합의 메커니즘
합의 메커니즘(알고리즘)은 신뢰가 필요 없는 주체 간에 합의에 도달하는 방법입니다. 블록체인 기술에서는 블록이 유효한지 여부에 대한 합의에 도달하는 데 사용됩니다. 블록체인 네트워크의 성능은 채택된 합의 메커니즘의 성능에 따라 달라지며, 이는 블록체인 애플리케이션의 인지된 사용성에 상당한 영향을 미칩니다.
카이아 메인넷의 성능은 다음과 같습니다.
- 초당 4,000개의 트랜잭션을 처리합니다.
- 즉 각적인 트랜잭션 완결성.
- 1초의 블록 생성 시간.
- 50개 이상의 합의 노드가 합의 프로세스에 참여할 수 있습니다.
이 문서에서는 카이아가 어떻게 고성능 합의 프로세스를 구현했는지 살펴보겠습니다.
배경
비트코인은 작업증명(Proof-of-Work)을 사용하는 반면, 이더리움은 최근 노드의 지분으로 블록 생성 노드를 결정하는 지분증명(Proof-of-Stake)으로 전환하고 있습니다. 일반적으로 이러한 알고리즘은 블록의 유효성을 결정할 때 노드 간의 통신이 필요하지 않습니다.
따라서 이러한 시스템에서는 포크가 발생할 수 있으며, 이는 같은 높이에서 두 개 이상의 다른 블록이 만들어질 수 있음을 의미합니다. 일반적으로 포크 조건을 해결하기 위해 "가장 긴 체인이 승리한다"는 규칙이 적용됩니다. 이는 포크가 결국 하나의 정식 체인으로 합쳐진다는 것을 의미하지만, 일정 기간 동안 블록 목록이 더 짧은 체인에 속할 때 되돌아갈 수 있다는 의미이기도 합니다. 따라서 이러한 알고리즘에서는 블록과 트랜잭션의 완결성을 보장할 수 없습니다. 완결성은 일정 시간이 지난 후에야 확률적으로 달성될 수 있으며, 이 역시 100% 보장할 수 없습니다.
이러한 최종성의 부족은 블록체인 플랫폼을 사용하는 고객 대면 서비스에서 매우 어려운 문제입니다. 포크가 해결되고 전송 후 트랜잭션이 되돌릴 수 없다고 믿을 수 있을 만큼 충분한 블록이 쌓일 때까지 기다려야 하기 때문입니다. 이는 사용자와 서비스 제공자 모두에게 부정적인 영향을 미칩니다.
이 문제의 간단한 예는 금융 서비스에서 확인할 수 있습니다. 사용자가 누군가에게 송금했는데, 송금 후 30~60분이 지날 때까지 서비스에서 송금이 유효한지 확인할 수 없다고 가정해 보겠습니다. 포크가 단일 체인으로 병합되고 송금 후 여러 블록이 쌓일 때까지 기다려야 트랜잭션이 되돌릴 수 없는지 확인할 수 있기 때문입니다.
PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)
위와 같은 문제를 방지하려면 최종성을 보장하는 다른 알고리즘이 필요합니다. BFT 알고리즘은 1982년 램포트, 쇼스탁, 피즈에 의해 처음 게시된 알고리즘 중 하나입니다. 1999년에 미구엘 카스트로와 바바라 리스코프는 고성능 상태 머신 복제를 제공하는 "실용적인 비잔틴 장애 허용"(PBFT, Practical Byzantine Fault Tolerance)을 도입했습니다.
위에서 설명한 작업 증명 알고리즘에서는 각 노드가 블록을 받고 검증하지만, 합의에 도달하기 위해 노드 간에 메시지를 교환하지 않습니다. 그러나 PBFT에서는 각 노드가 다른 참여 노드와 통신하여 합의에 도달하고, 노드들이 합의에 도달하는 즉시 블록의 완결성을 보장할 수 있습니다.
노드 간 통신은 기본적으로 아래와 같이 진행됩니다. 하지만 각 시스템의 특성을 반영하는 몇 가지 변형이 있습니다.
위 그림과 같이 PBFT에 참여하는 노드는 기본적으로 네트워크의 모든 노드와 여러 단계에 걸쳐 통신합니다. 노드 수가 증가함에 따라 통신량이 기하급수적으로 증가하기 때문에 이러한 특성으로 인해 노드 수가 제한됩니다.
카이아의 합의 메커니즘
카이아는 엔터프라이즈 지원 및 서비스 중심 플랫폼을 목표로 하고 있습니다. 따라서 위에서 설명한 완결성 문제를 해결해야 하며, 네트워크는 많은 노드가 네트워크에 참여할 수 있어야 합니다. 이를 위해 카이아는 블록체인 네트워크의 특성에 맞게 수정하여 PBFT를 구현하는 Istanbul BFT의 최적화된 버전을 사용하고 있습니다.
Klaytn에는 CN(컨센서스 노드), PN(프록시 노드), EN(엔드포인트 노드)의 세 가지 유형의 노드가 있습니다. CN은 CCO(코어 셀 운영자)가 관리하며 블록 생성을 담당합니다. 이러한 블록은 네트워크의 모든 노드에 의해 검증됩니다. 이 네트워크 토폴로지에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하시기 바랍 니다.
카이아는 Istanbul BFT를 채택하고 개선하여 빠른 완결성을 달성했습니다. 각 블록마다 검증과 합의가 이루어지기 때문에 포크가 없고 합의가 이루어지는 즉시 블록의 완결성이 보장됩니다.
또한 BFT 알고리즘에서 통신량이 증가하는 문제는 무작위로 선정된 '위원회'를 활용하여 해결합니다. CN들은 집합적으로 '위원회'를 구성하고 블록 생성 시마다 VRF(Verifiable Random Function, 검증 가능한 랜덤 함수)를 사용하여 일부가 '위원회'의 멤버로 선정됩니다.
합의 메시지는 위원회 구성원 간에만 주고받기 때문에 총 CN 수가 증가하더라도 통신량은 설계된 수준 이하로 제한될 수 있습니다.
현재 카이아 메인넷은 1초 블록 생성 간격으로 초당 4,000개의 트랜잭션을 처리할 수 있는 높은 처리량을 제공합니다. 현재 50개 이상의 컨센서스 노드가 CNN(합의 노드 네트워크)에 참여할 수 있으며, 카이아가 알고리즘을 지속적으로 최적화함에 따라 그 수는 계속 늘어날 것입니다.