블록체인은 어떻게 서로를 믿을까? 합의 알고리즘(Consensus Algorithm)

 

안녕하세요, 블록체인 기술에 깊은 관심을 가진 블로거입니다. 오늘은 블록체인 기술의 심장부, 바로 '합의 알고리즘(Consensus Algorithm)'에 대해 이야기해 보려 합니다. 혹시 "비트코인 채굴"이라는 말을 들어보셨나요? 복잡한 수학 문제를 풀기 위해 수많은 컴퓨터가 24시간 돌아가는 모습을 상상하실 겁니다. 왜 블록체인에서는 이렇게 복잡하고 비효율적인 과정을 거쳐야 할까요? 그 이유가 바로 '합의 알고리즘'에 숨어 있습니다.

 

오늘 이 글을 통해 합의 알고리즘이 무엇인지, 그리고 가장 유명한 세 가지 방식인 '작업 증명(PoW)', '지분 증명(PoS)', '위임 지분 증명(DPoS)'이 어떻게 작동하는지 쉽고 재미있게 설명해 드리려 합니다. 마치 민주주의 사회에서 모두가 합의하는 방식이 여러 가지인 것처럼, 블록체인도 거래를 승인하는 다양한 규칙을 가지고 있습니다. 그 규칙의 비밀을 함께 파헤쳐 볼까요?

 

1. 합의 알고리즘, 왜 필요할까요?

이전 글에서 블록체인은 특정 중앙 기관 없이 수많은 참여자들이 데이터를 분산해서 관리한다고 말씀드렸습니다. 그런데 모두가 각자의 장부를 들고 있는데, 만약 누군가 "나는 내 장부에 A가 B에게 100만 원을 보냈다고 기록할 거야!"라고 주장하고, 다른 누군가는 "아니야, A는 B에게 10만 원만 보냈어!"라고 주장하면 어떻게 될까요? 모두의 장부가 달라져 혼란에 빠지겠죠?

바로 이런 '장부의 일치'를 위해 필요한 것이 합의 알고리즘입니다. 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크에 참여하는 모든 노드들이 새로운 블록(거래 기록)을 블록체인에 추가할 때, 그 데이터가 유효하다는 것을 모두가 동의하는 방법입니다. 즉, 모두의 장부를 똑같이 만드는 규칙인 셈입니다.

이 합의 알고리즘이 없다면 블록체인은 존재할 수 없습니다.

 

2. 작업 증명(PoW): 가장 오래된 채굴의 비밀

작업 증명(Proof-of-Work)은 비트코인이 사용하는 합의 알고리즘입니다. '노동을 통해 증명한다'는 의미인데요, 여기서 말하는 '노동'은 바로 '복잡한 수학 문제 풀기'입니다.

이해하기 쉽게 비유해 볼까요?

1. 새로운 블록 만들기: 수많은 비트코인 거래들이 네트워크에 떠다닙니다. 이 거래들을 모아 '새로운 블록'을 만듭니다.
2. 수학 문제 풀기: 이 블록을 공식적으로 블록체인에 추가하기 위해서는, 모든 채굴자들이 '특정 조건을 만족하는 암호화된 숫자(Nonce)를 찾아내는 어려운 수학 문제'를 풀어야 합니다. 이 문제는 수많은 계산을 반복해야만 풀 수 있습니다.
3. 최초 성공자: 전 세계 수많은 채굴자들이 이 문제 풀기에 경쟁적으로 뛰어듭니다. 마치 '나만 아는 비밀번호'를 찾아내기 위해 수십억 번의 조합을 대입하는 것과 비슷합니다.
4. 보상과 합의: 문제를 가장 먼저 푼 채굴자는 자신이 만든 블록을 네트워크에 전파합니다. 다른 모든 채굴자들은 이 블록의 유효성을 검증하고, 문제가 올바르게 풀렸음을 확인하면 자신의 장부에 이 블록을 추가합니다. 이렇게 모두의 장부가 일치하게 됩니다. 그리고 문제를 푼 채굴자는 그 보상으로 새로운 비트코인과 거래 수수료를 받습니다. 이것이 바로 '채굴(Mining)'이라고 불리는 이유입니다.

작업 증명의 장점:

• 강력한 보안: 누군가 거래를 위조하려면 블록을 조작하고, 그 이후에 연결된 모든 블록의 수학 문제를 다시 풀어야 합니다. 이 과정은 막대한 전력과 컴퓨팅 파워를 요구하기 때문에 사실상 불가능합니다.
• 완벽한 탈중앙화: 누구나 컴퓨팅 장비만 있으면 채굴에 참여할 수 있습니다.

작업 증명의 단점:

• 엄청난 전력 소비: 문제를 풀기 위해 수많은 컴퓨터가 24시간 돌아가므로 전력 낭비가 심합니다. 2021년 BBC 뉴스는 비트코인 채굴에 사용되는 전력이 스웨덴 전체 전력 소비량과 맞먹는다는 기사를 보도하기도 했습니다.
• 느린 거래 속도: 새로운 블록이 생성되는 데 비트코인은 약 10분이라는 시간이 걸립니다. 이는 실생활에서 사용하기에는 너무 느립니다.

 

3. 지분 증명(PoS): 환경을 생각하는 똑똑한 합의

작업 증명의 전력 낭비 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 지분 증명(Proof-of-Stake)입니다. '지분을 통해 증명한다'는 의미인데요, 여기서 '지분'은 사용자가 소유한 코인의 양을 의미합니다.

이해하기 쉽게 비유해 볼까요?

1. 새로운 블록 만들기: 마찬가지로 수많은 거래를 모아 새로운 블록을 만듭니다.
2. 검증자(Validator) 선정: 지분 증명 방식에서는 모든 참여자가 수학 문제를 푸는 것이 아닙니다. 대신, 자신이 가진 코인을 담보로 맡긴 사람(스테이커, Staker) 중에서 무작위로 한 명을 뽑아 블록 생성 권한을 줍니다. 마치 '투표 용지를 많이 가진 사람'에게 투표할 권한을 더 많이 주는 것과 같습니다.
3. 블록 생성 및 검증: 선택된 검증자가 새로운 블록을 만들고, 다른 검증자들이 이 블록이 유효한지 검증합니다.
4. 보상과 합의: 검증이 성공적으로 끝나면, 블록을 만든 검증자와 검증에 참여한 모든 검증자들이 보상을 받습니다.

지분 증명의 장점:

• 압도적인 효율성: 복잡한 수학 문제를 풀 필요가 없어 전력 소비가 극적으로 줄어듭니다. 이는 환경 문제에 대한 대안으로 각광받고 있습니다.
• 빠른 거래 속도: 비트코인보다 훨씬 빠르게 블록을 생성할 수 있어, 실생활에서의 사용이 용이합니다. 이더리움은 2022년 9월 '머지(The Merge)'라는 대규모 업그레이드를 통해 작업 증명에서 지분 증명으로 전환하면서 이 장점을 극대화했습니다.

지분 증명의 단점:

• 중앙화 가능성: 지분이 많은 사람일수록 블록 생성자로 선택될 확률이 높습니다. 이는 결국 부유한 소수가 네트워크를 장악할 수 있다는 비판을 받기도 합니다.
• 보안 논쟁: 작업 증명 방식에 비해 상대적으로 낮은 보안 위험이 있다는 논쟁이 여전히 존재합니다.

 

4. 위임 지분 증명(DPoS): 민주주의를 블록체인에 담다

지분 증명 방식의 중앙화 문제를 보완하기 위해 탄생한 것이 바로 위임 지분 증명(Delegated Proof of Stake)입니다. '지분을 위임해서 증명한다'는 의미인데요, 이는 현실 세계의 '간접 민주주의'와 매우 유사합니다.

이해하기 쉽게 비유해 볼까요?

1. 대표자 선출: 코인을 가진 모든 사용자들이 투표를 통해 '대표자(Delegate 또는 Witness)'를 선출합니다. 이 대표자들의 수는 정해져 있으며, 코인을 많이 가진 사람일수록 더 많은 투표권을 행사할 수 있습니다.
2. 블록 생성 권한 부여: 선출된 대표자들만이 블록 생성 및 거래 검증에 참여할 수 있습니다.
3. 대표자들의 순번제: 대표자들은 정해진 순서에 따라 돌아가면서 블록을 생성합니다. 만약 누군가 악의적인 행동을 하면, 다른 대표자들이 그를 네트워크에서 퇴출시키는 방식으로 제재합니다.

위임 지분 증명의 장점:

• 매우 빠른 속도: 소수의 검증된 대표자들만 블록을 생성하므로, PoW나 PoS보다 훨씬 빠르게 거래를 처리할 수 있습니다. 이 때문에 이오스(EOS)나 트론(TRX) 같은 코인은 초당 수천 건의 거래도 처리할 수 있습니다.
• 효율적인 운영: 소수의 대표자만 운영에 참여하므로 불필요한 경쟁을 줄여 효율성이 높습니다.

위임 지분 증명의 단점:

• 높은 중앙화: 소수의 대표자들이 모든 권한을 가지므로, 탈중앙화라는 블록체인의 기본 정신에서 가장 멀어졌다는 비판을 받습니다. 대표자들끼리 담합할 가능성도 존재합니다.
• 투표 참여율 문제: 일반 사용자들이 투표에 적극적으로 참여하지 않을 경우, 소수의 자본가들이 쉽게 대표자를 장악할 수 있습니다.

 

결론: 합의 알고리즘은 블록체인의 '규칙'이자 '심장'

합의 알고리즘은 블록체인 네트워크에서 모든 참여자들이 데이터의 유효성에 대해 동의하는 규칙입니다.

• 작업 증명(PoW): 비트코인(BTC), 도지코인(DOGE)등의 코인이 사용하는 방식으로, 복잡한 수학 문제를 가장 먼저 푼 사람이 블록을 생성하는 권한을 얻습니다. 안전하지만, 느리고 비효율적입니다.
• 지분 증명(PoS): 이더리움(ETH), 폴카닷(DOT), 카르다노(ADA)등의 코인이 채택한 방식으로, 보유한 코인의 양에 비례해 블록 생성 권한을 얻습니다. 효율적이고 빠르지만, 중앙화 논쟁이 있습니다.
• 위임 지분 증명(DPoS): 이오스(EOS), 트론(TRX), 코스모스(ATOM)등의 코인이 채택한 방식으로, 코인 보유자들이 투표로 대표자를 선출해 블록을 생성하게 하는 방식입니다. 매우 빠르지만, 탈중앙화 정신에서는 가장 멀어졌다는 평가를 받습니다.

이처럼 세 가지 합의 알고리즘은 각각의 장단점을 가지고 있으며, 블록체인 프로젝트들은 자신들의 목적에 맞는 최적의 알고리즘을 선택합니다. 합의 알고리즘을 이해하는 것은 블록체인 생태계를 이해하는 가장 중요한 첫걸음입니다.

 

[Q&A]

Q1. 작업 증명과 지분 증명, 어느 쪽이 더 좋은가요?

A1. 어느 쪽이 더 좋다고 단정하기는 어렵습니다. 작업 증명은 압도적인 보안성과 탈중앙화를 제공하는 반면, 지분 증명은 효율성과 확장성, 그리고 친환경성을 강점으로 내세웁니다. 비트코인은 '가치 저장'이라는 역할에 충실하기 위해 보안성을 우선시하고, 이더리움은 '스마트 컨트랙트 플랫폼'으로서의 확장성을 위해 효율성을 택했습니다.

 

Q2. 지분 증명 방식에서 '스테이킹'은 무엇인가요?

A2. 스테이킹(Staking)은 지분 증명 방식의 블록체인에 참여하기 위해 자신이 가진 코인을 맡기는 행위입니다. 코인을 맡기는 것만으로도 블록 생성자로 선정될 기회를 얻고, 그에 대한 보상으로 이자를 받을 수 있습니다. 마치 은행에 돈을 예금하고 이자를 받는 것과 비슷합니다.

 

Q3. 지분 증명 방식의 중앙화 문제는 해결할 수 없나요?

A3. 지분 증명 방식의 중앙화 문제를 해결하기 위해 다양한 노력이 진행되고 있습니다. 위임 지분 증명(DPoS)도 그 해결책 중 하나이며, 최근에는 '무작위성'을 강화하여 소수의 지분이 많은 사람만 계속해서 블록을 생성하는 것을 막으려는 기술들도 연구되고 있습니다.