[Consensus] "지분증명방식" 개론 // Introduction to Proof of Stake plus PoW v1.5

지분증명방식(Proof of Stake)이란 무엇인가

□ 지분증명방식이란

  ㅇ 개념 
    - 공개형* 블록체인이면서 무허가성 네트워크**에서는 '블록선택'과 '체인선택'을 하기 위하여 합의알고리듬이 매우 중요하며, 그 중 '블록선택'에 있어 대표적인 합의방식이 지분증명방식(Proof of Stake, 이하 PoS)이다.
     * 블록체인상 공개형(Public)과 폐쇄형(Private) 차이는 '어떤 자가 블록체인을 조회(read)할수있는가'에 대한 문제로, 누구든 블록체인을 조회할수 있으면 공개형, 제한된 자들만 블록체인을 조회할수 있으면 폐쇄형이다.
     ** 블록체인상 무허가성(Permissionless)과 허가성(Permissioned)의 차이는 '어떤 자가 블록체인(합의)에 참여(write)할수 있는가'에 대한 문제로, 누구든 블록체인(합의)에 참여할수 있으면 무허가성, 허가된 자들만 블록체인(합의)에 참여할수 있으면 허가성이다.

  ※ 합의알고리듬 구성 요인
    1) 누구에게 블록생성 권한을 줄것인가(블록선택규칙)
    2) 체인포크시 어떤 체인을 선택할것인가(체인선택규칙)
    - 예를들어,비트코인은,
      i. 가장 빨리 '작업'(채굴)을 '증명'하는(캐는) 자에게 블록생성 권한을 주고(→작업증명방식, 이하 PoW),
      ii. 체인포크시 블록 난이도 합이 가장 높은(체인길이가 가장 긴) 체인이 메인체인으로 선택된다(→나카모토 컨센서스)
    - 반면, 이더리움의 Casper FFG 등 일부 PoS에서는,
      i. '지분'을 갖고 있고 그 지분의 일부 또는 전부를 보증금으로 '증명'(예치)한 자에게 투표 및 승인 권한을 주고(→PoS),  ,
      ii. 체인포크시 가장 많은 투표(예치금)이 모인 체인이 메인체인으로 선택된다.

  ㅇ PoS 종류
    1) 체인기반 지분증명방식(Chain-based PoS) : 일정 주기마다 랜덤변수를 통해 검증인을 선정하여 블록을 생성시키며(블록선택규칙), 그 검증자는 반드시 분기된 여러 체인의 블록들 중 하나를 선택해야하는데 보통 가장 긴 체인의 마지막 블록을 선택한다(체인선택규칙).
    2) 비잔틴장애허용 타입 지분증명방식(BFT-style PoS) : 매 라운드마다 검증인들 중에서 특정 알고리듬에 의해 블록생성권한을 얻은 검증인이(블록선택규칙), 여러 체인의 블록들 중 한 블록을 다음정상블록으로 제안하고 2/3을 초과하는 검증인들의 투표로 그 제안블록을 인정하면 확정되는데, 체인 길이와 블록 사이즈와는 무관하게 무조건 많은 투표를 많이 받은 블록이 정규블록이 되며, 그 정규블록의 체인이 메인체인이 된다(체인선택규칙)
    3) 하이브리드 지분증명방식(Hybrid PoW-PoS) : 필요에 따라 PoW와 PoS를 혼용하며, 이더리움 캐스퍼FFG의 경우, PoW에 의해 가장 빨리 채굴하는 자가 블록생성권한이 생기고(블록선택규칙), PoS에 의해 매 100블록(1에포크)마다 체크포인트를 두어 이전 체크포인트 이후 분기된 여러 체인의 블록들 중 가장 많은 투표를 얻은 블록이 정규블록으로 간주되어 그 블록이 새로운 체크포인트가 됨과 동시에 해당 체인이 메인체인이 된다(체인선택규칙).

<https://www.draglet.com/proof-of-work-vs-proof-of-stake>

□ 키워드로 본 PoS

  ㅇ 지분 : 지분이 곧 권력(Power)이며, 참여자는 지분을 잘 활용하여 네트워크에 공헌하면 인센티브를 받거나, 지분을 잘못 활용하여 네트워크에 피해를 끼치면 페널티를 받는다
  ㅇ 페널티 : 토큰 이코노미 설계상, PoW의 경우 합의참여자시 악의적 행동에 따른 페널티는 블록생성(채굴)에 쏟는 시간+체력+전기에너지+장비구매비 및 감가상각비 정도다. 반면 PoS의 경우 패널티는 보증금을 사라지게 하는것부터 커뮤니티 내 평판을 잃게하는 것 등 다양하게 설계할수 있다.

  ㅇ 경제적 안전성
    - 네트워크에 해를 끼치는 악의적인 행동을 할 경우, PoW에서 처벌할수 있는 페널티보다 PoS에서 처벌할수 있는 페널티가 더 크게 설정할수 있으며, 덕분에 경제적 안전성 즉 네트워크 보안성을 높일수 있는 여지가 있다.
    - 가령, PoW에서는 악의자가 51%공격시 51%의 컴퓨팅파워만 유지하면 공격을 반복해서 할 수 있는 반면, PoS에서는 악의자가 그러한 공격을 한다면 그의 지분을 삭감시켜서 더이상의 공격을 할수 없게 만들수 있다.
    - 또한 합의에 도달하기 위해서 PoW에서는 채굴을 하는 동안에 소모되는 내부비용과 환경에 끼치는 영향이나 농업/산업용 전기사용에 따른 전기보조금 등의 외부비용이 들지만, PoS에서는 딱히 소모되는 내부비용이나 전력이나 장비에 쓰는 외부비용이 거의 없고 그 비용을 네트워크 보안에 활용할수 있다.(물론 다수의 선의에 의존해야하는 점이 있긴 하다)

  ㅇ 덜 중앙화
    - 비트코인 초기시절부터 현재까지 PoW는 규모의 경제 논리에 입각하여 일부 대형 채굴장들이 네트워크의 큰 비중을 차지하고 있다. 이는 규모가 클수록 그에 따른 비용(단가)가 저렴해지는 데 이유가 있으며(뭉치면 살고 흩어지면 죽는다), 따라서 채굴의 집단화가 사토시 정신중의 하나인 탈중앙화에 역행하는 모습을 보이고 있다.

  ㅇ 친환경성
    - ASIC채굴과 대형 채굴장 등을 통한 탐욕스런 채굴경쟁때문에 비트코인에 들어가는 전기에너지가 일부 국가의 연간 전력소모량보다 많다보니, 아무래도 환경에 악영향을 끼친다. 물론 PoW를 대표하는 비트코인의 경우, 블록체인의 등장, 네트워크 장애모델의 신기원, 암호화폐의 실현 등 사회, 경제, 기술적으로 긍정적인 영향을 끼쳤지만, 그런 좋은 영향을 유지하면서 친환경적인 대안이 있다면, 그리고 그게 PoS라고 한다면 가능성이 전혀 없진 않다.

□ PoW와 PoS의 길

  ㅇ PoW의 수렴
    - 사견이지만, 만약에 사토시 나카모토가 P2P e-cash system을 PoW가 아닌 PoS에 기반하였다면 블록체인과 암호화폐가 이렇게 성공하기는 어려웠을것이다. 그 이유는, PoW는 인간이 동기부여시키는 가장 간단하면서도 명쾌한 '경쟁'을 끌어와 블록생성과 체인선택을 쉽게 정의했을 뿐만 아니라 확률적으로 긴 시간 생존(Liveness)에 유리하도록 잘 설계된 '하드웨어'처럼 작동했기 때문이다.
    - 하지만 이런 간단명료하면서도 생동감 있는 메커니즘은 확률게임과 인간탐욕에 의해 위태로워졌고 그 대안을 찾기 시작했으며 그 부족한 점을 채우기 위하여 상대적으로 쉽게 다양한 콘텐츠를 구사할줄 아는 '소프트웨어'같은 PoS가 제안되었다.

  ㅇ PoS의 발산
    - PoS를 최초로 구현한 '피어코인'부터, 최초로 Full PoS를 선보인 'NXT', PoW에서 PoS로 전환하는 '이더리움(Casper)', 강력한 안전성을 자랑하는 'Cosmos(Tendermint)'까지 보다 경제적이고 안정적이고 생동적인 PoS방식을 구현하기 위하여, 전 세계의 많은 개발자들이 오늘도 개발에 열중하고 있으며, 본인은 앞으로 여러 PoS프로젝트에 대한 분석과 논의를 해보겠다.



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<References>
1) https://medium.com/@jonchoi/ethereum-casper-101-7a851a4f1eb0

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