 블록 수준에서 이루어집니다. 아래 이미지와 같이 보일 수 있습니다.

그러나 현재로서는 카르다노에 입력 보증자가 없으며, 이 시스템이 구현되기까지 시간이 걸릴 것이기 때문에 이는 먼 이론일 뿐입니다. 입력 승인자가 중기적으로는 충분한 해결책이 될 수 있습니다. 그러나 블록체인 네트워크가 현재의 금융 시스템을 파괴하려면 현재의 금융 시스템만큼 확장되어야 하므로 추가적인 개선이 고려되어야 할 것입니다. 많은 팀이 제2의 레이어를 모색하고 있지만, 제2의 레이어가 안정적으로 작동하기 위해서는 제1의 레이어가 잘 확장되어야 합니다. 미래가 우리에게 어떤 결과를 가져올지 지켜보겠습니다.

* Source: https://cexplorer.io/article/comparing-input-endorsers-with-sharding
* Translation: Ilhun@CryptoVeri enics_sky@naver.com