새로운 블록체인은 항상 태어나고 있습니다. 비트코인은 수년 동안 유일한 블록체인이었지만, 이제는 수백 개가 있습니다. 문제는, 다른 블록체인에서 제공하는 기능을 사용하려면 해당 블록체인의 토큰을 구매해야 한다는 것입니다.
하지만 이 모든 것이 곧 바뀔 수 있습니다. 사이드체인이라는 개발 중인 기술은 블록체인 간에 토큰을 쉽게 이동할 수 있도록 하여, 은행의 기존 금융 시스템과의 연결을 포함한 다양한 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.
2017년 10월, 에든버러 대학교의 교수이자 블록체인 연구 및 개발 회사 IOHK의 수석 과학자인 Aggelos Kiayias, 일리노이 대학교 어바나-샴페인의 교수 Andrew Miller, 아테네 대학교의 연구원 Dionysis Zindros는 “작업 증명의 비상호적 증명” (NiPoPoW)이라는 논문을 발표하여 사이드체인 퍼즐에서 3년 동안 빠져 있었던 중요한 조각을 소개했습니다. 이것은 그들이 어떻게 그곳에 도달했는지에 대한 이야기입니다.
그렇다면 사이드체인은 정확히 무엇일까요?
같은 코인, 다른 블록체인
사이드체인은 한 블록체인에서 다른 블록체인으로 토큰을 이동하고, 그 다른 블록체인에서 사용한 후 나중에 다시 이동할 수 있게 해주는 기술입니다. 이 과정에서 제3자가 필요하지 않습니다.
과거에는 부모 블록체인이 비트코인인 경우가 많았지만, 부모 체인은 어떤 블록체인도 될 수 있습니다. 또한, 토큰이 다른 블록체인으로 이동할 때 그 가치는 동일해야 합니다. 즉, 이더리움 사이드체인에서의 비트코인은 여전히 비트코인으로 남아야 합니다.
사이드체인의 가장 큰 장점은 사용자가 새로운 서비스에 접근할 수 있게 해준다는 것입니다. 예를 들어, 비트코인을 다른 블록체인으로 이동하여 프라이버시 기능, 더 빠른 거래 속도 및 스마트 계약을 활용할 수 있습니다.
사이드체인은 다른 용도도 있습니다. 사이드체인은 프로토콜을 업그레이드하는 보다 안전한 방법을 제공할 수 있으며, 재난이 발생할 경우 메인 체인이 영향을 받지 않도록 하는 일종의 보안 방화벽 역할을 할 수 있습니다. “이것은 일종의 제한된 책임입니다.”라고 Zindros는 기술이 작동하는 방식에 대해 설명하는 비디오에서 말했습니다.
마지막으로, 은행이 자체적인 개인 블록체인 네트워크를 만든다면, 사이드체인은 이러한 네트워크와의 통신을 가능하게 하여 사용자가 주식, 채권 및 기타 자산을 발행하고 추적할 수 있게 할 수 있습니다.
초기 대화
사이드체인에 대한 초기 대화는 2012년 비트코인 채팅방에서 처음 나타났습니다. 비트코인 코어 개발자들이 비트코인 프로토콜을 안전하게 업그레이드할 방법을 고민하고 있었습니다.
하나의 아이디어는 사용자가 비트코인을 별도의 블록체인으로 이동하여 새로운 클라이언트를 테스트할 수 있는 “일방향 고정”이었습니다. 그러나 자산이 이동하면 다시 메인 체인으로 이동할 수 없었습니다.
“나는 이것을 광범위한 변화를 만들기 위해 사용할 수 있는 소프트웨어 엔지니어링 도구로 생각하고 있었습니다.”라고 현재 블록체인 개발 회사 Blockstream의 CEO인 Adam Back는 Bitcoin Magazine와의 인터뷰에서 말했습니다. “우리는 새로운 버전 [비트코인]을 만들 것이며, 1년 안에 준비될 것이라고 생각하지만, 그동안 미리 선택하여 테스트할 수 있습니다.”
Back에 따르면, 다음 해 어느 시점에 비트코인 IRC 채널에서 비트코인 코어 개발자 Greg Maxwell이 대체 체인으로 가치를 이전하고 나중에 비트코인으로 다시 돌아오는 “양방향 고정”에 대한 아이디어를 제안했습니다.
양방향 고정은 당시 증가하는 또 다른 우려를 해결했습니다. 라이트코인과 네임코인과 같은 대체 코인이 점점 인기를 얻고 있었습니다. 이러한 “알트코인”이 비트코인의 가치를 희석할 것이라는 두려움이 있었습니다. 비트코인 코어 개발자들은 비트코인을 일종의 준비 통화로 유지하고 새로운 기능은 사이드체인으로 위임하는 것이 합리적이라고 생각했습니다. 그렇게 하면 “다른 기능을 사용하고 싶다면 투기 자산을 구매할 필요가 없을 것”이라고 Back은 말했습니다.
사이드체인 개념을 현실로 만들기 위해 Back은 Maxwell 및 몇몇 다른 비트코인 코어 개발자들과 함께 2014년에 Blockstream을 설립했습니다. 그 해 10월, 이 그룹은 사이드체인을 높은 수준에서 설명하는 논문 “Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains”를 발표했습니다. Miller도 그 논문의 공동 저자로 등장합니다.
사이드체인의 작동 방식
사이드체인의 중요한 구성 요소 중 하나는 토큰이 한 체인에서 잠겨져 있음을 보여주는 단순화된 지불 검증(SPV) 증명입니다. 이를 통해 검증자는 대체 체인에서 동등한 가치를 안전하게 잠금 해제할 수 있습니다. 그러나 사이드체인에서 작동하려면 SPV 증명은 단일 코인베이스 거래에 맞을 만큼 작아야 합니다. (회사 Coinbase와 혼동하지 마십시오.)
Blockstream 연구자들이 논문을 발표했을 당시, 그들은 사이드체인이 작동하기 위해 압축된 SPV 증명이 필요하다는 것을 알고 있었지만, 그 뒤에 있는 암호학을 아직 개발하지 않았습니다. 그래서 그들은 일반적이고 높은 수준의 아이디어를 개략적으로 설명했습니다.
Blockstream 논문은 두 가지 유형의 양방향 고정을 설명합니다: 두 체인이 독립적으로 자체 채굴을 하는 대칭 양방향 고정과, 사이드체인 채굴자가 부모 체인의 전체 검증자인 비대칭 양방향 고정입니다.
대칭 양방향 고정에서 사용자는 자신의 비트코인을 특별한 주소로 보냅니다. 이렇게 하면 비트코인 블록체인에서 자금이 잠깁니다. 그 출력은 거래가 완료되었음을 확인하기 위해 아마도 6개의 블록(1시간) 동안 잠겨 있으며, 그 후 사이드체인으로 보낼 SPV 증명이 생성됩니다.
그 시점에서 SPV 증명과 함께 사이드체인에 해당하는 거래가 나타나고, 비트코인 블록체인에서 자금이 잠겨 있음을 확인한 후, 동일한 가치의 코인이 사이드체인에서 잠금 해제됩니다.
코인은 사용되고 손이 바뀌며, 나중에 메인 체인으로 다시 전송됩니다. 코인이 메인 체인으로 반환되면 과정이 반복됩니다. 코인은 사이드체인에서 잠긴 출력으로 전송되고, 대기 기간이 지나면 SPV 증명이 생성되어 메인 체인으로 다시 전송되어 메인 체인에서 코인을 잠금 해제합니다.
비대칭 양방향 고정에서는 과정이 약간 다릅니다. 부모 체인에서 사이드체인으로의 전송은 SPV 증명이 필요하지 않습니다. 왜냐하면 사이드체인의 검증자는 부모 체인의 상태를 알고 있기 때문입니다. 그러나 코인이 부모 체인으로 반환될 때는 여전히 SPV 증명이 필요합니다.
압축 증명 탐색
사이드체인에서 압축된 SPV 증명은 자금이 잠겨 있는 체인의 모든 블록 헤더의 압축 버전과 거래 데이터 및 기타 데이터를 포함해야 합니다. 이렇게 하면 SPV 증명은 특정 출력에 대한 “작업 증명의 증명”으로도 생각할 수 있습니다.
압축 SPV 증명에 대한 영감은 25년 전에 개발된 “스킵 리스트”라는 연결 리스트와 유사한 구조에서 나옵니다. 이 구조를 압축 SPV 증명에 적용하는 데 있어 요령은 높은 수준의 보안을 유지하면서 블록 헤더를 건너뛰는 방법을 찾는 것이었습니다. 그렇게 하지 않으면 적이 증명을 위조할 수 없게 됩니다.
문제를 해결하는 과정에서 Blockstream은 Miller에게 사이드체인 논문의 초기 초안을 보여주었고, 그는 이미 몇 년 동안 압축 SPV에 대해 고민하고 있었습니다.
2012년 8월, “High-Value-Hash Highway”라는 제목의 BitcoinTalk 포럼 게시물에서 Miller는 비트코인 라이트 클라이언트가 가장 긴 체인을 빠르게 결정하고 사용할 수 있도록 하는 “머클 스킵 리스트”에 대한 아이디어를 설명했습니다. 그 게시물에서 그는 데이터 구조의 중요성을 “절대적으로 놀랍다”고 설명했습니다.
Miller가 Blockstream 초안을 읽었을 때, 그는 논문에 설명된 압축 SPV 증명에서 취약점을 발견했습니다. 논의가 이어졌지만, 그들은 “효율성을 타협하지 않고 그 문제를 해결할 방법을 찾을 수 없었다”고 Miller는 말했습니다.
Miller의 Blockstream 논문에 대한 비트리비얼 기여는 압축 SPV 증명을 만드는 데 있어 도전 과제를 설명하는 부록 B의 몇 개 단락으로 끝났습니다.
“헤더 목록을 크게 압축하면서도 동일한 양의 작업을 증명하는 것이 가능해야 한다”고 그 섹션은 읽습니다. 그러나 “이러한 트레이드오프를 최적화하고 보안 보장을 공식화하는 것은 이 논문의 범위를 벗어나며 진행 중인 작업의 주제입니다.”
그 진행 중인 작업은 3년 동안 정체되어 있었습니다.
비상호적 방식으로 만들기
그 이후 IOHK의 연구자들은 사이드체인에 대해 더 진지한 관심을 가지기 시작했습니다. IOHK가 구축하기로 계약한 새로운 지분 증명 블록체인인 카르다노에 대한 계획이 구체화되고 있었습니다.
카르다노는 두 개의 레이어로 구성됩니다: 2017년 9월에 출시된 정산 레이어와 스마트 계약 레이어입니다. 이 두 레이어는 사이드체인 기능을 갖춘 두 개의 블록체인입니다. 이렇게 하면 정산이 단순하고 스마트 계약 레이어에서 발생할 수 있는 공격으로부터 안전하게 유지될 수 있습니다. 그러나 IOHK가 카르다노가 의도한 대로 작동하도록 하려면 사이드체인을 해결해야 했습니다.
2016년 2월, 당시 아테네 대학교 교수였던 Kiayias와 그의 두 학생인 Nikolaos Lamprou와 Aikaterini-Panagiota Stouka는 “서브선형 복잡성을 가진 작업의 증명” (PoPoW)을 발표했습니다.
이 논문은 압축 SPV 증명에 대해 공식적으로 다룬 첫 번째 논문이었습니다. 그러나 논문에 설명된 증명은 상호적이었습니다. 반면 사이드체인에서 작동하려면 비상호적이어야 했습니다.
상호적 증명에서는 증명자와 검증자가 상호 대화에 들어가며, 이는 여러 차례의 메시징이 있을 수 있음을 의미합니다. 반대로 비상호적 증명은 블록체인에서 단일 거래에 깔끔하게 맞는 간단하고 짧은 문자열이 될 것입니다.
PoPoW 논문은 국제 금융 암호학 협회(IFCA)의 금융 암호학 및 데이터 보안 회의와 관련된 워크숍인 BITCOIN’16에서 발표되었습니다. 회의에 참석한 Miller는 Kiayias에게 접근하여 프로토콜을 비상호적으로 만드는 아이디어를 공유했습니다.
그것은 “좋은 관찰”이었다고 Kiayias는 Bitcoin Magazine에 말했지만, 증명을 안전하게 만드는 것은 “전혀 명확하지 않으며” 상당한 작업이 필요할 것이라고 했습니다.
Kiayias의 지도 아래 박사 과정을 시작한 Zindros도 회의에 참석했으며, 그는 자신의 논문 주제가 필요했습니다. Kiayias는 좋은 적합성을 보았고, “그래서 우리는 셋이서 PoPoW 프로토콜과 그 보안 증명을 비상호적 설정에 맞게 조정했습니다.”라고 Kiayias는 말했습니다.
2016년 10월, Kiayias는 공식적으로 IOHK에 합류했고, 1년 후 Kiayias, Miller 및 Zindros는 “작업 증명의 비상호적 증명”을 발표하여 사이드체인에 대한 논의가 시작된 지 5년 만에 압축 SPV 증명을 도입했습니다.
“상호적이었다면 작동했을지 모르겠지만, 비상호적 증명으로는 정말 매끄럽습니다.”라고 Zindros는 Bitcoin Magazine에 말했습니다.
해야 할 더 많은 작업
NiPoPoW가 있더라도 사이드체인은 여전히 완전히 명세화되지 않았습니다. 몇 가지 질문이 남아 있습니다. 증명을 얼마나 작게 만들 수 있을까요? 한 체인에서 거래가 잠긴 후, 다른 체인에서 사용되기까지 얼마나 많은 시간이 지나야 할까요? 그리고 사이드체인에서 다른 사이드체인으로 직접 토큰을 이동할 수 있을까요?
“아직 정의해야 할 이론이 많습니다.”라고 IOHK CEO Charles Hoskinson은 Bitcoin Magazine과의 대화에서 말했습니다.
또한 NiPoPoW는 작업 증명 블록체인에서 작동하도록 설계되었지만, 블록체인이 대규모로 세계에서 자리 잡으려면 Ouroboros, Algorand 또는 Snow White와 같은 지분 증명 프로토콜의 미래에 달려 있다고 믿는 사람들도 있습니다. 이들은 비트코인보다 에너지 효율성이 더 높을 것으로 약속합니다.
특히 Ouroboros를 기반으로 하는 카르다노가 계획대로 작동하려면 IOHK 연구자들은 여전히 비상호적 지분 증명의 증명(NiPoPoS)을 발견해야 합니다.
Hoskinson은 자신감을 보였습니다. “우리는 확실히 그것을 할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 확실히 NiPoPoS를 가질 수 있습니다. 문제는 그것이 몇 메가바이트 또는 킬로바이트가 될 것인가입니다. 100KB로 줄일 수 있을까요? 그것이 정말 질문입니다.”
