1-1. 아비트럼(Arbitrum) 탄생 배경

이더리움(Ethereum)은 현재 누구도 부정하기 힘든 명실상부 No.1 레이어 1 블록체인입니다. 하지만, 지난 폴리곤 글에서 다루었듯이, 이더리움은 트릴레마(Trilemma)로 인해서 확장성, 탈중앙화, 보안성 간의 상충 관계라는 한계점을 갖습니다. 이더리움은 탈중앙성과 보안성 부분에서는 이미 가장 뛰어나다고 평가받기 때문에, 확장성 부분이 가장 큰 문제입니다. 그렇기에 이러한 확장성 문제를 극복하고자 폴리곤(Polygon)과 아비트럼(Arbitrum)과 같은 다양한 L2 솔루션들이 나오고 있습니다.

Same Problem – Scalability

이전 글에서 다루었듯이, 폴리곤(Polygon)은 이더리움의 확장성(Scalability) 문제를 극복하기 위해 등장한 Layer 2 확장 솔루션입니다. 이더리움 네트워크는 위에 언급한대로 높은 트랜잭션 수수료와 처리 시간, 확장성 문제를 가지고 있어서 다양한 사용자와 DApp(탈중앙화 애플리케이션)개발에 제약이 있습니다. 이러한 문제를 해결하고자 폴리곤은 플라즈마(Plasma) 기술을 기반으로 사용하여 이더리움의 확장성을 개선하고, 비용과 지연 시간을 줄이는 것을 목표로 하고있습니다.

아비트럼(Arbitrum) 또한 폴리곤과 같이, 이더리움 네크워크의 높은 트랜잭션 수수료와 처리 시간을 줄이기 위해 등장하게 되었습니다. 하지만 플라즈마 기술을 활용하는 폴리곤과 달리, 아비트럼은 롤업(Roll-up)을 기반으로 한 기술을 사용하여 이더리움의 확장성을 개선하고자 합니다.

Other Solution – Polygon(Plasma) | Arbitrum(Roll-up)

아비트럼은 앞서 다룬 폴리곤과 같이 이더리움의 확장성 문제를 해결하고자 하는 맥락에서 나왔습니다. 동일한 문제를 해결하기 위해서 나왔지만, 폴리곤은 플라즈마를 통해서, 아비트럼은 롤업을 통해서 해결하려는 점에서 차별성을 가집니다.

Polygon: Plasma

Polygon PoS는 이더리움의 사이드체인 형식으로 존재하는 Polygon 네트워크의 퍼블릭체인으로, PoS(지분증명: Proof-of-Stake) 합의 알고리즘과 Plasma(플라즈마)를 활용하여, 이더리움 네트워크의 성능과 확장성을 향상시키고 있습니다. 플라즈마에 대한 더 자세한 설명은 이전 글의 Plasma 부분에 나와있습니다.

Polygon PoS는 이더리움의 보안성을 유지하면서도 놀라운 가스비 절감을 해냈지만, 플라즈마의 근본적 문제인 데이터 가용성 문제가 존재하므로, 더 나은 솔루션을 찾기 위해서 L2 확장 및 ZK롤업 등에 리소스를 집중하고 있는 추세를 볼 수 있습니다.

Arbitrum: Roll-up

아비트럼(Arbitrum) 또한 이더리움 Layer 2 확장 솔루션으로, 롤업(Rollup)을 사용하는 프로토콜입니다.

Roll-up

롤업이란 Layer 2에서 거래를 처리하고 최종 결과만 이더리움 메인넷인 Layer 1에 전송하여 메인넷의 부하를 줄이고 처리량을 향상시키는 방법으로, 옵티미스틱 롤업과 ZK롤업이라는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

1) Optimistic Rollup

사기 증명 방식을 사용하여 트랜잭션 검증을 수행합니다. 데이터가 올바르다고 가정하고, 검증자들은 잘못된 데이터를 발견하면 일정 기간 동안 이의를 제기할 수 있습니다. 이의 제기 기간이 지나면 데이터가 올바른 것으로 간주되고 상태가 최종 확정됩니다. 이 방식은 일반적인 스마트 컨트랙트를 지원하며 초기 구현 비용이 낮지만, 이의 제기와 검증 과정에서 높은 가스비가 발생할 수 있습니다.

2) ZK Rollup

유효성 증명 방식을 사용하여 트랜잭션 검증을 수행합니다. 시퀀서가 트랜잭션 데이터와 함께 영지식 증명을 이더리움에 제출하여 데이터의 올바름을 확인합니다. 올바르지 않은 데이터는 처음부터 거부되며, 이의 제기 기간이 필요 없고 상태 최종 확정이 빠릅니다. ZK롤업은 더 높은 보안 수준과 낮은 가스비를 제공하지만, 복잡한 스마트 계약의 지원에 제한이 있을 수 있습니다.

아비트럼의 롤업은 옵티미스틱 롤업 기술의 사기 증명(Fraud Proof) 방식을 사용하여 트랜잭션 검증을 수행합니다. 옵티미스틱 롤업에서는 데이터가 올바르다고 가정하고 검증자들은 잘못된 데이터를 발견하면 일정 기간 동안 이의를 제기할 수 있으며, 이의 제기 기간이 지나면 데이터가 올바른 것으로 간주되고 상태가 최종 확정됩니다.

아비트럼 개발사인 Offchain Labs에서 말하는 옵티미스틱 롤업 선택의 주요 이유를 요약하면 아래와 같습니다.

1. 사용자 요구 속성 충족 : 옵티미스틱 롤업은 안전, 보장된 진행, 가시성, 빠른 Finality 등 사용자들이 원하는 속성을 무신뢰(Trustless) 방식으로 제공합니다.
2. 네트워크 중앙화 감소 : ZK 증명은 작업처리 비용에 많은 비용이 들기 때문에 ZK 프로토콜에 완전히 참여하려면 전용 하드웨어가 필요하거나 병렬 처리를 필요로 하는 경우가 많아, 네트워크의 중앙화를 높일 수 있습니다. 반면 옵티미스틱 롤업은 이러한 문제를 줄여줍니다.
3. 낮은 비용 : 높은 오프체인 비용이 들어가는 복잡한 ZK 증명보다, 옵티미스틱 롤업은 코드를 실행하는 데 드는 비용이 복잡한 암호학적 증명 계산에 비해 훨씬 저렴합니다. 그로 인해 운영 비용 면에서 큰 이점을 가집니다.

내용 참고 : Offchain Labs

아비트럼 또한 폴리곤과 같이 이더리움의 트릴레마 문제를 해결하고자 하며, 폴리곤은 플라즈마 기술을, 아비트럼은 롤업 기술을 활용해 이더리움의 확장성을 향상시키려고 합니다. 아비트럼은 특히 옵티미스틱 롤업의 사기 증명 방식을 통해 트랜잭션 검증을 수행하여, 초기 구현 비용을 줄이고 일반적인 스마트 컨트랙트를 지원합니다.

1-2. Arbitrum Features and Technology

The first permissionless Ethereum layer 2 rollup with full Ethereum smart contract functionality

아비트럼(Arbitrum)은 수많은 L2중에서 2020년에 가장 먼저 L2 메인넷을 출시하였습니다. 그 뿐만 아니라, Stylus와 WASM virtual machine을 통해서, EVM 동등성과 더 빠른 속도와 더 낮은 가스비라는 장점을 갖고 있습니다. 이를 통해서 많은 이더리움 개발자들의 선택과 지지를 받고 있는 L2 메인넷입니다.

실제로, 차트에서 보이는 바와 같이 시장 점유율 60.83%로 현재 가장 활성화된 Layer 2 네트워크인 것을 확인할 수 있습니다.

Arbitrum Nitro → Lower gas costs, EVM compatibility

아비트럼 나이트로(Arbitrum Nitro)는 Arbitrum One, Nova에 사용되는 기술 스택으로, 크게 4가지 주요 개념을 중심으로 개발되었습니다.

1. Sequencing, Followed by Deterministic Execution : 시퀀싱 후 결정론적 실행
   시퀀싱 후 결정론적 실행(Deterministic Execution)’이라는 방법을 통해 트랜잭션을 처리합니다. 트랜잭션을 먼저 단일 정렬된 순서(Sequence)로 구성하며, 그 순서대로 결정론적 상태 변환 함수(Deterministic state transition function)에 의해 처리하는 두 단계를 통한 전략을 사용합니다.
2. Geth at the Core : Geth를 핵심 코드로 사용 (EVM 호환성)
   Nitro는 go-ethereum (“Geth”) 이더리움 노드 소프트웨어의 핵심 코드를 컴파일하여 이더리움의 데이터 구조, 형식 및 가상 머신을 지원합니다. Geth는 go-ethereum의 핵심 코드로, Nitro는 이를 통해 이더리움의 데이터 구조, 형식, 가상 머신을 지원하며, 이더리움과의 높은 호환성을 확보하게 됩니다.
3. Separate Execution from Proving : 실행과 증명의 분리 (WASM 의 활용)
   Nitro는 ‘실행과 증명의 분리’를 도입하여 동일한 소스 코드를 두 번 컴파일합니다. 한 번은 Nitro 노드에서 실행을 위해 속도를 최적화된 네이티브 코드이고, 다른 한 번은 이식성과 보안을 최적화한 WASM 코드로 증명에 사용됩니다.
4. Optimistic Rollup with Interactive Fraud Proofs : 옵티미스틱 롤업과 대화형 사기 증명
   레이어 1 이더리움 체인에 트랜잭션을 결산합니다. 이 방법은 아비트럼에서 개척된 대화형 사기 증명을 포함하는 옵티미스틱 롤업 프로토콜을 활용한 것입니다.

Arbitrum One → The first EVM Rollup to achieve the second stage of decentralization

Arbitrum One은 Arbitrum의 롤업 프로토콜을 구현하는 L2 옵티미스틱 롤업 체인입니다. 이 체인은 여러 트랜잭션을 묶어 이더리움의 L1 체인에 한 번에 게시함으로써 이더리움의 가스 비용을 절감하는 역할을 합니다. 그리고 ‘Optimistic execution’ 방식에 의존하며, 이 방식은 모든 트랜잭션이 기본적으로 올바르게 처리된다고 가정합니다. 이로 인해 잘못된 트랜잭션을 검출한 검증자에게는 보상이 주어집니다. 이런 방식으로 효율적인 거래 처리와 안정성을 동시에 확보합니다.

또한, Arbitrum One은 Arbitrum Nitro 기술 스택을 활용합니다. 이 Nitro 기술 스택은 Geth 기반의 아키텍처를 활용하여 calldata 압축, 분리된 컨텍스트 구현, 이더리움 L1 가스와의 호환성 등을 통해 이더리움과의 호환성을 유지하면서도 빠르고 저렴한 거래를 가능케 합니다. 따라서 Arbitrum One은 이더리움 dApp들을 효율적인 비용으로 구축하고 실행할 수 있는 L2 옵티미스틱 롤업 체인입니다.

OUTRO

3 Lines Summary

• Arbitrum 은 최초의 무허가 이더리움 L2 EVM 롤업 스케일링 솔루션 으로서, L2 네트워크 중에서 가장 활성화되어 있습니다. EVM 동등성은 Stylus와 WASM을 통해서 달성하며, Rollup은 Optimistic Rollup 방식을 채택하고 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.
• Arbitrum DAO 과 Arbitrum Orbit 을 통해서 탈중앙성과 확장성을 개선합니다. DAO는 ARB token 을 통해서, Orbit 은 L3 개념 도입을 통해서 위의 목적을 달성합니다.