Arbitrum vs Optimism

Arbitrum One은 옵티미스틱 롤업(ORU)기반의 이더리움 레이어2 확장 솔루션입니다. 2021년에 도입되었으며, 탈중앙화의 두 번째 단계를 달성한 최초의 EVM 롤업 기술입니다. EVM 롤업은 이더리움의 확장성을 개선하기 위한 기술로, 이더리움의 L1 체인에 여러 트랜잭션을 묶어 한 번에 처리함으로써 가스비용을 절감하는 역할을 합니다.

유효성 증명 (Validity Proof) vs 사기 증명 (Fraud Proof)

롤업(Rollup)은 유효성 증명(Validity Proof)과 사기 증명(Fraud Proof)이라는 두 가지 방식으로 구분됩니다.

유효성 증명 방식은 Layer 2에서 처리된 트랜잭션 데이터를 Layer 1에 전송할 때, 상태 변화가 올바른 것임을 증명하는 계산식을 제공합니다. 이 계산식을 통해 이더리움 Layer 1은 제출된 데이터의 유효성을 즉각적으로 확인하고 이를 메인 체인에 반영할 수 있습니다. 여기에서 중요한 것은 이러한 유효성 증명의 방식과 사용하는 기술에 따라 Layer 2 솔루션의 종류가 달라진다는 점입니다. 거래에 대한 가정 없이 암호화 증명인 제로 지식 증명(zero-knowledge proofs)을 사용하여 모든 트랜잭션의 유효성을 증명하는 방식을 사용하는 L2 솔루션이 영지식 롤업 (ZK Rollup) 입니다.

사기 증명 방식은 Layer 2에서 처리된 트랜잭션 데이터가 올바르다고 가정하며, 누군가 이의를 제기하는 경우에만 거래를 확인하고 일단 이더리움 Layer 1에 제출합니다. 이를 통해 트랜잭션 검증 비용을 줄일 수 있습니다.

그러나 사기 증명 방식에서는, 시퀀서가 악의적인 행동을 한 경우를 대비하기 위해 일반적으로 7일의 분쟁 기간을 둡니다. 이 기간 동안 시퀀서가 제출한 결과는 최종 상태가 아니며, 이의를 제기할 경우, 시퀀서와 이의 제기자 사이에서 사기 증명 과정이 진행됩니다. 만약 시퀀서가 악의적인 행동을 한 것으로 판명되면, 그 시퀀서는 패널티를 받고 이의 제기자에게는 보상이 주어집니다. 이러한 사기 증명 과정은 1주일 동안만 진행될 수 있으며, 기간이 종료된 이후에는 트랜잭션 데이터를 변경할 수 없게되어 최종적으로 승인됩니다. 이러한 사기 증명 방식을 채택하는 Layer 2 솔루션 중 가장 대표적인 것이 옵티미스틱 롤업입니다.

옵티미스틱 롤업은 이더리움의 확장성을 개선하고, 트랜잭션 비용을 줄이는 데 효과적인 기술입니다. 그러나, 사기 증명 방식의 특성상 시퀀서가 악의적인 행동을 할 수 있는 가능성이 존재합니다. 이를 방지하기 위해 시퀀서에 대한 보상과 패널티를 제공하고, 분쟁 기간을 설정하는 등의 보안 조치를 취하고 있습니다.

옵티미스틱 롤업과 ZK 롤업은 모두 이더리움의 확장성을 개선하기 위한 기술입니다. 위와 같은 검증방식과 이의제기 기간 이외에도, EVM 호환성에서 큰 차이를 갖습니다.

ZK롤업은 이의제기 기간(Challenge Period)이 따로 없어 즉각적으로 검증이 되며, 현재로서는 EVM 호환성을 제공하는 ZK롤업이 없어 개발이 어려운 상황입니다.

실제 TVL 점유율

옵티미스틱 롤업과 ZK 롤업은 모두 각각의 장단점이 있지만, 현재(08.10) TVL L2의 85% 정도의 점유율을 가져가고 있습니다. 아직은 시장이 ZK Rollup 보다는 Optimisitic Rollup 에 대해서 신뢰를 보이고 있다고 평가할 수 있습니다.

대화형 사기증명(Interactive fraud proofs) vs 비대화형 사기증명(Non-interactive fraud proofs)

사기증명(Fraud Proof)은 크게 두 가지 유형이 있습니다.

비대화형 사기증명(Non-interactive fraud proofs)

대화형 사기증명(Interactive fraud proofs)

비대화형 사기증명(Non-interactive fraud proofs)은 주장의 정확성에 대한 증명 과정에서 외부 당사자의 참여가 필요하지 않습니다. 이 방법은 두 주장 사이의 모든 상태 변화를 체인상에서 실행하여 결과적인 주장이 어떻게 바뀌었는지를 명시적으로 보여줍니다.

주된 장점은 그 설계와 해석이 굉장히 단순하다는 점입니다. 그러나, zk-proof를 활용하지 않는 한, 두 주장 사이의 변화는 체인상에서 처리 가능한 범위 내에서만 가능합니다. 현재의 이더리움 성능을 감안할 때, 이 스타일의 사기증명이 효과적으로 처리할 수 있는 상태 변화에는 제한이 따르게 됩니다.

대화형 사기증명(Interactive fraud proofs)의 경우, 두 명 이상의 당사자가 협업하여 주장의 유효성을 결정합니다. 이 과정에는 주장을 제기하는 방어자와 이에 도전하는 도전자가 참여합니다. 도전자는 방어자에게 주장을 더 세분화된 하위 주장으로 나누도록 요청하고, 그 중에서도 잘못된 것 같은 주장을 지목합니다. 이런 방식으로 계속 세분화되는 과정이 진행되어, 결국 체인상에서 실행 가능한 충분히 작은 작업 단위로 주장이 나뉩니다.

이 방법은 당사자들 간의 협력이 필수적이며, 이를 안전하게 설계하기 위해서는 복잡한 인센티브 구조가 필요하다는 단점이 있습니다. 그러나 이 방식의 큰 장점은 롤업의 거래나 블록이 L1의 제한에 구애받지 않는다는 점입니다.

단일 라운드 사기증명(Single-round) vs 다중 라운드 사기증명(Multi-round) 단일 라운드 사기 증명(Single-round interactive proving) 방식은 롤업 트랜잭션의 유효성을 검증하기 위해 이의 제기된 트랜잭션을 Ethereum의 L1에서 직접 재실행하여 계산된 상태 루트를 기반으로 도전이 정당한지 여부를 판단하는 방법입니다. 이 방식은 간단하게 사기를 감지할 수 있지만, 상대적으로 높은 가스 비용과 온체인 데이터 양이 증가한다는 단점이 있습니다.

다중 라운드 사기 증명(Multi-round interactive proving) 방식은 이의가 제기된 트랜잭션을 여러 단계로 나누어 분석하는 방법입니다. 문제가 제기된 롤업 트랜잭션이 두 동등한 부분으로 나뉘게 되며, 도전자는 어떤 부분을 이의로 제기할 것인지 선택합니다. 선택된 부분은 다시 분할되며, 이 과정은 한 실행 단계에 대한 주장만 남을 때까지 반복되고 마지막 단계에서는 L1 계약이 이 실행 단계를 평가하여 사기를 저지른 당사자를 확인하는 과정을 거칩니다. 이러한 방법으로 다중 라운드 사기 증명 방식은 L1 체인이 분쟁 조정에 있어서 작업을 최소화하기 때문에 효율적이라는 장점이 있습니다.

아비트럼(Arbitrum)의 사기 증명(Fraud Proof)

아비트럼(Arbitrum)은 위의 두 가지 유형의 사기 증명 중 대화형 사기증명(Interactive fraud proofs) 방식에 해당합니다. 아비트럼은 다양한 상태 해시(state hash)가 공존하도록 허용하는 독특한 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 방식에서 어떤 시점에서 두 주체가 서로 다른 상태 해시에 대해 스테이킹하게 되면 분쟁이 발생할 수 있습니다. 분쟁이 발생하게 된 원인이 상태 해시가 분기된 특정 시점인지, 아니면 그 이전에 일어난 분기 때문인지를 알아내는 것이 중요합니다. 이를 해결하기 위해 아비트럼은 ‘Bisection type protocol‘이라는 규칙을 활용하여 상태 해시가 분기된 원점을 추적합니다. 이 과정은 분쟁이 일어난 시점에서부터 머클 트리를 역추적하는 것으로 상상하면 됩니다. 이렇게 추적하면서 상태 해시의 분기 원인이 된 트랜잭션을 찾습니다. 이 트랜잭션은 이더리움 메인넷에서 실행되며, 그 결과로 나오는 상태 해시를 비교하여 어느 쪽이 올바른지 판단하게 됩니다. 즉, 아비트럼은 이의제기자와 방어자가 지속적으로 상호작용하며 문제점을 찾아가는 대화형 사기증명 방식을 채택합니다.

구체적으로, 아비트럼의 Bisection type protocol은 다음과 같은 단계로 진행됩니다.

1. 분쟁이 발생한 시점을 기준으로 머클 트리를 역추적합니다.
2. 상태 해시가 분기된 원인이 된 트랜잭션을 찾습니다.
3. 해당 트랜잭션을 이더리움 메인넷에서 실행합니다.
4. 실행 결과로 나오는 상태 해시를 비교하여 어느 쪽이 올바른지 판단합니다.

이러한 방식을 통해 아비트럼은 서로 다른 상태 해시를 허용하면서도 분쟁 발생시 신속하고 정확하게 해결할 수 있습니다.

아비트럼(Arbitrum) vs 옵티미즘(Optimism)

아비트럼(Arbitrum)과 옵티미즘(Optimism)은 모두 이더리움 네트워크의 부하를 줄이고, 확장성을 개선하는 데 효과적인 레이어 2 솔루션이며, 둘 다 옵티미스틱 롤업을 사용합니다.

옵티미즘은 단일 라운드 사기 증명(single-round fraud proofs)을 사용하는 반면, 아비트럼은 다중 라운드 사기 증명(multi-round fraud proofs)을 사용하는 차이가 있습니다. 이러한 사기 증명 방법에 대한 차이는 두 솔루션 간 속도와 가스 요금 차이로 이어집니다.

속도는 옵티미즘, 비용은 아비트럼

아비트럼은 분쟁이 일어난 이후 해당 분쟁이 일어난 근본적인 분기점을 머클 트리 상에서 찾는 과정을 거쳐야 하기 때문에, 아비트럼은 사기 증명을 진행하는 데에 옵티미스틱 이더리움보다 오랜 시간이 걸립니다. 하지만 이더리움 메인넷 상에서 직접 수행해야 하는 트랜잭션의 훨씬 축소화되기 때문에 비용이 적게 들어간다는 장점이 있습니다.

결론적으로, 옵티미즘과 아비트럼은 모두 이더리움의 확장성을 개선하는 데 효과적인 레이어 2 솔루션이지만, 특정 애플리케이션에 적합한 기술은 다릅니다. 빠르고 비싼 옵티미즘은 빠른 속도를 필요로 하는 애플리케이션에 적합하고, 느리고 저렴한 아비트럼은 비용을 절감해야 하는 애플리케이션에 적합합니다.

사실 아비트럼은 옵티미즘의 기술을 바탕으로 만들어진 레이어 2이기 때문에, 둘은 유사한 점이 많습니다. 하지만 각 레이어 2의 구조와 분쟁 기간 동안에 사기 증명이 이루어지는 방식, 두 가지 측면에서 분명한 차이점을 갖습니다. 이러한 차이점을 통해서 아비트럼은 후발주자임에도 불구하고 현재 약 2.5배 규모의 차이를 갖게 되었다고 볼 수 있습니다.

옵티미즘은 트랜잭션 데이터와 state root를 모두 저장하고 있기 때문에, 사기 증명에 걸리는 시간이 오래 걸리지 않습니다. 하지만 이 데이터들을 직접 이더리움 메인넷으로 끌고 와 트랜잭션을 수행해보아야 한다는 점 때문에 상대적으로 비용이 많이 들게되는 방향으로 결론됩니다.

OUTRO

이번 글에서 아비트럼 ONE과 Nova를 다루어보았습니다. 옵티미스틱 롤업의 다양한 검증 방식과 DAC 와 AnyTrust 에 대해서 다루어 보았습니다. 다음글에서는 아비트럼 DAO & Orbit 을 통해서 아비트럼 토큰($ARB) 의 의미에 대해서 자세하게 다뤄보겠습니다.

3 Lines Summary

• Arbitrum 은 Optimisitc Rolliup 으로, ‘Bisection type protocol’를 통한 대화형 사기증명 (Interactive fraud proofs)을 사용합니다.
• Arbitrum 은 다중 라운드 사기증명 (Multi-Round interactive proving), Optimism 은 단일 라운드 사기증명 (Single-Round interactive proving)을 하며, Arbitrum은 비용면에서, Optimism은 속도면에서 우위에 있습니다.
• Arbitrum Rollup 과 Arbitrum AnyTrust는 이더리움 트랜잭션을 더 빠르고 저렴하게 만드는 프로토콜입니다. 각각 이러한 프로토콜을 구현하는 체인인 Arbitrum One과 Arbitrum Nova를 사용하여 DAPP 구축 가능합니다.