🇰🇷입력 보증자 이해하기 (Understanding Input Endorsers)

[CryptoVeri]

입력 보증자 이해하기

이 글에서는 블록체인의 1세대 합의 알고리즘이 확장성이 낮은 이유와 비효율성의 주요 원인이 무엇인지 설명하겠습니다. 다음으로, 입력 보증자가 블록체인의 선형성을 유지하면서 합의에 병렬성과 동시성 요소를 통합하는 방법을 살펴보겠습니다.

자원의 효율적 사용

카르다노 분산 네트워크는 네트워크에 컴퓨팅 리소스를 제공하는 노드로 구성됩니다. 그러나 이러한 리소스는 1세대 블록체인과 함께 제공된 알고리즘을 기반으로 하기 때문에 현재 버전의 지분 증명(PoS) 합의에서는 효과적으로 사용되지 않습니다.

카르다노 네트워크는 평균 20초마다 블록을 생성합니다. 이 기간 동안 매번 한 명의 블록 생성자가 무작위로 추첨되어 새로운 블록을 생성합니다. 다른 노드는 모두 블록 검증자입니다. 블록 검증에는 약 50~100밀리초가 소요됩니다.

이 알고리즘은 많은 연산 능력과 네트워크 대역폭을 낭비하는 것으로 볼 수 있습니다. 이로 인해 노드가 블록을 생성하거나 검증하는 짧은 시간을 제외하고는 대부분의 시간 동안 노드의 CPU가 유휴 상태가 됩니다. 사용 가능한 네트워크 리소스를 ‘스파이크’ 방식으로 사용하면 리소스를 제대로 활용하지 못하게 됩니다.

설명에서 슬롯 배틀(한 기간에 여러 블록이 생성됨)과 트랜잭션 확산을 해결하는 데 필요한 리소스를 무시했습니다.

1세대 블록체인 네트워크는 유효한 트랜잭션을 멤풀(mem-pool)에 저장합니다. 한 기간당 한 번 무작위로 추첨된 블록 생성자는 제한된 양의 트랜잭션만 가져와 블록에 넣을 수 있습니다. 블록 크기는 제한되어 있으므로 사용 가능한 모든 트랜잭션을 담지 못할 수도 있습니다. 트랜잭션이 멤풀에 남기 시작하면 사용자는 더 오랜 시간 동안 결제를 기다려야 합니다.

블록 크기가 클수록 네트워크에서 확산되는 시간이 길어집니다. 블록이 네트워크의 모든 노드에 최대한 빨리 도달해야 새 블록의 조상이 될 수 있습니다.

간단히 말해, 이 단순한 합의 알고리즘을 통해 블록체인의 확장성은 블록 생성 빈도와 크기에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 카르다노의 경우 20초마다 90KB, 비트코인의 경우 10분마다 1MB가 생성됩니다.

아래 이미지에서 시간을 슬롯(초)으로 나눈 것을 확인할 수 있습니다. 카르다노 네트워크에서는 평균 20초마다 1개의 새로운 블록이 생성됩니다. 노드는 대부분의 시간 동안 유휴 상태입니다(빈 슬롯은 유휴 노드를 나타냅니다).

네트워크 리소스는 병렬 방식으로 사용할 수 있지만 위에서 설명한 알고리즘은 순차적입니다. 병렬 시스템에서 순차적 알고리즘을 사용하면 리소스를 비효율적으로 사용할 수밖에 없습니다.

블록체인은 새로 추가되는 블록이 이전 블록을 기반으로 구축되기 때문에 선형적입니다. 이는 검증 과정에서 데이터 종속성(특히 트랜잭션)도 선형적이라는 사실에 따른 결과입니다. 예를 들어 설명해 보겠습니다.

트랜잭션 1에서 주소 A의 자금(UTxO)이 주소 B로 이동(즉, 사용)되면, 잠시 후 트랜잭션 2에서 동일한 자금이 주소 A에서 주소 C로 이동하는 것은 불가능합니다. 거래 1 또는 거래 2 중 하나만 원장에 입력해야 하며 둘 다 입력해서는 안 됩니다. 이 경우 새로운 자금이 무에서 유를 창조하게 됩니다.

분산 네트워크는 탈중앙화된 방식으로 이중지불 공격(자금을 두 번 지출하려는 시도)을 방지해야 합니다. 이는 현재 많은 블록체인 네트워크가 위에서 설명한 순차적 알고리즘을 통해 구현하고 있습니다. 비효율성은 사용자가 네트워크를 병렬로 사용할 때, 즉 트랜잭션(및 기타 데이터)이 네트워크에 지속적으로 병렬로 표시된다는 사실에서 비롯됩니다.

블록체인의 확장성이 낮은 주된 이유는 네트워크에서 순차 알고리즘을 사용하기 때문에 사용자에 의해 데이터가 병렬로 생성되고 상대적으로 많은 양이 생성되기 때문입니다(채택률이 높을수록 데이터의 양이 증가할 것으로 예상됨). 순차성은 블록 생성에만 적용됩니다. 새로운 블록의 검증은 병렬로 진행될 수 있습니다.

분산 네트워크는 사용자(데이터 생성자)의 관점에서도 병렬 시스템으로 인식될 수 있지만, 서로 독립적으로 어느 정도 상호 합의에 도달할 수 있는 노드(데이터 생성자)의 관점에서도 병렬 시스템으로 인식될 수 있습니다. 즉, 통일된 글로벌 상태를 달성하기 위해서는 일정량의 데이터에 대한 동기화 및 통신이 필요합니다. 합의가 형성되는 데이터의 양을 늘리면 확장성도 높아집니다.

카르다노는 UTxO 기반 회계 모델을 사용합니다. UTxO 원장의 트랜잭션은 모든 입력과 출력을 미리 명시적으로 식별하며, 이러한 종속성은 완전합니다. 서로 충돌하는 트랜잭션을 찾는 것은 간단합니다. 블록에서 충돌하지 않는 트랜잭션은 검증 결과에 관계없이 다른 순서로 또는 병렬로 검증하는 등 순서를 변경할 수 있습니다. 동시성과 병렬화를 사용하여 원장에 있는 데이터의 정확성을 동시에 보장하는 방식으로 증명 가능한 보안 알고리즘을 만드는 것은 비교적 쉽습니다.

따라서 트랜잭션을 동시에 처리하는 분산 병렬 알고리즘을 만들 수 있습니다. 이는 사용자가 트랜잭션을 네트워크에 전송하는 순간부터 트랜잭션을 처리하고 블록체인을 구축할 수 있다는 것을 의미합니다.

그러나 트랜잭션 종속성으로 인해 원장에 일정한 선형성을 유지해야 합니다. 블록체인의 구조가 선형성을 유지해야 하기 때문에 알고리즘은 부분적으로 순차성을 유지해야 합니다(이중 지불 공격에 대한 보호).

입력 보증자는 병렬 데이터 검증을 가능하게 하는 새로운 분산 알고리즘을 제공합니다. 하지만 현재의 알고리즘으로도 이미 이 기능을 수행할 수 있습니다. 또한 입력 보증자 기능은 블록체인 구조가 더 높은 수준에서 선형성을 유지하면서 낮은 수준에서 동시에 개발할 수 있게 해줍니다. 블록체인 구조의 동시성 정도는 트랜잭션 종속성에 의해 제한됩니다.

입력 보증자 알고리즘은 네트워크가 여러 유형의 블록을 사용하여 트랜잭션 처리에서 병렬성과 동시성을 모두 달성할 수 있도록 합니다. 병렬성은 여러 작업이 동시에 실행될 수 있다는 것을 의미하며, 동시성은 여러 작업이 겹치는 시간 동안 진행될 수 있다는 것을 의미합니다.

입력 보증자 기능은 여러 트랜잭션을 서로 다른 노드에서 동시에 검증하고 보증(추후 설명 예정)할 수 있게 함으로써 병렬성을 가능하게 합니다. 또한 각 슬롯에서 여러 블록이 생성되고 전파될 수 있도록 하여 동시성을 가능하게 합니다. 랭킹 블록과 보증 블록(나중에 설명)과 같은 다양한 유형의 블록을 여러 노드에서 동시에 생성한 다음 블록 생산자에게 전송하여 원장에 포함시킬 수 있습니다. 이를 통해 강력한 보안 속성을 유지하면서 카르다노 네트워크의 처리량과 성능을 높일 수 있습니다.

알고리즘을 변경하는 것, 즉 병렬화와 동시성을 사용하는 것이 블록체인의 확장성을 높일 수 있는 유일한 옵션입니다. 블록 생성 빈도를 줄이거나 블록 크기를 늘리는 방식으로 확장성을 높이는 것은 불가능하며, 이는 곧 한계(특히 현재 인터넷의 성능)에 부딪히게 될 것이기 때문입니다. 물론 부분적인 조정은 가능하지만, 모든 네트워크 속성이 품질에 미치는 영향을 항상 신중하게 고려해야 합니다. 또한 이러한 조정은 알고리즘을 변경하는 것에 비해 확장성을 약간만 향상시킬 수 있습니다.

알고리즘을 변경하면 카르다노 네트워크에 이미 사용 가능한 리소스(1200개의 활성 풀)를 더 잘 활용할 수 있습니다. 리소스를 더 효율적으로 사용하면 확장성이 높아집니다.

입력 보증자 기능은 세 가지 유형의 블록을 사용

입력 보증자 기능은 세 가지 유형의 블록을 사용합니다: 입력 블록(IB), 보증 블록(EB), 랭킹 블록(RB)입니다. 카르다노 네트워크에서 블록 채굴은 무작위 프로세스이므로, 일부 블록 유형이 한 슬롯에서 동시에 채굴될 수 있습니다. 각 블록 유형마다 발행 빈도가 다르게 설정됩니다.

대부분의 경우 입력 블록은 0.2초에서 2초 사이의 범위에서 생성됩니다. 보증 블록은 5~10초마다 생성될 수 있습니다. 랭킹 블록은 현재 블록과 유사한 기능을 가지며 15초에서 30초 사이에 생성됩니다. 정확한 발행 빈도는 현재 알려지지 않았으며 필요에 따라 조정될 것입니다. 초기에는 보수적으로 설정될 것으로 예상할 수 있습니다.

아래 이미지에서 모든 블록 유형에 대해 가능한 발행 빈도를 확인할 수 있습니다. 입력 블록(IB)은 매초마다 발행됩니다. 보증 블록(EB)은 5초에 한 번씩 발행됩니다. 랭킹 블록(RB)은 20초에 한 번씩 발행됩니다.

무작위로 뽑힌 노드는 주어진 슬롯에 입력 블록을 생성할 수 있습니다. 노드는 멤풀(mem-pool)에서 트랜잭션 시퀀스를 가져옵니다. 이러한 트랜잭션은 현재 상태, 즉 최근 랭킹 블록과 관련하여 유효해야 합니다(노드 관점에서 볼 때 마지막 블록이어야 함). 아래에서 설명하겠지만, 랭킹 블록은 블록체인의 선형성을 보장합니다. 입력 블록은 원장의 현재 상태, 즉 마지막 랭킹 블록을 기준으로 생성됩니다.

입력 블록은 마지막(또는 최근) 랭킹 블록을 참조합니다. 원장에 있는 데이터의 정확성이라는 관점에서 볼 때, 입력 블록에서 새로운 트랜잭션을 추가할 수 있어야 합니다.

입력 블록의 목적은 블록체인 페이로드, 즉 주로 트랜잭션과 인증서를 전달하는 것입니다. 각 입력 블록에는 트랜잭션 시퀀스 외에도 최근 랭킹 블록에 대한 참조도 포함됩니다. 이 참조는 입력 블록의 트랜잭션 유효성을 검사하는 데 사용할 원장 상태를 명시하기 위해 포함됩니다. 입력 블록 내의 트랜잭션은 서로 의존할 수 있습니다.

아래 그림에서 입력 블록은 마지막 랭킹 블록을 기준으로 생성되는 것을 볼 수 있습니다.

트랜잭션이 입력 블록에 맞는다면 네트워크의 한 노드는 매초마다 멤풀 전체를 비울 수 있습니다. 멤풀을 비우는 빈도는 1세대 합의 알고리즘보다 훨씬 빠릅니다.

노드가 새로운 입력 블록을 생성하면 이를 네트워크에 다른 노드로 전송합니다.

네트워크의 다른 노드는 입력 블록을 받자마자 이를 검증할 수 있습니다(트랜잭션, 블록 생성자의 서명, VRF 증명 등). 검증은 입력 블록을 참조하는 동일한 랭킹 블록이어야 하는 현재 상태 원장을 기준으로 이루어집니다.

입력 블록은 네트워크에서 가장 자주 생성되므로(초당 최대 5번까지 생성될 수 있음) 서로 독립적입니다. 즉, 노드는 서로 독립적으로 블록의 유효성을 검증할 수 있습니다.

노드는 무작위로 추첨되어 보증 블록을 생성할 수 있습니다. 보증 블록의 목적은 입력 블록의 존재와 유효성에 대한 네트워크 내 합의 속도를 높이는 것입니다.

보증자 노드는 유효하고 다른 보증 블록에 아직 포함되지 않은 모든 최근 입력 블록을 참조하여 새로운 보증 블록을 생성합니다. 보증자 노드는 때때로 다른 보증 블록이 아직 랭킹 블록에서 참조되지 않은 경우 다른 보증 블록을 참조할 수도 있습니다. 참조가 가능하려면 두 보증 블록이 서로 호환되어야 합니다.

예를 들어 설명해 보겠습니다. 시간 T에 입력 블록 IB-1을 참조하는 보증 블록 EB-1이 생성됩니다. T+1 시점에 입력 블록 IB-2를 참조하는 또 다른 보증 블록 EB-2가 생성됩니다. IB-1과 IB-2는 모두 상충되는 거래가 없으므로 EB-2는 EB-1을 부모 블록으로 참조할 수 있습니다. 이렇게 하면 EB-2가 EB-1의 하위 블록이 되고 EB-1과 EB-2는 서로 호환됩니다. 이를 통해 각 분기가 다음 랭킹 블록을 통해 원장에 포함될 수 있는 서로 다른 트랜잭션 세트를 나타내는 트리와 같은 구조의 보증 블록을 생성할 수 있습니다.

아래 이미지에서 여러 입력 블록을 참조하는 3개의 보증 블록을 볼 수 있습니다. 마지막 보증 블록은 이전 보증 블록을 참조하기도 합니다.

입력 블록과 마찬가지로 보증 블록은 다른 블록과 동일한 방식으로 네트워크에 배포되어 블록을 검증하는 노드에 도달합니다.

다른 노드는 보증 블록을 무작위로 추첨하여 보증 보고서를 발행할 수 있으므로 보증 블록을 저장합니다. 보증 보고서는 보증 블록이 생성된 후 특정 슬롯 수(네트워크 매개변수) 내에 발행되어야 합니다. 노드가 리포터로 뽑히면 모든 입력 블록(그리고 해당되는 경우 참조된 보증 블록)의 유효성을 검증해야 합니다. 블록이 정상인 경우 노드는 서명된 보증 보고서를 발행합니다.

최신 보증 블록을 보유하는 것은 보증 블록에 대한 보증 보고서를 발행하기 위한 전제 조건입니다. 이 보고서는 보증 블록이 참조하는 모든 입력 블록이 실제로 존재하고 유효함을 나타냅니다.

보증 보고서의 목적은 필요한 지분량과 참조된 보증 블록인 입력 블록 묶음의 존재 및 유효성에 대한 합의를 입증하는 것입니다. 집계된 형태로, 보증 보고서 묶음을 보증 인증서라고 합니다.

아래 그림에서 참조된 모든 입력 블록을 포함하여 보증 블록의 유효성을 검증하고 보증 보고서를 발행하는 무작위로 뽑힌 노드를 볼 수 있습니다.

특정 보증 블록에 대해 충분한 수만큼 보증 보고서가 생성되면 이를 보증 인증서로 간주할 수 있습니다.

아래 이미지에서는 충분한 수의 보증 보고서를 받은 무작위로 선택된 노드를 볼 수 있는데, 이 노드는 기본적으로 보증 블록에 대한 보증 인증서를 가지고 있습니다. 이는 또한 노드가 랭킹 블록에 보증 블록을 포함할 수 있음을 의미합니다.

확장성의 관점에서 볼 때, 서로 다른 노드에서 서로 다른 보증 블록을 동시에 발행할 수 있으며, 동일한 입력 블록을 여러 개 참조할 수 있다는 점을 아는 것이 중요합니다.

마지막으로 네트워크 합의의 기반이 되는 랭킹 블록에 대해 알아보겠습니다. 무작위로 뽑힌 노드는 이전 랭킹 블록에서 아직 사용되지 않은 최근 랭킹 블록에 대한 보증 인증서를 가지고 있는 경우 이를 새로운 랭킹 블록에 삽입합니다.

노드에 사용 가능한 보증 블록이 있지만 충분한 보증 보고서가 발행되지 않아 아직 보증 인증서가 없는 경우가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 노드가 생성하는 현재 랭킹 블록에 보증 블록이 들어가지 않습니다. 이 보증 블록은 다음 랭킹 블록(다른 노드에 의해 생성될)에 포함될 가능성이 매우 높기 때문에 상관없습니다.

아래 이미지에서 새로운 랭킹 블록을 생성하는 노드를 볼 수 있습니다. 노드에는 3개의 보증 블록을 사용할 수 있지만 보증 인증서는 2개만 있습니다. 따라서 EB 3은 랭킹 블록에서 참조되지 않습니다.

이미 설명했듯이, 보증 블록은 서로를 참조할 수 있습니다. 일련의 보증 블록이 랭킹 블록에 포함될 때, 체인의 마지막 보증 블록만 보증 인증서와 함께 포함하면 됩니다. 이유는 간단합니다. 이전 보증 블록을 참조하는 보증 블록에 대한 보증 인증서는 암시적으로 이전 보증 블록을 포함합니다.

새로운 랭킹 블록은 이전 랭킹 블록을 참조해야 합니다. 유효한 이전 랭킹 블록을 참조하고 해당 유효한 보증 인증서가 있는 보증 블록에 대한 참조를 포함하는 경우 랭킹 블록은 유효한 것으로 간주됩니다. 랭킹 블록은 하나 이상의 보증 블록을 참조할 수 있습니다.

노드가 모든 보증 블록과 참조된 입력 블록을 사용할 수 없더라도 새로운 원장 상태를 즉시 받아들일 수 있습니다. 원장 상태의 구성(모든 블록의 다운로드)이 상태 수락보다 약간 지연될 수 있습니다.

아래 이미지에서 모든 블록 유형 간의 관계를 확인할 수 있습니다. 검은색 화살표는 IB와 EB 간, 그리고 RB와 EB 간 참조를 나타냅니다. 빨간색 화살표는 현재 원장 상태, 즉 RB에 대한 IB의 참조를 나타냅니다. 파란색 화살표는 블록체인의 선형성, 즉 새로운 RB가 이전 RB를 따라야 할 때 RB 간의 관계를 나타냅니다. 시간이 지남에 따라 모든 트랜잭션은 IB를 통해 원장에 입력됩니다. 이미지에서 EB 뒤의 파란색 직사각형은 보증 인증서를 나타냅니다.

트랜잭션 선택과 블록 생성을 분리하기

입력 보증자 기능의 주요 목적은 트랜잭션 선택과 블록 생성을 분리하는 것입니다.

1세대 알고리즘에서는 한 노드가 자신의 멤풀에서 유효한 트랜잭션을 선택하여 새로운 후보 블록에 삽입하는 두 가지 작업을 모두 수행했습니다. 이는 본질적으로 한 라운드(한 기간)에 한 노드만 참여하는 순차적인 프로세스입니다. 이후 다른 노드에 의한 후보 블록의 검증은 병렬적으로 진행됩니다.

아래 이미지에서 로컬 멤풀의 모든 트랜잭션이 포함된 새 블록이 생성되는 것을 볼 수 있습니다.

새로운 블록(랭킹 블록) 준비를 병렬화할 수 있을까요?

네. 입력 보증자 알고리즘을 사용하면 네트워크의 더 많은 노드가 동시에 참여할 수 있기 때문에 트랜잭션 선택 단계에서 더 많은 수의 트랜잭션을 준비할 수 있습니다. 보증자는 트랜잭션을 검증하고 사전 승인하여 랭킹 블록 생성자의 연산 부하와 대역폭 요구 사항을 줄이고 트랜잭션 풀의 다양성과 가용성을 높이는 데 도움을 줍니다. 또한, 누구나 확인할 수 있는 보증 증명을 제공함으로써 아직 체인에 포함되지 않은 트랜잭션을 더 빠르게 확정할 수 있습니다.

랭킹 블록은 블록체인의 전통적인 선형성을 보장하고 네트워크에서 합의를 달성하는 데 사용되지만, 트랜잭션을 포함하는 대신 보증 블록에 대한 참조를 포함합니다. 입력 블록과 보증 블록은 트랜잭션의 병렬 및 동시 처리를 가능하게 합니다.

아래 그림에서 네트워크 합의 관점에서 다양한 유형의 블록이 수행하는 작업의 배분을 확인할 수 있습니다. 블록 생성 섹션의 블록 생성 빈도는 이전 그림과 동일하지만, 트랜잭션 선택 섹션에서 더 많은 활동이 이루어지고 있음을 알 수 있습니다.

합의는 여전히 우로보로스 프로토콜 규칙을 따르는 최상의 블록 체인을 선택하는 것입니다. 입력 보증자는 실제로 유효하고 원장 상태와 일치하는 트랜잭션만 보증합니다. 랭킹 블록 생성자는 이러한 보증을 받은 트랜잭션을 가져와서 자신이 생성하는 블록에 포함합니다. 합의는 더 많은 수의 트랜잭션에 대해 이루어지며, 이미 사전 승인을 받았기 때문에 랭킹 블록에는 서로 호환되는 일련의 보증 블록에 대한 참조만 포함됩니다.

입력 보증자(IE 노드)는 트랜잭션을 선형적인 블록 시퀀스로 정렬할 책임이 없으며, 트랜잭션의 유효성을 검사하고 보증하는 역할만 수행한다는 점에 유의하시기 바랍니다. 보증된 트랜잭션은 가십 프로토콜(gossip protocol)을 사용하여 보증된 블록으로 네트워크를 통해 전파됩니다.

확장성 개선

가장 중요한 점은 입력 블록이 기본적으로 지속적으로(0.2~2초마다) 생성(스트리밍)될 수 있다는 것입니다. 즉, 20초마다 하나의 데이터 블록을 생성하는 것이 아니라 같은 시간 동안 10~100개의 입력 블록을 생성할 수 있습니다. 입력 블록 생성 빈도가 높다고 해서 네트워크 합의에 방해가 되지는 않습니다.

데이터 처리량의 관점에서 볼 때, 입력 블록의 크기가 현재 카르다노 블록과 동일한 경우 확장성은 약 10배에서 100배까지 향상될 수 있습니다. 카르다노는 20초 이내에 3,000건에서 30,000건의 트랜잭션을 처리할 수 있습니다. 간단한 (소규모) 트랜잭션만 고려한다면 TPS는 150에서 1500이 될 수 있습니다.

입력 블록을 늘리는 것은 확장성 향상에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 입력 블록의 크기를 늘리면 네트워크에서 블록이 확산되는 속도가 근본적으로 느려질 수 있습니다. 따라서 입력 블록의 크기와 생성 빈도의 균형을 최대한 맞추는 것이 중요합니다. 이는 합의, 즉 랭킹 블록과 크게 분리되어 있기 때문에 비교적 환영할 만한 문제입니다. 인터넷의 기능이 향상됨에 따라 카르다노의 확장성 또한 증가할 수 있습니다.

보증 보고서는 기본적으로 많은 지분이 보증 블록의 내용(입력 블록을 참조하는)에 동의한다는 것을 의미하므로 트랜잭션의 최종성도 향상될 것입니다. 랭킹 블록은 고아가 될 수 있지만, 트랜잭션이 보증 블록에서 참조할 입력 블록에 삽입되는 즉시 해당 트랜잭션이 블록체인에 기록될 확률이 상대적으로 높습니다.

결론

이 글은 입력 보증자의 기본 개념을 설명하기 위한 것이었기 때문에 일부 에지 케이스와 중요한 설계 포인트에 대한 설명이 부족할 수 있습니다. 이 부분은 다음 기회에 다루도록 하겠습니다.

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