Glossary for Layer 2 Solutions

PoW : Proof of Work

PoS는 Proof of Stake의 약자로, 컴퓨터 연산력의 바탕이 아닌 해당 네트워크 Native Token의 지분 보유량에 비례하여 블록을 제안하고 보상을 받을 수 있는 기회를 부여받는 합의 알고리즘입니다.

완전 분산 방식에 비해 비교적 중앙화 된 방식이지만, PoS는 네트워크에서 잃을 것이 많은 주체일수록 네트워크의 보안이나 프로토콜을 해할 가능성이 낮다는 가정을 바탕으로 네트워크의 안정성을 보장합니다. 또한 51%의 해시파워를 가지는 비용이 PoW의 방식보다 PoS의 방식이 약 100배가량 높기 때문에 특정 주체의 중앙집권은 여전히 어려울 것으로 간주합니다. 이러한 방식은 PoW의 방식과 달리 컴퓨터 연산력을 바탕으로 검증하는 것이 아니므로 상대적으로 더욱 효율적입니다.

ZKP : Zero-Knowledge Proof

모듈러 블록체인은 위 4가지 구성요소를 기능별로 다른 레이어에 분산하여 처리하는 방식으로, 모든 기능을 한 레이어에서 처리하던 모노리딕 블록체인과 달리 더욱 효율적으로 기능을 처리할 수 있게 되어 있어, 블록체인의 확장성 문제를 개선할 수 있습니다

이러한 모듈형 블록체인의 예시로는, Ethereum(2.0), Celestia and Polygon Avail, Validiums, Rollups 등이 있습니다.

2-0. Layer 2 Scaling Solution

Roll-up

롤업(Roll-up)이란, Layer 2에서 거래를 처리하고, 최종 결과만 이더리움 메인넷인 Layer 1에 전송하여 메인넷의 부하를 줄이고 처리량을 향상시키는 이더리움의 L2 확장 솔루션입니다.

[ Source: Naver Dictionary ]

롤업(Roll-up)이란 본래 말아 올리다, 여러 것들을 하나의 것으로 합치다 등의 의미를 가집니다. 즉, 오프체인에서의 여러 결과값들을 모아서 연산을 하고, 이에 대한 요약 정보를 말아 올려 합쳐진 하나의 결과값만 이더리움 온체인에 저장하는 것 입니다.

[ Source: Vitalik Buterin Blog ]

롤업에는 옵티미스틱 롤업(Optimistic Roll-up)과 ZK롤업(Zero-Knowlege Roll-up) 두 가지 주요 유형이 있습니다.

1. Optimistic Roll-up
Optimistic Roll-up은 사기 증명(fraud proof) 방식을 사용하여 트랜잭션 검증을 수행합니다. 시퀀서가 트랜잭션 데이터를 이더리움에 제출하고, 기본적으로 데이터가 올바르다고 가정합니다. 검증자들은 일정 기간 동안 잘못된 데이터를 발견하면 이의를 제기할 수 있습니다. 이의 제기 기간이 지나면 데이터가 올바른 것으로 간주되고, 옵티미스틱 롤업의 상태가 최종 확정됩니다.

⇒ 이 방식은 일반적인 스마트 컨트랙트를 지원하며, 초기 구현 비용이 낮지만, 이의 제기와 검증 과정에서 높은 가스비가 발생할 수 있습니다.

2. Zero-Knowlege Roll-up
ZK Roll-up은 유효성 증명(validity proof) 방식을 사용하여 트랜잭션 검증을 수행합니다. 시퀀서가 트랜잭션 데이터와 함께 영지식 증명을 이더리움에 제출합니다.

이 증명은 트랜잭션 데이터가 올바른지 확인하는 데 사용되며, 올바르지 않은 데이터는 처음부터 거부됩니다. 따라서 ZK-롤업에서는 이의 제기 기간이 필요하지 않고, 상태 최종 확정이 더 빠릅니다.

⇒ 이 방식은 더 높은 보안 수준과 낮은 가스비를 제공하지만, 복잡한 스마트 계약 지원에 제한이 있을 수 있습니다.

옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업의 차이점은 각 롤업이 트랜잭션의 유효성을 검증하는 방식에 있습니다.

시퀀서가 L1에 데이터를 기록할 때, 옵티미스틱 롤업과 ZK 롤업이 각각 사기 증명과 유효성 증명 방식을 사용해 검증하는데, 옵티미스틱 롤업에서는 시퀀서가 잘못된 기록을 제출할 경우 검증인이 이의를 제기할 수 있으며, 이의 제기 기간 동안 이의가 없으면 기록이 확정됩니다. 이러한 롤업 기술을 통해 이더리움 네트워크의 확장성이 향상되는 것입니다.

결론적으로, 롤업을 사용하면 이더리움 메인넷의 처리량이 크게 향상되고, 거래 비용이 절감되며, 블록체인 확장성이 개선됩니다. 이를 통해 이더리움이 다양한 사용 사례와 더 큰 규모의 애플리케이션을 지원할 수 있게 됩니다.

Zero-Knowledge rollups | ethereum.org

Sidechain

사이드체인(Sidechain) 의 기본 개념은 메인 체인 옆에 새로운 블록체인을 구축하는 것이며, 새로 구축한 블록체인과 메인체인이 양방향 브릿지(2-way peg bridge)를 통해 자산을 자유롭게 이동할 수 있게 하는 것입니다.

사이드체인의 목적은 메인 체인의 확장성 문제에서 벗어나기 위해 새로운 블록체인을 구축하여, 브릿지를 통해 넘어온 이더리움 네트워크의 자산을 사이드체인에서 저렴한 수수료와 빠른 속도로 이용할 수 있게 하는 것입니다.

사이드체인에는 치명적인 단점이 존재하는데, 네트워크의 보안 수준이 메인 체인의 보안에 의존하는 것이 아닌, 사이드체인 고유의 보안에 의존한다는 것입니다. 사이드체인이 좀 더 높은 수준의 네트워크 보안을 가져가기 위해 합의 알고리즘을 PoA가 아닌 PoS나 PoW를 사용한다고 해도 대부분의 경우 메인 체인보다 보안 수준이 낮다고 볼 수 있습니다.

SIDECHAINS

Plasma

플라즈마(Plasma)의 기본 개념은 메인 블록체인, 즉 “부모(parent) 체인”에 연결된 일련의 작은 하위 체인, 즉 “자식(child) 체인”을 생성하는 것입니다. 각 자식 체인은 독립적으로 트랜잭션을 처리하고 자체 규칙을 적용하는 동시에 주기적으로 거래 요약(Block root)을 부모 체인에 제출하여 검증을 받을 수 있습니다. 이를 통해 부모 체인은 높은 수준의 보안과 탈중앙화를 유지하면서 동시에 많은 수의 트랜잭션을 처리할 수 있습니다.

플라즈마도 확장성 개선을 위해 새로운 블록체인을 구축하고, 메인(부모) 체인과는 다른 합의 알고리즘을 가질 수 있다는 점에서 사이드체인과 비슷하다고 볼 수 있습니다. 하지만 사이드체인과 달리 플라즈마는 머클 트리(Merkle tree)의 형태로, 블록들의 머클 루트(Merkle root) 값인 블록 루트(Block root) 값을 주기적으로 메인체인에 제출함으로써 메인 체인의 보안에 의존합니다.

머클 트리(Merkle tree)는 데이터의 요약 방식 중 하나로, 데이터 변조를 블록단위로 빠르게 알아낼 수 있습니다. 플라즈마 블록들의 정보는 이러한 머클 트리를 통해 생성된 단일 해시 값인 블록루트의 형태로 요약됩니다. 사용자는 이러한 블록루트가 저장된 메인 체인을 통해서 트랜잭션의 유효성을 입증할 수 있습니다. 따라서, 만약에 자식(child)체인이 공격을 받는다고 해도 사용자는 메인 체인으로 안전하게 자금을 출금할 수 있습니다. 이는 공격을 받으면 모든 자산을 잃게 되는 사이드체인과 비교하여 갖는 가장 큰 장점이라고 할 수 있습니다.

Validium

발리디움(Validium)은 이더리움의 처리량을 개선하기 위해 오프체인 데이터 유지 및 처리를 사용하는 L2 스케일링 솔루션입니다. ZK-rollups와 유사하게, 이더리움에서 오프체인 거래의 유효성을 검증하기 위해 영지식 증명을 게시합니다. 이는 올바른 상태 전환을 보장하고 Validium 체인의 보안성을 향상시킵니다.

발리디움은 아래의 방법을 통해서 이더리움의 확장성을 개선합니다.

1. Off-chain data storage
온체인(On-chain)은 블록체인 네트워크 상에서 직접 발생하고 기록되는 거래나 데이터 처리를 의미하며, 오프체인(Off-chain)은 블록체인 네트워크 외부에서 발생하는 거래나 데이터 처리를 가리킵니다. 이러한 오프체인 데이터 저장을 통해서 거래 데이터를 이더리움 네트워크 외부에 보관하고, 상태 커밋과 유효성 증명만 이더리움 메인넷에 게시해 처리량이 향상됩니다.

2. Recursive proofs
재귀 증명(Recursive proofs)은 영지식 증명 시스템의 중요한 개념으로, 증명을 검증하는 것 자체를 다시 증명하는 과정입니다. 재귀 증명을 사용하면 많은 증명을 하나의 증명으로 압축할 수 있으며, 이로 인해 전체 데이터의 크기가 줄어들고 검증 과정이 빨라집니다. 위에서 머클 트리(Merkle tree)방식을 통해서 만들어진 머클루트를 통해서 빠르게 여러 블록의 유효성을 확인하는 것처럼, 재귀 증명을 통해 한 번에 여러 Validium 블록의 유효성을 확인할 수 있어 블록체인 처리 속도가 빨라집니다.

Validium은 유효성 증명을 통해 오프체인 거래의 무결성을 보장하고, 이더리움 메인넷의 가스비 절감, 빠른 처리량과 확장성 향상을 제공하여 특정 사용 사례에 적합합니다. 하지만 Validium은 특수 하드웨어와 높은 컴퓨팅 파워를 필요로 하며, 일반 계산 및 스마트 계약 지원이 제한적이고, 오프체인 데이터의 지속적인 가용성에 의존하는 보안 모델 때문에 사용자의 자금 인출이 제한될 수 있다는 단점도 함께 갖고 있습니다.

State Channels

상태 채널(State Channels)은 블록체인에서 발생할 수 있는 거래를 오프체인에서 처리하는 솔루션입니다. 참가자의 위험을 크게 증가시키지 않고 비용과 속도를 향상시킬 수 있으며, 이는 블록체인의 확장성 문제와 거래 처리 속도를 개선하려는 목적으로 개발된 것입니다. 상태 채널은 기본적으로 다음과 같은 과정을 거칩니다.

1. 블록체인의 특정 부분(예: 특정 참가자들의 계정 잔액)을 다중 서명 또는 스마트 컨트랙트를 사용하여 잠급니다. 이로 인해 특정 참가자들이 완전히 동의해야 상태를 업데이트할 수 있게 됩니다.

2. 참가자들은 블록체인에 제출할 수 있는 거래를 구성하고 서명하지만 거래를 블록체인에 직접 제출하지 않고, 일단 보류하게 됩니다. 즉, 참가자들은 서로 간에 서명된 메시지를 교환하여 상태를 업데이트합니다. 새로운 업데이트는 이전 업데이트보다 우선순위가 높습니다.

3. 마지막으로 참가자들은 블록체인에 최신 상태를 제출하여 상태 채널을 닫고, 다시 잠긴 상태를 해제합니다. 이렇게 상태 채널을 닫으면 그동안 채널에서 발생한 모든 거래가 한 번에 블록체인에 반영되고 정산됩니다.

결론적으로, 상태 채널은 블록체인의 거래를 오프체인에서 처리하여 블록체인의 확장성 문제를 해결하고, 참가자들의 속도와 비용을 개선합니다. 이를 통해 블록체인 기술이 더 넓은 범위의 사용과 상황에 적용될 수 있게 되고, 블록체인 기반의 시스템이 더욱 효율적이고 안정적으로 운영될 수 있게 됩니다.

An Incomplete Guide to Rollups

Data Availability Problem

데이터 가용성(Data Availability)은 블록체인 네트워크에서 블록 제안자가 블록에 포함된 모든 거래 데이터를 게시하고, 이 데이터를 모든 네트워크 참가자가 이용 가능하게 하는 능력을 의미합니다. 즉, 네트워크 상의 모든 노드가 네트워크 내 블록에 포함된 데이터를 액세스하고 다운로드할 수 있는 능력을 말합니다. 이는 블록체인 네트워크에서 중요한 역할을 하며, 거래가 유효하고 블록체인이 안전하게 운영될 수 있도록 보장합니다.

그러나 데이터를 가용하게 유지하는 것에는 한계가 있습니다. 블록체인 노드가 데이터를 다운로드하고 확인하도록 요구하는 것이 처리량을 감소시키고, 이로 인해 블록체인 네트워크의 처리 속도가 상대적으로 느려집니다. 또한, 네트워크의 크기가 증가함에 따라 저장소 용량도 증가하게 되는데, 이는 하드웨어 요구 사항도 높이게 되며, 전체 노드를 운영하는 개인의 수가 줄어들게 됩니다. 결국 직접적으로 중앙 집중화 위험을 높입니다.
Data availability

2-1. Polygon Solutions

[Source: Polygon Technology]

Polygon은 사이드체인(Polygon PoS), zk-ID 솔루션(Polygon ID) 등 이더리움을 위한 광범위한 확장과 인프라 및 개인 정보 보호 솔루션을 제공합니다. 뿐만 아니라, Polygon SDK, 플라즈마 기반 솔루션, PoS 체인 및 4개의 상호 연결된 zk 솔루션을 제공합니다. 빠르고 비용이 저렴하며, 안전한 솔루션들을 보여줍니다.

이러한 Polygon 생태계 내의 모든 프로젝트는 배포 위치에 관계없이 상호 운용이 가능합니다.

[Source: Polygon Technology]

이 프레임워크는 블록체인 채택을 촉진하기 위해 출시되었거나, 개발 중인 안전하고 저렴하며 빠르고 에너지 효율적이며 사용자 정의 가능한 솔루션을 보여줍니다.

Polygon의 솔루션들은 독립형 체인(standalone chains)과 보안 체인(secured chains) 체인을 지원하며, 모든 솔루션은 두 가지 유형의 체인에 속해있습니다.

1. Stand-alone-chains
독립형 체인은 완전한 주권을 가진 이더리움 호환 가능 블록체인 네트워크로, 자체 보안을 담당하며 프로젝트에 최대의 독립성과 유연성을 제공하며 자급자족할 수 있는 사이드 체인입니다. 기업 및 유효성 검사기 보안을 위한 대규모 커뮤니티가 있는 기존 프로젝트에 사용하기 가장 적합합니다.

2. Secured Chains
보안 체인은 보안성을 서비스로 사용하는 블록체인 네트워크로, 이더리움을 통하거나 프로페셔널 검증자를 통해 직접 제공되는 ‘Secure as a Service’ 옵션을 제공합니다.
최고 수준의 보안을 제공하지만 독립성이 다소 떨어진다는 단점이 있습니다.
아래에서는 각 솔루션의 목적과 기능, 기술적 설명을 드리겠습니다.

Public Chains

Polygon PoS

Polygon PoS는 이더리움의 사이드체인 형식으로 존재하는 Polygon 네트워크의 퍼블릭체인으로, PoS(지분증명: Proof-of-Stake) 합의 알고리즘과 Plasma(플라즈마)를 활용합니다. Polygon PoS는 이더리움의 확장성 문제를 해결하고 더 빠른 속도와 낮은 수수료를 제공하기 위해 설계되었습니다. Polygon PoS는 단순히 이더리움의 사이드체인에서 그치지 않고, Polygon에서 여러 블록체인을 묶어 이더리움의 확장을 돕는 도구를 제공하여, 개발자들이 이더리움의 확장을 돕는 ZK롤업 또는 옵티미스틱 롤업과 같은 L2 솔루션을 받을 수 있게 하였습니다.

또한 트랜잭션 작업에 사이드 체인을 사용하여, 더 저렴한 가스 비용으로 전례 없는 트랜잭션 속도를 가능하게 하는 L2 스케일링 접근 방식으로, 강력한 플라즈마 체인과 지분 증명(PoS) 유효성 검사기의 분산 네트워크 덕분에 폴리곤 PoS는 자산 보호를 보장합니다.

Polygon PoS의 네트워크는 아래의 3개 레이어로 구성되어있습니다.

[Source: Polygon website]

Bor Layer :
보어 레이어는 무작위로 생성된 트랜잭션을 모아 블록 생성을 담당하는 레이어입니다. 보어 노드에 의해 생성된 블록은 헤임달 노드에서 검증을 받으며, 검증된 블록의 블록루트(Block root)는 최종적으로 헤임달을 거쳐 이더리움 메인 체인에 커밋됩니다.

Heimdall Layer :
헤임달은 이더리움 메인넷과 병렬로 실행되는 PoS 노드 집합이며, 헤임달 레이어는 폴리곤 PoS에서 지분 증명 및 블록 검증을 관할하는 레이어입니다.
보어(Bor)에서 생성된 블록을 검증하고, 보어 레이어에서 블록 생성자(Block Producer)를 선정하며 체크포인트를 이더리움의 스마트 컨트랙트에 커밋하는 역할을 수행합니다.

Ethereum Layer :
이더리움 메인넷의 컨트랙트 집합입니다. 이더리움 네트워크 상에서 사용자들이 MATIC 토큰을 스테이킹하거나 검증자들에게 토큰을 위임할 수 있는 스마트 컨트랙트가 존재합니다. 또한, 체크포인트를 저장하는 역할도 수행합니다.

[Source: Messari]

위 차트는 이더리움과 Polygon PoS의 평균 거래 비용을 수치화한 자료입니다. 이더리움의 평균 지불 비용은 20달러 이상이지만, Polygon PoS의 평균 지불 비용은 1달러에 불과합니다.

Polygon PoS는 이더리움의 보안성을 유지하면서도 놀라운 가스비 절감을 해냈지만,

플라즈마의 근본적 문제인 데이터 가용성 문제가 존재합니다.

이러한 한계로, 처리량을 개선하고 더 나은 솔루션을 찾기 위해서 layer 2 확장 및 ZK롤업 등에 리소스를 집중하고 있습니다.

Polygon Avail (DA layer)

Polygon Avail은 트랜잭션 데이터를 오프체인으로 가져와 ZK롤업이 트랜잭션 실행 증명만 이더리움으로 보내 블록 공간과 비용을 절약할 수 있도록 하는 데이터 가용성 솔루션입니다.

기존의 플라즈마 네트워크는 트랜잭션 데이터를 아예 오프체인에 중앙화된 방식으로 저장하기 때문에 비용은 적게 들지만, 데이터 가용성에서 문제가 있었습니다. 이를 위한 해결방법인 롤업의 경우 트랜잭션 데이터를 이더리움에 저장하기 때문에 가장 안전하지만, 네트워크를 사용하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있습니다.

그러나 Avail의 경우, 데이터 가용성 레이어를 오프체인으로 외부화하여 롤업을 Validium으로 변환합니다. 트랜잭션 목록이 Avail에 게시되는 동안 이더리움에 트랜잭션 실행에 대한 작은 증명만 게시하면 시간과 비용을 약 9배 가량 단축 시킬 수 있습니다.

최근에 폴리곤에서도 중점적으로 보고 있는 솔루션이지만, 해당 글에서 용량이나 글의 목적에 따라 더 깊게 다루는 것이 적합하지 않으니, 더 관심있으신 분은 Polygon Avail 링크 를 확인해보세요.

Polygon Hermez 1.0

Polygon Hermez는 ZK롤업 솔루션 중 하나로, 이더리움 메인넷 위에서 운영되는 탈중앙 오퍼레이터를 최초로 적용한 오픈소스 롤업이며, 2021년 3월부터 공개되어 사용 가능합니다. 탈중앙화에 중점을 두고 개발되고 있어, 중앙 집중화된 운영자가 필요없는 L2 솔루션입니다.

사용자들은 롤업 네트워크에 자금을 배치하여 지갑 간 송금 및 결제를 빠르게 처리할 수 있습니다. 초당 최대 2,000건의 거래를 할 수 있으며, 현재 이더리움 메인넷 가스비와 비교해 거래 비용을 약 90% 7배 이상 절감할 수 있습니다.

Two types of zero-knowledge proofs used: zk-STARK & zk-SNARK
Polygon Hermez는 zk-STARK와 zk-SNARK, 두 가지 영지식 증명의 방식을 모두 사용하며, zk-SNARK는 빠른 증명 목적으로 사용이 되지만 무거운 zk-STARK 증명을 생성합니다. zk-SNARK는 zk-STARK 증명의 건전성을 증명하는 상태 변경에 대한 유효성 증명으로 게시되어 가스 비용을 15배까지 줄일 수 있게 됩니다.

Decentralized Sequencer
기존의 롤업 네트워크의 시퀀서는 이더리움의 검증을 받기 때문에 중앙화 되어있어, MEV가 중앙화가 될 수 있다는 우려가 있었습니다.

Introduction of zkEVM
Hermez는 zkEVM을 도입하여 StarkNet, zkSync보다 높은 이더리움 호환성을 가지게 되었습니다. 이로인해 이더리움 dApp들이 쉽게 Hermez 위로 올라올 수 있을 것으로 기대됩니다.

Polygon zkEVM (Polygon Hermez 2.0)

[Source: Polygon website]

Polygon zkEVM은 기존 zk롤업과 zkEVM을 결합한 Polygon Hermez 2.0으로서, 2022년 7월에 Polygon zkEVM으로 변경되었습니다.

영지식 증명(Zero-Knowledge-Proofs) 기술에 기반하여 zk롤업이라고 불리는 오프체인 트랜잭션 계산에 유효성과 빠른 완결성을 제공하는 분산형 이더리움 L2 확장성 솔루션입니다. 이더리움의 트릴레마(Trillema)로 인한 탈중앙화 또는 보안을 희생하지 않고서는 거래 한도를 넘어 확장할 수 없다는 문제점을 직접적으로 해결하기 위한 목적으로 등장하였습니다.

Polygon zkEVM의 이점은 아래와 같습니다.

1. EVM과 거의 동일한 환경 제공 :
ZK롤업은 전체 검증을 내리는 것에 대해서 많은 자원이 소모되기 때문에 영지식 증명 친화적인 언어로 특정 기능만 구현하고 작동하거나, 범용적인 스마트 컨트랙트를 지원하지 않는 간단한 토큰 전송 및 스왑을 지원하는 등의 기능만 부분적으로 제공되고 있었지만, zkEVM이 개발되며 EVM 오피코드 수준의 호환성을 제공할 수 있게되었습니다. 이로 인해 개발자들은 여느 EVM 호환 네트워크와 같이 솔리디티 스마트 컨트랙트 코드를 그대로 가져와서 사용할 수 있게 되었습니다.

Polygon zkEVM은 기존 이더리움의 스마트 컨트랙트의 투명한 배포를 위해 기존 EVM 오피 코드를 재현하여 EVM을 에뮬레이션하기 위해 설계된 가상 머신입니다. 이더리움 메인넷 위에서 실행되는 영지식 롤업(ZK-Rollup)을 개발하여 이더리움의 확장성과 TPS를 대폭 향상시킬 수 있습니다.

2. 수수료 절감 및 이더리움의 보안성 상속:
영지식 증명을 사용해 거래 비용을 줄이고 처리량을 늘리면서 이더리움의 보안성을 상속받습니다. 개발자들은 이미 익숙한 프로그래밍 언어와 도구를 사용해 이더리움 가상 머신과 호환되는 기존의 dApp들을 zkEVM으로 쉽게 이전할 수 있습니다.

즉, zkEVM은 EVM과 거의 동일한 환경을 제공하면서도 영지식 증명의 확장력을 제공해주는 장점이 있습니다.

zkEVM이 발표될 당시에 비탈릭 부테린(이더리움의 창업자)은 zkEVM의 분류를 네 가지 Type 으로 나누었으며, Polygon EVM을 추가 릴리스를 진행하는 Type 2로 이동할 가능성이 있는 Type 3으로 설명했습니다.

Type 1: 이더리움과 동등한 단계
zkEVM은 이더리움 layer 1 자체의 확장성을 높이는 데에 궁극적으로 필요한 기술입니다. Type 1은 이더리움 시스템과의 어떠한 차이도 없는 단계입니다. 완벽한 호환성으로 기존 이더리움의 많은 인프라를 재사용할 수 있기에 가장 이상적인 롤업입니다.

Type 2:EVM과 동등한 단계
Type 2의 zkEVM은 EVM과 동등한 단계이지만, 이더리움과 완전히 동등하지는 않습니다. 이 단계에서의 zkEVM은 이더리움 스택의 불필요하게 복잡한 부분을 제거하여 오히려 Type 1보다 빠른 증명 시간을 제공합니다. 다른 해시 함수를 사용하기 때문에 이더리움 시스템의 인프라를 그대로 사용할 수는 없지만, 약간의 수정을 통해 사용할 수 있습니다. 그러나 EVM과 ZK의 비친화성으로 인해 증명 시간이 여전히 느릴 수 있습니다.

Type 3: EVM에 가까운 단계
Type 3의 zkEVM은 이 단계에서 구현하기 어려운 몇 가지 기능을 제거함으로서 구축이 더 쉽고 검증 시간이 빨라졌다는 장점이 있습니다. 하지만 이로 인하여 더 많은 애플리케이션과 호환이 어렵다는 단점이 따라옵니다.

Type 4: 고급 언어 단계
Type 4의 zkEVM은 고급언어(Solidity, Vyper 등)로 작성된 스마트 컨트랙트 소스 코드를 ZK-SNARK 친화적인 언어로 컴파일 합니다. EVM실행 단계의 각 부분에 대해 ZK 증명을 하지않고, 고급언어로 실행을 하면 많은 오버헤드를 피할 수 있으며, 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 Solidity 등으로 작성 된 일반적인 애플리케이션이 아닌 경우 아래와 같은 호환성의 문제를 염두에 두어야 합니다.

Polygon Zero

Polygon Zero는 재귀적 ZK 증명(Recursive-ZK-Proofs)으로 구동되는 분산형 애플리케이션 프로젝트인 Mir 프로토콜로 시작되었습니다. 이더리움 네트워크의 TPS 한계로 인한 거래 지연과 높은 가스비용 문제를 해결하며, 세계에서 가장 빠른 ZK롤업 구축을 목표로 하는 솔루션입니다.

재귀적 ZK증명(recursive-proofs)

‘재귀적 ZK 증명’은 한 번에 처리할 수 있는 거래 수를 늘려, 기존의 증명 생성 시스템보다 저 빠른 속도를 제공합니다.

기존 ZK롤업들의 경우, 대량의 거래가 포함된 배치(batch)에 대한 증명을 생성하는데에 상당한 컴퓨팅 자원이 필요했으며, 일반용 애플리케이션을 지원해야 하는 EVM 호환성이 필요한 경우 더 느려지는 점이 있었습니다.

반면, 재귀적 ZK증명은 각 거래가 검증되면 재귀 알고리즘이 모든 증명을 집계하여 결국 하나의 증명으로 정리되며, 최종 증명의 메인넷 전송을 더 빠르고 비용을 감소시킬 수 있습니다.

가장 빠른 재귀 증명 생성자

[Source: Messari]

Polygon Zero는 0.17초마다 SNARK 증명을 생성할 수 있는 Plonky2라는 재귀 ZK 증명 생성기를 통해 이를 가능하게 했습니다. Plonky2는 2019년에는 각 재귀 증명을 생성하는데 2분의 시간이 소요됐었으나, 현재는 0.17초로 생성 시간을 줄여 세계에서 가장 빠른 재귀 ZK증명자가 되었습니다.

Polygon Miden

[Source: Polygon website]

Polygon Miden이란

Polygon Miden은 동시에 로컬 트랜잭션의 실행 증명을 활용할 수 있는 최초의 분산형 롤업입니다. Polygon의 ZK 롤업 솔루션 중 하나이며, EVM과의 호환성 보다는 ZK 친화성을 우선한다는 점에서 다른 많은 롤업들과의 차이점을 가집니다. Miden은 ZK 중심의 설계를 중점으로 이더리움의 기능을 확장하는 것에 목표를 두고 있습니다.

검증 방식의 패러다임 변경
블록체인은 재실행을 통해 검증을 하지만 재실행은 투명성과 처리 능력이 필요로 하며, 재실행에 의한 검증은 블록체인을 느리게 합니다. 그러나 영지식 증명은 재실행(투명성과 처리 능력) 없이 검증할 수 있는 가능성을 제공합니다.

로컬에서 스마트 컨트랙트 실행

• Polygon Miden 사용자는 로컬에서 스마트 컨트랙트를 실행하고, 네트워크에 영지식 증명을 전송할 수 있습니다. 이렇게 될 경우, 연산자가 원래 트랜잭션을 실행하는 것보다 빠르게 검증하고 상태를 업데이트 할 수 있습니다.
• 연산 부담이 줄어들기에 병렬 처리가 가능해지고 최소 비용으로 거래를 처리할 수 있습니다.
• 자산을 계정에 로컬로 저장하여 공격자가 모든 계정을 개별 공격해야 하는 구조로, 잠재적 버그를 악용하기 어렵다는 장점이 있습니다.

비동기 실행

• 대부분의 트랜잭션의 공개 상태를 변경할 필요가 없도록 하는데, 이는 스마트 컨트랙트 간의 모든 상호작용이 비동기로 만들어졌기에 가능합니다.
• 비동기 상호 작용은 각각의 트랜잭션을 독립적으로 처리한 후 결과를 나중에 결합할 수 있게 하여 블록체인의 처리 효율을 향상시킵니다.
• The asynchronous execution model mitigates risk by preventing the transfer of funds to non-existent addresses.

SNARK & STARK
대부분의 ZK롤업이 ZK-SNARK(Succinct Non-interactive Argument of Knowledge)를 사용하는 반면, Miden은 ZK-STARK(Scalable Transparent Argument of Knowledge)라는 다른 증명 방식을 사용합니다.

SNARK와 STARK 두 기술 모두 개인 정보 보호 및 확장 기술로서 작동하며, 애플리케이션에 더 안전하고 빠른 속도로 증명을 검증할 수 있는 기능을 제공한다는 공통점이 있지만, 세부적인 사항에서 차이점이 있습니다.

App Specific Chain

Polygon Edge

[Source: Polygon website]

Polygon Edge는 이더리움 호환 체인을 개발하기 위한 다양한 확장 및 인프라 솔루션을 지원하는 모듈식 블록체인 개발 프레임워크입니다. Substrate(Polkadot) 또는 Cosmos SDK와 유사하게, Edge는 애플리케이션 특정 체인의 개발을 용이하게 합니다.

2021년 5월에 출시된 서비스로, 이더리움 호환 블록체인 네트워크를 구축하기 위한 확장 가능 모듈식 프레임워크이며, Polygon Edge는 Polygon SDK에서 변경된 이름입니다. SDK는 ‘Software Development Kit’의 약자로, 블록체인 개발자들은 자신만의 블록체인 네트워크를 구축하고, 폴리곤의 기술 및 인프라를 활용할 수 있습니다.

다양한 Edge 모듈

비즈니스의 요구 사항에 맞게 커스터마이징 할 수 있는 다양한 모듈이 존재하며, 각 모듈은 다음과 같은 기능을 수행합니다.

• Blockchain : Polygon Edge 시스템 내 모든 것을 조정할 수 있는 블록체인 레이어.
• Consensus : 새로운 블록체인이 사용할 합의 메커니즘을 선택할 수 있는 모듈.
• State : 상태 전환 로직을 사용하여 상태 변경 과정을 돕는 레이어.
• Libp2p : Polygon Edge의 기반을 제공하는 모듈식 프레임워크, Libp2p를 통해 노드는 서로 상호 작용을 하며 합의 및 블록 동기화 등 복잡한 프로세스에 참여 가능.
• Storage : LevelDB 데이터 저장 및 메모리 내 데이터 저장용 모듈.
• JSON RPC API : dApps 개발자가 블록체인을 연결하는 것을 도움.
• Sealer : 거래를 수집하고 새 블록 생성을 돕는 모듈.
• TxPool : 트랜잭션 처리를 위한 중앙 모듈역할을 하며, 다른 노드에서 수동으로 추가하거나 받은 트랜잭션을 처리.
• Minimal : Polygon Edge 네트워크 내 실행되는 모든 모듈의 허브 역할.

두 가지 합의 메커니즘

Polygon Edge는 PoA와 PoS의 두 가지 형식을 지원하는 합의 메커니즘을 사용합니다.

(1) IBFT 권한 증명(PoA)
PoA는 검증자가 신뢰할 수 있는 한 빠른 블록 생성 시간과 높은 처리량을 제공해줄 수 있고, 비교적 간단하고 이해하기 쉬운 합의 방식입니다. 기본적으로 설정된 합의 알고리즘이며, 검증자가 블록을 생성하고 블록체인에 추가하는 역할을 담당합니다. 검증자들은 동적 검증자 집합을 형성하며, 투표 메커니즘이 검증자를 추가하거나 제거할 수 있게 합니다.

따라서 노드의 과반수(51%)가 특정 검증자를 추가/삭제하도록 투표하면, 검증자가 집합에서 추가/제거됩니다. 이 과정은 악의적인 검증자를 네트워크에서 제거하고 새로운 신뢰할 수 있는 검증자를 추가하는 데 도움이 됩니다.

(2) 지분 증명(PoS)
PoS는 IBFT PoA의 대안으로, 노드 운영자가 체인을 시작하기 전에 두 합의 메커니즘 중 하나를 선택할 수 있습니다.

Polygon Edge에서는 에포크라는 개념이 도입되며, 특정 시간 동안 특정 그룹의 검증자가 블록을 생성할 수 있습니다. 노드 운영자는 제네시스 생성 중에 에포크 길이를 변경할 수 있습니다. 각 에포크가 진행되는 동안 검증자 집합이 수정되며, 에포크 블록을 설계하는 동안 노드는 검증자 집합을 쿼리합니다.

PoS는 에너지 효율이 높아 친환경적인 메커니즘으로 인식이 잡혀있으며, 합의에 참여하는 노드에 투자를 요구함으로써 보안을 강화시키고, 경제적 인센티브와 패널티를 통해 노드를 유지하는 특징을 가지고 있습니다.

결론
Polygon Edge makes it easy for developers to implement different scaling solutions, consensus mechanisms, and other features by giving them the option to choose a customized blockchain and consensus mechanism, as well as additional features.

Polygon Supernets

[Source: Polygon website]

Polygon Supernets는 2022년 4월에 출시되었습니다. Polygon Edge에 의해 구동되며, 특정 사용 사례에 맞게 설계된 애플리케이션 특화 블록체인 네트워크입니다.

[Source: Polygon Supernets Sales deck]

Supernets는 Polygon Edge에 의해 구동되지만, 같은 개념은 아닙니다.

Polygon Edge는 블록체인 개발 프레임워크로 다양한 스케일링 및 인프라 솔루션을 제공합니다.

반면에, Polygon Supernets는 이러한 프레임워크를 사용하여 고성능 맞춤형 블록체인 네트워크를 구축할 수 있는 환경을 제공합니다.

Polygon Edge가 Polygon Supernets의 일부분으로 포함되어 있는 것으로 볼 수 있고, Supernets는 안전한 데이터 공유 허브 역할을 하면서 공동 작업을 촉진시킬 수 있는 상호 연결된 네트워크 모임입니다. 블록체인을 구축 할 때 개발자들이 직면하는 확장성과 처리량 문제들을 해결해주며, 사용자들은 맞춤형 네트워크를 빠르게 구축할 수 있습니다.

Supernets 사용 이점은 아래와 같이 4가지가 있습니다.

1. 다른 블록체인과의 통신 (다양성)
Supernets에는 아토믹 스왑, 크로스체인 토신 프로토콜, 사이드 체인 등 다양한 기술이 적용됩니다. 이러한 기술들을 통해 서로 다른 블록체인이 서로 통신하고 상호 작용할 수 있는 네트워크 간의 브릿지로 생각할 수 있습니다.

2. EVM 및 스마트 컨트랙트에 대한 완벽한 지원 제공
EVM을 Supernet 프레임워크에 통합함으로써 개발자는 Solidity와 같은 고급 언어를 사용하여 플랫폼에서 생성된 스마트 계약을 EVM 바이트코드로 컴파일합니다. 또한 개발자는 수정 없이 Solidity 계약을 Supernets로 쉽게 이식할 수 있습니다. 이 EVM 지원 덕분에 이더리움 경험이 있는 개발자는 기존 기술과 지식으로 Supernet 유틸리티를 쉽게 활용하여 새 애플리케이션을 만들 수 있습니다. 

3. Polygon Edge 인증 파트너의 지원
블록체인 네트워크를 생성하고 관리 및 유지하는 것에 대해 경험이 없는 앱 개발자는 효과적으로 수행할 수 없습니다. 폴리곤은 이러한 문제 해결을 지원할 수 있는 인증된 개발 팀으로 구성된 Edge 인증 파트너를 제공합니다. 또한 슈퍼넷은 1억 달러 규모의 펀드를 조성하여 슈퍼넷의 개발 및 채택을 지원하고 있습니다.

4. 맞춤형 고성능 블록체인 네트워크
모듈식 프레임워크를 제공하고 블록체인 개발을 단순화하여, 비즈니스 로직에 적합한 맞춤형 블록체인 네트워크를 구축할 수 있도록 도와주며, 기존 블록체인 네트워크와의 통합을 간소화하는 오픈 아키텍처를 제공합니다.

Onchain Privacy

온체인 프라이버시(Onchain Privacy)는 블록체인 네트워크에서 트랙잭션과 사용자 데이터의 프라이버시와 기밀성을 보호하기 위한 개념입니다. 기본적으로 블록체인은 투명성과 변경 불가능성을 제공하므로 모든 거래와 데이터는 공개되어 영구적으로 기록됩니다. 이러한 특성 때문에 프라이버시와 기밀성에 대한 우려가 발생할 수 있습니다. 현재 이러한 우려와 문제를 암호화, 영지식증명(ZKP), 믹싱 서비스(Mixing Services), 링 서명(Ring Signature) 등의 기술을 통해서 해결하고 있습니다. 이를 통해 기업과 개인 사용자들은 블록체인의 이점을 활용하면서 민감한 정보를 보호할 수 있습니다.

Polygon ID

[Source: Polygon website]

Polygon ID는 통합 온체인 프라이버시 확장 서비스를 구축하기 위해 Polygon zkEVM에 통합되는 Web 3 ID 시스템이며, 영지식 증명을 사용하여 사용자가 민감한 정보를 제 3자와 공유하지 않고 온라인에서 신원을 확인할 수 있도록 도와줍니다.

ID SDK 및 지갑 dApp 개발 인터페이스를 시작하여 더 많은 응용 프로그램을 연결할 수 있으며, ID 인프라는 기본적으로 자주적 신원 및 개인 정보 보호 원칙에 따라 앱과 사용자 간의 신뢰할 수 있고 안전한 관계를 촉진시킬 수 있습니다. 

영지식 증명을 통한 개인 정보 보호

영지식 증명을 사용하는 신원 보유자는 자신의 개인 데이터를 비공개로 유지하며 검증을 할 수 있습니다. VC 검증 과정에서 Verifier에게 실제 VC를 알리지 않고 특정 기준과 일치하는 VC의 소유자라는 증거만 보여주면 됩니다.

블록체인 고유 ID & 온체인 검증

증명 검증은 스마트 계약을 통해 오프체인 또는 온체인에서 수행할 수 있습니다. VC형식의 오프체인 데이터를 이제 온체인 검증에 사용할 수 있으므로 신뢰하기 어려웠던 온체인 트랜잭션을 보장할 수 있습니다.

자주권 부여

Polygon ID는 사용자에게 자주권을 부여합니다. 사용자는 자신의 개인 키를 관리하는 유일한 사람이며, VC를 발행한 발행자의 허가 없이 제 3자와 공유할 수 있습니다.

Iden3
Polygon zkEVM이 Hermez 인수를 통해 나온 것처럼, Polygon ID도 iden 3을 기반으로 하는 패키지입니다.

영지식 증명 기술을 사용하는 분산형 ID 프로토콜인 iden 3을 기반으로 캡슐화되어 검증자가 개인 데이터를 얻지 않고도 개인 자격 증명이 유효한지 확인할 수 있습니다. 이를 통해 실제 ID를 Web3로 쉽게 마이그레이션할 수 있고, 사용자 개인 정보를 보호하고 KYC/AML과 같은 규제 요구 사항을 충족합니다.

Polygon ID 프레임워크 아키텍처
프레임워크의 아키텍처는 Identity Holder, Issuer 및 Verifier의 세 가지 모듈로 구성됩니다.

[Source : Polygon ID Documentation tutorials]

(1) 신원 보유자 (Identify Holder)
발급자가 서명한 보유자의 신원 정보입니다. 발급자로부터 VC(Verified Credential)를 발급받아 지갑에 보관하며, 영지식 증명을 생성하여 검증자에게 제공합니다. 검증자는 증명이 특정 기준과 일치하는지 확인 후 결과를 반환합니다. 이 과정에서 신원 데이터는 알려지지 않습니다.

(2) 발급자 Issuer
인증서를 보유자에게 VC를 발행하는 모든 개체이며, VC는 발행자에 의해 암호화 서명을 하고 확인 가능한 인증서 보유자에게 전달됩니다.

(3) Verifier
Verifier는 Holder가 제시한 증명을 검증합니다. 소유자가 지갑에 보유한 VC를 기반으로 증명을 보내도록 요청하고, 증명을 검증하는 동안 검증자는 일련의 검사를 수행합니다.

Use cases

• DAO : Polygon ID를 사용하면 DAO에서 회원의 신원을 밝히지 않고 회원 자격을 확인할 수 있습니다 .
• KYC : 사용자가 한 번의 증명으로 KYC 자격을 받고 금융 및 기타 고가 서비스를 이용할 때 개인 정보를 다시 공개하지 않아도 되는 솔루션을 만들 수 있습니다.
• 전자 상거래 : 고객에게 ID 레이어를 제공해서 결제 보안을 강화하고, 결제 데이터 저장 비용을 아낄 수 있습니다.
• 저담보 대출 : 개인 신용 점수 등을 영구 ID와 결합하여 담보 대출에 필요한 요소를 온체인으로 가져오는데 사용할 수 있습니다.
• 휴대용 아바타 및 평판 : 다양한 게임과 메타버스에서 사용할 디지털 자산, 업적 및 진행 상황을 저장하고 업데이트할 수 있습니다.

Polygon ID는 Kaleido, Fractal 및 Collab.Land를 포함한 여러 프로젝트는 이미 출시와 동시에 Polygon ID를 통합하기로 약속했으며, 총 400만 명 이상의 사용자 기반을 가지고 있습니다. 또한 메타버스 플랫폼 The Sandbox 및 빌더 커뮤니티 Guild.xyz 또한 Polygon ID를 통합할 예정입니다.

Polygon Nightfall

Polygon Nightfall은 기업용 분산 프라이빗 트랜잭션을 제공하는 블록체인 해결책입니다. 이 프로젝트는 Polygon과 EY 사이의 협력으로 진행되었으며, 최적화된 영지식 기술을 활용하여 기업들에게 안전하고 접근 가능한 블록체인 네트워크를 제공합니다.

Polygon Nightfall은 퍼블릭 블록체인과 프라이빗 블록체인의 문제점을 해결하기 위해 최적의 접근 방식을 모색합니다. 퍼블릭 블록체인은 프라이버시가 떨어지지만, 프라이빗 블록체인은 데이터 변경 가능성이 높아져 신뢰성이 감소합니다.

Polygon Nightfall은 Optimistic-ZK 하이브리드 방식을 도입하여 프라이빗 및 퍼블릭 네트워크의 문제점을 해결하고, 블록체인의 개방성, 변경 불가능성 및 보안을 희생하지 않고 완벽한 프라이버시와 익명성을 제공합니다.

Nightfall의 주요 장점은 신뢰성, 기밀성, 효율성으로, 기업들은 완전한 거래 익명성을 누리면서 공용 네트워크에서 비즈니스 거래를 수행하는 가장 효율적인 방법을 제공합니다.

2-2. Road map

지금까지는, 기존 네크워크의 데이터 가용성 및 확장성 등의 문제들을 해결하기 위한 2-1 Polygon Solutions을 알아보았습니다.

이 글의 마지막 2-2 Road map에서는, 폴리곤은 어떤 문제를 해결해왔는지, 앞으로는 어떤 문제를 해결할 것인지에 대해 확인해보며 Polygon의 로드맵에 대해 살펴보겠습니다.

~23년 4월 이전 ~Prior to April 23

• 2017
  • MATIC 네트워크 설립
• 2019
  • Binance IEO
• 2020
  • 메인넷 출시 – PoS 체인과 Plasma 체인 출시
• 2021
  • 2월 : Matic – Polygon 리브랜딩
  • 8월 : Polygon – zk롤업 플랫폼 Hermez 합병
• 2022
  • 2월 : Polygon VC 라운드 완료 – 새로운 벤처 자금 조달 라운드에서 4억 5천만 달러 조달
  • 4월 : 탄소 네거티브 로드맵에 커밋
  • 7월 : zkEVM – EVM과 완전히 동등한 최초의 ZK 스케일링 솔루션을 공개
  • 10월 : Polygon zkEVM 테스트넷 런칭
• 2023-1월
  • Polygon Labs 소개
  • Polygon Foundation 설립
  • Polygon PoS 하드포크 V0.3.1
• 2023-3월
  • zkEVM 메인넷 베타 출시
  • Polygon Avail의 메인넷 런칭 – Avail을 폴리곤 랩스에서 완전 분리

23년 4월 이후 앞으로의 로드맵

• 2023-04 : Polygon zkEVM 메인넷 런칭 예정 – ZK 스케일링
• 2023-05 : Nightfall 첫 번째 제품 출시 예정
• Polygon Avail의 퍼블릭 테스트넷은 이미 가동 중이고 곧 로드맵과 퍼블릭 메인넷 계획에 대한 추가 발표를 예정

Polygon의 로드맵을 보게 되면, 과거에는 확장성(Scalability)을 개선 시키는 것에 집중해왔으며, 앞으로는 온체인 프라이버시(Onchain Privacy), 데이터 가용성(Data Availability) 문제 해결에 중점을 두고 있는 것을 알 수 있습니다.

1. 데이터 가용성 (Data Availability)
Polygon Avail maximizes the characteristics of a modular blockchain, which handles only data availability (and consensus) among the blockchain’s duties, leaving computation to other layers.

2. 온체인 프라이버시 (Onchain Privacy)
Polygon ID는 사용자들에게 보안 강화된 디지털 ID 기능을 제공합니다.

영지식 증명을 사용하여 사용자가 민감한 정보를 제 3자와 공유하지 않고 온라인에서 신원을 확인할 수 있도록 도와줍니다.

Polygon Nightfall은 프라이버시 기능이 강화된 제품입니다.

• 기업 고객에 초점을 둔 퍼블릭 네트워크
• 기업의 거래 비용 절감 및 프라이버시 보장
• Polygon과 Ernst & Young (EY) 협력
• ERC20, ERC721, ERC1155 토큰의 개인 전송 비용 감소
• Optimistic Roll-up 기술 및 영지식증명 활용

OUTRO

폴리곤 시리즈의 두 번째 글(2. Polygon products)이었던 이번 포스팅에서는 폴리곤이 어떤 구조를 가지고 있고, 어떠한 문제점들을 가지고 있는 지, 어떤 방식을 통해서 문제를 해결하고, 또 어떤 문제들을 해결해왔고, 중점적으로 하고 있는 지 알아 보았습니다.

Three-line summary

✅ 폴리곤은 모듈형 블록체인(Modular Blockchain)이라는 독특한 구조를 가진다.

✅ 폴리곤은 이러한 독특한 구조를 통해서, 이더리움 네트워크에 다양한 Layer 2 스케일링 솔루션을 제공하는 방식으로 이더리움의 문제를 해결한다.

✅ 폴리곤은 초기에 확장성 문제(Scalability)부터 현재의 온체인 프라이버시 문제(Onchain Privacy) 및 데이터 가용성(DA)의 문제까지 중점적으로 해결하고 있다.

다음 글(3. Polygon in Number)에서는, 폴리곤에 대해서 구체적인 숫자를 통한 분석을 제공할 예정입니다. 이를 통해서, 폴리곤을 선택해야하는 이유에 대해서 구체적인 수치를 활용하여 판단 가능할 것 입니다.