[Bitcoin] 라이트닝네트워크 개론(feat. Bakkt) v1.2

□ 비트코인의 확장성 문제

  ㅇ 저조한 거래처리속도
    - 비트코인의 거래처리속도(Transaction Per Second, 이하 'TPS')는 약 7TPS*이다.
     * 블록크기는 1MB(1,048,576Bytes), 하나의 거래(트랜잭션)에 필요한 용량 250Bytes, 블록생성시간 10Min(600Sec). 따라서, 초당 1거래처리속도의 계산식은 (1,048,576Bytes÷250Bytes)/600sec이며 약 7TPS가 산출됨
    - 대표적인 결제업체인 비자, 마스터카드 등의 평균 TPS는 만단위다. 비트코인이 결제처리 역할을 있도록 이런 결제업체 수준의 TPS에 도달하기 위하여 어떻게 해야하는가.

  ㅇ 온체인 확장성 솔루션(On-chain Scaling Solution) -블록크기와 블록타임
    - 해결을 위한 2가지 방법이 제안해본다. 블록크기를 키우거나(계산식에서의 분모↑) 블록생성시간(이하 '블록타임')을 줄인다(계산식에서의 분자↓). 첫째로, 블록크기를 엄청 키운다면 TPS는 높아지겠지만 커진 블록을 연산할수 있는 컴퓨터가 존재하지 않는다. 둘째로, 블록타임을 줄인다면 역시 TPS는 높아지겠지만 비트코인의 안전성/생존성 메커니즘*이 무너진다.
     * 안전성/생존성 메커니즘 : 보통 분산 네트워크는 안전성을 우선 확보한후 생존성을 추구하지만 비트코인은 그 반대로 생존성을 우선시하고 안전성을 추구(Safety over Liveness)한다. 대신 그 떨어진 안전성을 나름대로의 방식으로 보완한다. 그 방법으로, 비트코인은 평균 블록생성시간을 10분이라는 상대적으로 긴 시간을 두어 블록생성 및 메인체인을 지속유지(생존성↑)하면서도, 네트워크 내 모든 노드가 상호 통신을 통해 트랜잭션 유효성 검사할 시간을 가짐으로서 떨어진 안전성을 보완(안전성↑)한다.
    - 그나저나 블록크기나 블록타임을 조절해도 해결책을 찾을수 없다면 어떻게 해야할까. 그래서 생각해낸 대안으로, '라이트닝 네트워크(Lightning Network)'가 나왔고 따라서 이번 글을 통해 LN에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠다.
     ※ 물론 블록크기를 키워 확장성을 해결하고자 비트코인에서 나온 비트코인캐시 등도 존재하긴 한다.
< https://lightrains.com >

□ 라이트닝 네트워크(LN)란

  ㅇ 오프체인 확장성 솔루션(Off-chain Scaling Solution) -제2 레이어 기법
    - 블록크기 키우기나 블록타임 줄이는 온체인 솔루션(블록체인 안에서의 해결책)인 해결책을 모색하였으나 결과가 좋지 않자, 아예 블록체인 바깔에 거래기록소를 두고 거래를 할수있게 하였다. 이런 확장성 개선방안을 '라이트닝 네트워크(이하 'LN')'라고 한다.
    - 하나의 블록체인(여기서는 비트코인 블록체인) 자체를 제1레이어로 할때, 그 블록체인 바깥은 제2레이어 등으로 표현할수 있는데, LN의 경우 블록체인 바깥에서 결제가 이뤄지기 때문에, '제2레이어 결제 기술(The 2nd layer payment protocol)'라고도 한다.
    - 2016년부터 LN은 세계 여러 개발팀들을 통해 개발 및 개선되어 왔으며, 블록스트림(Blockstream)의 씨라이트닝(c-lightening), 라이트닝 랩스(Lightning Labs)의 라이트닝네트워크 데몬(LND), 아싱크(Acinq)의 에클레어(Eclair) 등이 대표적이다.

  ㅇ LN에서의 트랜잭션 처리 프로세스
   
    <기본> 양자간 단방향 간단한 LN거래
     ※ 전자다중서명지갑(Muti-signature Wallet, 이하 '멀티시그월렛') : 일상속에서 서명을 해야 그 문서, 계약 등의 효력이 생기듯이, 비트코인에서도 전자서명을 해야 해당 트랜잭션이 처리가 된다. 보통은 본인지갑을 소유한채 비트코인 송금 등의 거래시 본인 전자서명만으로 충분하였다. 즉, 비트코인에서의 전자서명은 트랜잭션에 개인키(Private Key)를 통해 전자서명을 하여 처리하고, 공개할수있는 공개키(Public Key)를 통해 그 처리를 증명한다. 그런데 LN에서는 결제, 거래 등 트랜잭션 처리시 둘 이상이 개입되는 특성상 멀티시그월렛이 필요하다. 참고로, 멀티시그월렛에 서명해야하는 인원은 당사자 일부 또는 전부 등 정하기 나름이며, 여기서는 거래당사자인 갑돌이을순이 둘 다 서명해야 거래가능하다고 가정한다. 이 경우 거래 당사자가 2명이고 서명도 2명이므로 '2 of 2 멀티시그월렛'이라고 한다.
   
    1) LN을 통해 갑돌이을순이에게 송금 거래를 하고자 한다.
    2) 거래를 위해 둘만의 2 of 2 멀티시그월렛을 만드는데, 이때 지불채널이 열린다.(소량의 수수료 발생)
    3) 갑돌이가 멀티시그월렛에 1비트코인을 입금해놓고, 을순이에게 그 비트코인을 보내는 서명을 한다.
    4) 을순이갑돌이가 보낸 수량을 확인후 서명을 하고, 이때 지불채널이 닫힌다.(소량의 수수료 발생).
     ※ 참고로, 이 과정에서 오프체인에서의 트랜잭션을 실행트랜잭션(Commitment Transaction)이라고 하고, 온체인에서의 트랜잭션을 모금트랜잭션(Funding Transaction)이라고 한다.

    <응용1> 양자간 단방향 복잡한 LN거래
    1) 갑돌이을순이에게, 과제5건을 50분내에 완료하고 과제1건당 1비트코인 주는 조건의 거래(계약)를 하기로 했다.
     ※ 시간잠금장치(nLockTime, 이하 '락타임') : 일정시간을 두고, 그 시간만큼은 거래(트랜잭션)를 완료하지 않는다. 덕분에, 지불조건, 소요시간 등을 설정할수 있고 누구도 믿지 않아도 되는 무신뢰(Trustless)거래가 가능하다.
    2) 거래를 위해 둘만의 2 of 2 멀티시그월렛을 만드는데, 이때 지불채널이 열린다.(소량의 수수료 발생)
    3) 갑돌이가 멀티시그월렛에 5비트코인을 입금해놓고, 50분 시간제한에 대하여 을순이의 서명을 받는다.
    4) 10분쯤 을순이가 첫번째 과제를 완료하자, 갑돌이는 지불채널의 멀티시그월렛으로부터 을순이에게 1비트코인을, 자신에게 나머지 4비트코인을 보내는 거래를 생성해 자신의 서명을 하고 을순이에게 보낸다.
    5) 을순이는 멀티시그월렛에 1비트코인이 입금대기중에 있고 서명이 필요하다는 알림을 받는다. 을순이는 입금받기위해 서명을 하여 거래를 완료할수도 있지만 일단 놔두고 지불채널을 열어놓은채 두번째 과제를 시작한다.
    6) 20분쯤 을순이가 2번째 과제를 완료하자, 갑돌이는 지불채널의 멀티시그월렛으로부터 을순이에게 2비트코인을, 자신에게 나머지 3비트코인을 보내는 거래를 생성해 자신의 서명을 하고 을순이에게 보내지만 다시 보류한다.
    5) 5번째 과제까지 입금보류를하고, 40분쯤 을순이는 5번째 과제를 시작한다.
     i) 그런데 50분이 넘어서까지 과제를 할경우, 사전조건에 따라 을순의 동의없이, 갑돌이을순이의 입금 서명대기를 취소시키고 보내놓은 4비트코인을 회수한다. 이 회수기능을 '시간잠금확인및검증(CheckLockTimeVerify)'이라고 하며, 그로인해 일종의 '처벌계약(Punishing Contract)'이 가능하다.
     ii) 하지만 50분이 지나기전이라면, 4번째 과제까지 완료했든 모든 과제를 완료했든 갑돌이의 동의없이 을순이는 사전조건에 따라 그때까지의 서명을 추가하여 거래를 완료하고, 지불채널은 닫힌다.(소량의 수수료 발생)
     ※ 이런 프로세스는 당사자 모두 협조적으로 행동하게 만든다. 가령, 갑돌이는 채널을 열때마다 수수료가 발생하게 되는 지불 부담이 있고, 을순이는 서명을 하지 않으면 보상금을 잃게되는 손실 부담이 있기 때문이다.

    <응용2> 양자간 양방향 LN거래 
     - 양방향 거래는 단방향 거래와 원리는 동일하나, 양측의 거래중 어느쪽 거래가 최근거래인지 모르기때문에 거래가 새로 생길때마다 락타임을 더 짧게 설정하는 방식을 쓴다.

    <응용3> 다자간 복잡한 LN거래
    1) <응용1>처럼, 갑돌이을순이에게 과제5건을 50분내에 완료하고 과제1건당 1비트코인 주는 조건의 거래(계약)를 하기로 했다.
    2) 그런데 둘만의 별도 지불채널을 만들려고 하는데, 때마침 갑돌이을순이는 둘다 아는 병재라는 친구가 있고, 병재갑돌이을순이와 각각의 지불채널이 형성되어있어 병재를 경유하여 거래하기로 한다.
     ※ 제3자를 경유하는 특성상, 제3자가 중간에서 거래를 잘 이행할수있다고 믿어야 하지만 제3자를 굳이 믿지 않게끔 둘만의 암호(해시값)와 해독키(초기문자열)를 도입한다. 참고로, 제3자 경유거래시 암호와 해독키를 활용하면 되므로 양자간 지불채널은 없어도 된다.
   
    3) 일단 을순이는 스스로 암호와 해독키를 생성한후, 암호를 갑돌이에게 준다. 이후, 갑돌이는 제3자인 병재가 탈취못하도록 암호를 건 비트코인을 보내면서 해독키로 풀어야만 출금할수 있는 조건을 단다.
     ※ 이 상황에서 암호는 당사자간의 '거래증서'이면서 함부로 출금하지 못하게 하는 '보안장치' 역할을 하는데 거래시 보통 락타임을 걸기때문에, 일정시간내 완료해야하는 '락타임'과 일정 암호(해시값)를 제시해야 거래계약이 완료된다. 이를 '해시시간잠금계약(Hash Time-Locked Contracts)'이라고 한다.
   
    4) 갑돌이는 기존에 존재하는 병재와의 지불채널을 통해 둘 사이의 멀티시그월렛에 1비트코인을 보내놓는다.(소량의 수수료 발생).
    5) 을순이가 1번째 과제를 성실히 완료하자, 갑돌이병재와의 멀티시그월렛에서 암호를 건 1비트코인을 병재에게 송금하고 병재는 (악의가 있어도 해독할수 없기에) 그대로 을순이와의 멀티시그월렛에 보낸다.
    6) 을순이는 걸린 암호를 보고 갑돌이로부터 온 비트코인이라고 확인만 한채, 입금보류후 2번째 과제를 시작한다.
    7) 을순이가 50분안에 모든 과제를 성실히 완료하자, 갑돌이병재를 통해 5비트코인을 보낸다. 병재는 그대로 을순이와의 멀티시그윌렛에 보내는데, 이때는 을순이가 입금을 받기로 한다. 그리고 해독키를 줘야 비트코인을 받는 조건에 따라, 병재에게 해독키를 주면서 병재와의 멀티시그월렛으로부터 5비트코인을 챙긴다. 이어서, 병재갑돌이에게 해독키를 주면서 갑돌이와의 멀티시그월렛으로부터 5비트코인을 챙긴다.
    8) 거래는 완료되고, 지불채널은 닫힌다(소량의 수수료 발생).
     ※ 양자간 멀티시그지갑이 없어도 공통의 제3자가 있으면 LN거래가 가능하며, 더 많은 사람들이 연결되다보면 다양한 공통의 제3자들이 많아져 거래가능 옵션이 많아진다(이 경우 많은 경로들중 가장 빠른 경로를 통해 거래가 이뤄진다).

    <응용4> LN에서의 아토믹 스왑*
     *아토믹 스왑(Atomic Swap)은 아토믹 크로스-체인 트레이딩(Atomic Cross-chain Trading)의 준말로, 거래소 이용 등 해킹리스크 없이 빠르고 저렴하게 상호간 직접 비트코인을 알트코인과 거래할수 있는 기술이다. 보통 비트코인-라이트코인 등 같은 계열간 블록체인의 거래에 가능하지만, 현재 비트코인-이더리움 등 다른 계열간 블록체인의 거래도 가능한 연구가 진행중이다. LN에서의 아토믹 스왑은, <응용3>처럼 제3자를 통한 암호-해독 과정으로 거래가능하다. 다만, 당사자들이 신뢰가능한 중개자가 있어야한다.
   
    1) 갑돌이는 1비트코인을 20라이트코인으로 바꾸고 싶고, 을순이는 20라이트코인을 1비트코인으로 바꾸고 싶은데, 둘이 서로의 교환의지를 확인하고 거래를 하고자 한다.
    2) 갑돌이을순이는 신뢰할수 있는 중개자인 병재에게 가서 중개 요청한다. 이때 둘 모두 병재와의 지불채널이 이미 있을수도 있고 새로 생성해야 할수도 있다.(새로 생성하는 경우에, 중개인이나 다른 거래 참여자들이 모여있는 '네트워크 채널(Network Channel)'을 통해 중개자 섭외가 가능하다. 또한, 아토믹스왑시 지불채널은 비트코인 블록체인과 라이트코인 블록체인 밖의 별도 레이어에 존재하는 지불채널이다.)
    3) 먼저 갑돌이가 지불채널을 통해 둘만의 멀티시그월렛에 1비트코인을 병재에게 보내고, 그 사실이 을순이에게 알려지면 을순이는 지불채널을 통해 둘만의 멀티시그월렛에 20라이트코인을 병재에게 보낸다.
    4) 병재는 둘의 전송을 확인한 후, 갑순이에게 20라이트코인을 보내고, 을순이에게 1비트코인을 보내면서 거래를 완료한다.

    <응용5> LN에서의 물건 매매 
     - 갑돌이가 1비트코인으로 최신TV를 사려고 하고 을순이가 최신TV를 1비트코인에 팔려고 한다. 이 물건 거래시에도 <응용4>의 아토믹스왑과 같은 원리로 거래 가능하다. <응용4>에서 을순이가 처음에 갖고있는게 라이트코인이 아닌 최신TV라고 가정하되, 그 최신TV를 블록체인을 통해서가 아닌 실제로 배송한다고 생각하면 이해가 빠를것이다.
   

□ LN의 활용가능성

  ㅇ 잠재력과 한계
    - 네트워크에서 어떤 서비스를 제공하기 위해서는 '임계치(Critical Mass)' 즉, '효과를 얻기위한 최소한의 사용자 수'가 확보되어야 하며, 그 임계치를 넘어야 비로소 추가 편의나 인센티브 등을 부여하지 않아도 알아서 돌아가는 '최소한의 지속가능한 경제(Minimum Sustainable Economy)에 도달한다. 현재 LN은 지속된 개발과 개선 덕분에
그 임계치에 가까워지고 있다고 필자는 생각한다. 그렇다면, 향후 그 가능성은 어디까지 뻗칠것인가. 그 가능성과 한계를 알아보겠다.
    - 우선 속도가 향상된다. 빨라진만큼 거래지연시간 감소 및 사용자 편의 증진으로 비자, 마스터카드 등의 결제업체와 경쟁할수 있는 발판이 마련된다. 또한, 경제적이다. 거래(트랜잭션)가 블록체인 외부에서 이루어지고 거래가 완료되는(지불채널이 닫히는) 순간만 체인기록이 되기 때문에 수수료가 매우 적다. 그리고 보안이 강화된다. 온체인상에서 익명성이 보장되지 않는다해도, LN의 대부분 트랜잭션은 체인 외부에서 이뤄지므로, 이를 통한 소액거래는 추적하기 어렵다.
    - 많은 이점에도 불구하고, 아직 한계는 존재한다. LN이 나오면 수많은 트랜잭션을 원활하게 처리해야하는데 경로가 너무 복잡해져서 예기치못한 문제가 발생할수도 있다. 또한, 앞서 설명한 사례에서는 거래 당사자가 2~3명뿐이지만 수많은 사람들이 거래한다면, 공통의 지불채널을 보유한 자 또는 많은 사람들이 신뢰할수 있는 자가 필요하며 이경우 현재보다 더 중앙화된 거래소나 더 막강한 영향력을 가진 큰손이 등장할수도 있다.

< https://marketexclusive.com >

  ㅇ 벡트(Bakkt)와 스타벅스(Starbucks), 그리고 "블록체인커피(Blockchain Coffee)"
    - 앞서 본대로 LN은 빠르고 경제적인 소액 결제처리가 가능한 '제2레이어 결제처리 기술'이다. 만약 LN과 비슷한 방식으로 거래 플랫폼 자체가 제2레이어가 된다면 어떨까. 실제로 벡트CEO는 Forbes와의 인터뷰에서 이 아이디어 대해 언급하며, 벡트는 현존하는 일반적인 거래소의 역할 외에 블록체인과 별도로 존재하는 체인을 운영하여 거래의 중개자 역할을 수행할 계획이라고 밝혔다.
    - 가령, 한국의 TV제조업체가 일본의 부품업체에서 부품을 구입시 한화-엔화 환전비용 및 송금시간, 브로커와 딜러 비용 등이 소요되지만, 제조업체와 부품업체 모두 비트코인을 보유한다면 벡트를 통한 LN식 거래가 가능하며, 따라서 송금이 빠르고 비용이 절감되는 효과를 볼 수 있다.
    - 벡트와 스타벅스를 놓고 보자. 비록 벡트가 별도 체인을 만든다 해도, LN서의 신뢰할수 있는 거대한 중개자 역할 역시 할수도 있다. 비트코인 구매와 사용이 현재보다 더 편해지고 LN 결제 편의성 역시 개선되면, 블록체인을 잘 모르는 일반인들도 비트코인 등 암호화폐로 쉽게 스타벅스에서 '블록체인 커피(Blockchain Coffee)'를 사 마실수 있을것이다.

< LN을 통한 스타벅스 커피 구매 (https://starblocks.acinq.co) >


□ LN의 현재와 미래에 대한 고찰

  ㅇ LN의 현주소
    - LN의 개요, 기술적 분석, 잠재력과 한계 그리고 예상 활용처까지 살펴보니, LN이 당장이라도 우리 일상속에 스며들어 비트코인 등 암호화폐의 가치를 평가절하한 이들마저 매료시킬것 같은 기분이 들수도 있다. 실제로 지지부진해 보이던 라이트닝 활성도가 최근 눈에 띌정도이다. 19.4월 현재 라이트닝 오픈채널수가 전월대비 약 33% 상승(36,434개)하였고, 라이트닝 채널을 통해 거래한 비트코인 갯수도 전월대비 약 20% 상승한 762개에 달한다. 대상기간을 늘리면 상승은 더욱 돋보인다.
    - 하지만, 앞서 한계부분에서 언급한것처럼, 아직 '대중적 수용(Mass Adoption)'을 달성하기엔, 기술력과 사용자 편의성 미흡, 기술 인지도 및 교육 부족 등에 시달리는 실정이다.
< https://www.p2sh.info >

  ㅇ LN의 가능성과 제언
    - 뭐든지 처음부터 잘 될수는 없는 법이다. 그럼에도, LN의 기술개발을 통해 자극을 받은 금융권, 거대 기관/기업들이 자극을 받아 LN과 협업을 하거나 유사 기술을 만들수도 있고, 그 중에 하나라도 성공하여 비트코인 확장성도 해결하고 일반 대중들조차 체득하고 사용하기 쉽게 만들수도 있다. 꼭 그 해법이 LN이 아니더라고, 그것 역시 LN이 뿌린 씨앗의 열매 아닐까.
    - 필자는 그간 LN의 행보를 지켜보면서 머지않은 미래에 유의미한 '임계치(Critical Mass)'에 도달할거라고 생각한다. 그렇게 생각하는 근거없는 자신감은 '돈은 기술보다 앞서기' 때문이다. 벡트같은 거대 플랫폼이 관련 기술력을 확보하려하고 있고, 스타벅스, 던킨도너츠, 우버 등 전자상거래업체도 관련기술을 도입할 계획이다.
    - 상상을 해보자. 향후 LN이나 유사 기술이 지속 개발되어, 가령 스타벅스에서 가서 본인이 보유한 스마트폰 내 법정화폐 외에 전자지갑이나 거래플랫폼과 연동된 스테이블코인 및 암호화폐(꼭 비트코인이 아니더라도)으로 QR코드나 NFC(Near Field Communication, 근거리 무선통신)로 블록체인 커피를 사 마시는 나날을 상상해보란 말이다.
    - 엄밀히 말하면, 본문에 나열한 LN관련 설명은 업계관계자나 기술개발자 등이 아닌 이상 알기 어렵고 알지 못해도 괜찮다. 중요한건 일반 대중들이 그 덕분에 블록체인이나 LN을 몰라도 일상속에서 실사용할수 있는 유용한 수단이 될수 있다는 것이고, 우리는 분석가나 투자자로서 어떤 형식으로든 그 과실을 얻으면 되는것이다. 혹시 아나, 외식, 쇼핑시 머릿속으로 물건, 음식을 현금기준으로 계산하는게 아닌 사토시 등으로 계산하는 날이 올지 말이다.
    - 그렇다면 암호화폐 분석가나 투자자는 어떤 준비를 해야할까. 일단은 기다려야 한다. 마냥 기다리기 보다는 분석가로서는 LN과 관련 기술개발 진행도를 눈여겨 볼 수 있고, 투자자로서는 현금을 모으거나 암호화폐 매매를 통한 자산 불리기 등을 시도할수 있다. 그리고 분위기가 무르익을 때쯤, LN이나 유사기술 관련 암호화폐 투자를 하던지, 얼리어답터로서 실제 외식, 쇼핑시 시범 사용할수도 있다. 언제가 될지는 모르지만 그런 날이 온다면 상상만 해도 좋지 않은가. 이렇게 상상속에서만 일이 실제로 벌어질 현실을 준비하고 기다려보자. 이걸 가능케 해줄 '라이트닝네트워크(LightningNetwork)'이 지금 오고있다.



법적 고지 : 본 게시글은, 투자를 위한 정보제공을 목적으로 작성되었기에 투자결정은 신중을 기하여 주시기 바라며, 참고자료를 토대로 본인 판단하에 내용을 추가, 편집 등 작성되었기에 본인의 허락없이 복사, 배포, 편집 등을 할 수 없습니다.



<References>
1) https://banksalad.com/contents/%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%84%A4%EB%AA%85%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%B8%94%EB%A1%9D%EC%B2%B4%EC%9D%B8-%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8%EB%8B%9D-%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-Lightning-Network-%EB%9E%80-g9nT6
2) https://www.clien.net/service/board/cm_vcoin/11393662
3) http://wiki.hash.kr/index.php/%EC%95%84%ED%86%A0%EB%AF%B9%EC%8A%A4%EC%99%91
4) https://cointelegraph.com/lightning-network-101/what-is-lightning-network-and-how-it-works
5) https://www.coindeskkorea.com/%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8%EB%8B%9D-%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC%EC%9D%98-%EC%84%B1%EC%9E%A5%EC%84%B8%EA%B0%80-%EC%8B%AC%EC%83%81%EC%B9%98-%EC%95%8A%EB%8B%A4/

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