장부에 한 줄 적을 권리 — 채굴과 스테이킹은 실제로 무엇을 사는 일인가

한 해 31.29 TWh의 전기

비트코인 망은 2018년 한 해 동안 31.29 TWh의 전기를 썼습니다. TWh(테라와트시)는 한 나라가 쓰는 전기를 잴 때 쓰는 큰 단위입니다. 그보다 앞선 기록도 있습니다. 2014년의 한 계산은 당시 이 일에 쓰이던 전력이 아일랜드 한 나라의 전기 소비에 견줄 만하다고 적었습니다 (DOI: 10.1049/cp.2014.0699).

이 전기는 온실가스로 17.29 MtCO2-eq을 냈습니다. 여러 온실가스를 이산화탄소의 양으로 바꿔 백만 톤 단위로 센 값입니다. 이 추정은 제품이 만들어져 버려지기까지를 통째로 재는 표준 방법으로 냈고(2019년), 저자들은 이 값이 그때까지 나온 추정들 가운데 낮은 쪽 끝에 놓인다고 적었습니다 (DOI: 10.1021/acs.est.9b05687).

같은 추정에서 영향을 가장 크게 좌우한 것은 둘이었습니다. 이 계산을 돌리는 기계들이 어느 지역에 있느냐, 그리고 그 기계가 얼마나 효율적이냐입니다. 기계를 몇 해나 쓰느냐, 기계를 만들고 버리는 일이 차지하는 몫은 작았습니다. 영향의 대부분은 기계를 돌리는 동안 생긴다는 뜻입니다. 저자들은 망 전체의 계산량은 늘겠지만 계산 한 단위당 드는 에너지와 환경 발자국은 줄어들 것으로 내다봤습니다 (DOI: 10.1021/acs.est.9b05687).

물음은 하나입니다. 이 전기는 무엇을 사고 있는가. 답은 공책에 다음 한 쪽을 적을 차례입니다.

「블록체인이란 무엇인가」는 여러 사람이 사본을 나눠 드는 공책을 다뤘습니다. 쪽마다 앞 쪽을 봉인해 두어, 고치면 티가 나고 고치는 값이 비싸게 만들어진 공책입니다. 그 글이 마지막에 남긴 물음이 이 글의 물음입니다. 다음 쪽을 적을 차례를 누가, 무엇을 치르고 가져가는가. 그리고 그 값이 이 공책의 안전과 어떻게 이어지는가. 무엇이 지금 얼마인지는 다루지 않고, 수식도 쓰지 않습니다.

적혀 있는 줄이 곧 그 돈입니다

통장 잔고부터 보겠습니다. 은행 금고 어딘가에 내 이름표가 붙은 지폐 뭉치가 따로 놓여 있지는 않습니다. 은행 장부(ledger)에 적힌 숫자가 곧 내 돈입니다.

코인은 그 장부에 누구 몫으로 얼마라고 적혀 있는 줄 자체입니다. 장부가 돈을 기록하면, 그 장부를 굴리는 블록체인이 곧 암호화폐가 됩니다 (DOI: 10.1017/s1744137417000200). 통장과 다른 점은 장부를 누가 들고 있느냐입니다. 은행 장부는 은행이 들고, 이 공책은 여러 증인이 사본을 나눠 듭니다.

적힌 줄이 돈 노릇을 하려면 같은 몫이 두 번 쓰이지 않아야 합니다. 가에게 넘긴 몫을 다른 사람에게 또 넘길 수 있다면 그 줄은 돈이 되지 못합니다. 같은 몫을 두 번 쓰는 이 일이 「블록체인이란 무엇인가」에서 다룬 이중지불입니다. 은행 장부에서는 은행이 이를 막습니다. 비트코인의 경제적 의의는 은행 같은 중앙의 주체 없이 이 이중지불(double-spending) 문제를 푼 데 있습니다. 2022년의 한 서베이가 이 의의를 이렇게 정리했습니다 (DOI: 10.1146/annurev-financial-111620-011240).

이 글은 앞으로 따라갈 값들 대부분을, 믿을 기관 없이 같은 몫이 두 번 쓰이지 않게 지키는 데 드는 값으로 읽습니다.

계산을 치르고 사는 차례

「채굴」이라는 이름은 광산에서 왔지만 땅에서 캐 오는 것은 없습니다. 채굴(mining)은 장부에 다음 한 쪽을 적을 권리를 계산을 치러서 사는 일입니다. 채굴하는 쪽은 그동안 들어온 거래를 모두 확인해야 하고, 그 대가로 새로 만들어진 코인을 보상으로 받습니다 (DOI: 10.1049/cp.2014.0699). 치르는 계산은 「블록체인이란 무엇인가」에서 본 작업증명(proof of work, PoW), 곧 봉인이 맞을 때까지 계산을 되풀이하는 방식입니다.

차례는 겨루기로 정해집니다. 채굴하는 쪽들은 새 칸을 붙이는 보상을 두고 봉인 맞히기를 겨룹니다. 승패를 가르는 주된 요인은 둘입니다. 가진 계산력, 그리고 맞힌 칸이 다른 증인들에게 퍼지는 데 걸리는 시간입니다 (DOI: 10.1109/lwc.2018.2820009, 진화 게임 모형). 먼저 맞혀도 늦게 퍼지면, 그사이 다른 쪽이 맞힌 칸이 먼저 받아들여질 수 있습니다. 대개는 먼저 맞혀 먼저 퍼진 칸이 사슬(chain)에 붙습니다. 두 칸이 거의 함께 나와 사슬이 갈라지면, 「블록체인이란 무엇인가」에서 본 대로 증인들은 계산이 더 많이 쌓인 갈래를 따릅니다. 겨루기에서 진 쪽이 치른 계산은 사슬에 남지 않습니다.

치르는 것은 전기와 장비입니다. 2014년의 그 계산은 이 일이 전기값을 넘는 보상을 내려면 대개 전용 장비가 필요하다고 결론지었습니다 (DOI: 10.1049/cp.2014.0699).

2015년의 한 연구진은 비트코인 보상의 짜임새에 겉으로 내세우지 않은 설계 목표가 있다고 봅니다. 망에 대한 영향력을 서로 독립된 여러 참여자에게 흩어 두는 것입니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621). 탈중앙은 이렇게 적는 힘이 한두 곳에 몰리지 않고 여러 독립된 참여자에게 흩어져 있는 상태입니다. 비트코인의 안전 주장은 어느 한 주체도 망 전체 계산력의 충분히 큰 몫을 쥐지 않는다는 전제에 기대고 있습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621). 계산력이 한 곳에 몰리면 그 안전 주장이 서 있는 바닥이 흔들린다는 뜻입니다.

예치해 둔 몫으로 얻는 차례

같은 차례를 전기 대신 다른 것으로 정하는 길도 있습니다. 계산으로 합의(consensus)에 이르는 방식에는 에너지를 많이 쓰고, 느리고, 보안 위협에 약하다는 한계가 꼽혀 왔습니다. 여기서 합의는 증인들이 다음 쪽의 내용을 하나로 맞추는 일입니다. 그 한계를 넘으려고 나온 방식이 지분증명입니다 (DOI: 10.1109/access.2019.2925010).

지분증명(proof of stake, PoS)은 계산 대신 장부에 가진 자기 몫을 증명해 합의에 이르는 방식입니다. 스테이킹은 자기 몫을 그 장부에 예치해 두고, 그 몫을 근거로 다음 쪽을 적을 자격을 얻는 일입니다. 이 방식에서는 계산 대신 예치해 둔 몫이 적을 자격을 정합니다.

예치한 몫이 클수록 다음 쪽을 적을 차례는 대개 더 자주 돌아옵니다. 예치해 둔 동안 그 몫은 마음대로 꺼내 쓸 수 없고, 규칙을 어긴 쪽의 예치분을 깎아 내는 장부도 있습니다. 그래서 이 방식에서는 전기 대신 묶어 둔 몫이 값이 되고, 깎아 내는 장부라면 그 몫을 잃을 위험도 값에 들어갑니다. 세부는 장부마다 다르고, 이 글이 기댄 논문들은 그 세부를 다루지 않습니다. 예치해 둔 몫이 실제로 어디에 모이는지는 「어디를 더 볼까」의 탈중앙 편이 이어 갑니다.

이 방식이 정말 합의에 이르는지를 수식으로 따진 첫 경제 모형은 2020년에 나왔습니다 (DOI: 10.1093/rfs/hhaa075). 이런 모형은 균형을 찾습니다. 균형은 참여자 누구도 혼자 전략을 바꿔서는 더 얻을 것이 없어, 모두가 그대로 머무는 상태입니다. 그 모형에서 보상을 충분히 작게 잡으면 두 가지가 성립합니다. 가능한 한 빨리 합의에 이르는 균형이 존재하고, 사슬이 갈라진 채 계속 남는 균형은 배제됩니다. 뒤의 결과가 나오는 까닭은, 계산 방식과 달리 이 방식에서는 적는 사람이 곧 그 장부의 지분 보유자여야 한다는 데 있습니다 (DOI: 10.1093/rfs/hhaa075).

이 모형이 합의에 이르는 균형을 보인 것은 보상을 충분히 작게 잡는다는 조건 아래서입니다.

적어 달라고 내는 값

내 줄 하나를 다음 쪽에 넣고 싶다고 해 보겠습니다. 한 쪽에 들어갈 자리는 정해져 있고, 들어가려는 줄은 그보다 많을 때가 있습니다.

수수료는 내 한 줄을 다음 쪽에 넣어 달라고 적는 쪽에 붙여 주는 값입니다. 이 값을 가스라는 이름으로 치르는 장부도 있습니다.

적는 쪽에는 수수료로 메워야 할 비용이 있습니다. 한 번 적힌 줄은 지워지지 않고 증인마다 사본을 계속 쌓아 두니, 장부가 길어질수록 저장 비용이 늘어납니다. 2020년의 한 모형은 수수료가 이 비용을 메우는지를 두 단계 게임으로 따졌습니다. 1단계에서 거래를 만든 쪽이 수수료를 정하고, 2단계에서 적는 쪽이 어떤 거래를 이번 쪽에 넣을지 고릅니다 (DOI: 10.1109/icc40277.2020.9148934).

이 게임의 균형에서 현행 관행의 수수료는 대체로 적는 쪽의 저장 비용을 메우지 못했습니다. 까닭은 둘입니다. 한 줄이 남에게 지우는 저장 부담이 그 줄의 값에 들어가지 않고, 기다린 시간에 기대어 값을 매기는 방식이 공정하지 않기 때문입니다. 쪽과 쪽 사이의 간격을 늘리면 수수료가 올라 이 걱정은 덜지만, 그만큼 오래 기다려야 합니다. 저자들은 이 모자람이 길게 보면 적는 쪽의 참여를 줄이고 장부의 안전을 위태롭게 할 수 있다고 봅니다 (DOI: 10.1109/icc40277.2020.9148934).

값이 치솟는 쪽의 기록도 있습니다. 이더리움은 돈 말고도 조건을 적은 계약까지 올려 돌릴 수 있는 블록체인 장부이고, 그 위에서는 코인끼리 맞바꿔 주는 거래소가 돌아갑니다. 2020년 이더리움에서는 그 거래소의 자동 매매 프로그램들이 보통 이용자의 거래를 미리 알아채고 그보다 앞서 사고팔아 이익을 냈습니다. 앞자리를 얻으려고 프로그램들은 수수료를 경쟁적으로 올려 불렀습니다. 적는 쪽은 대개 수수료를 더 붙인 줄을 앞에 넣기 때문입니다. 이 경쟁에는 우선 가스 경매라는 이름이 붙었습니다 (DOI: 10.1109/sp40000.2020.00040).

이를 기록한 연구진은 앞자리를 얻으려고 치른 높은 수수료가 합의의 안전에 체계적인 위험이 된다는 것을 보였습니다. 흔히 드는 기전은 이렇습니다. 한 쪽에 걸린 값이 크면, 적는 쪽에게는 이미 적힌 쪽을 되감아 그 값을 제 몫으로 다시 챙기려는 유인이 생길 수 있습니다. 저자들은 이 수수료가, 칸을 만드는 쪽이 거래 순서를 주무르며 뽑아낼 수 있는 값이라는 더 큰 현상의 한 형태일 뿐이라고 적었습니다. 그리고 그 현상이 당시 이더리움에 현실적인 위협이라는 것을 실증으로 보였습니다 (DOI: 10.1109/sp40000.2020.00040).

수수료는 모자라도 치솟아도 장부의 안전에 닿습니다. 모자라면 길게 보아 적는 쪽이 떠날 수 있다는 것이 모형 결과이고, 앞자리를 다투며 치솟으면 합의의 안전에 위험이 된다는 것이 2020년 이더리움에서 보였습니다.

혼자서는 차례가 드물게 오니 모읍니다

혼자 계산하는 사람에게 차례는 드물게, 그리고 들쭉날쭉하게 옵니다. 혼자서 봉인을 맞힐 확률은 아주 낮아서, 오래 아무것도 받지 못하다가 어쩌다 한 번에 큰 보상을 받는 식이 됩니다.

풀은 혼자서는 좀처럼 차례가 오지 않는 사람들이 몫을 한데 모아 함께 권리를 노리고, 받은 것을 기여한 만큼 나누는 모임입니다. 혼자 하는 계산은 들쭉날쭉함이 커서 이름난 큰 풀에 합류하는 사람이 늘었습니다. 함께 모이면 그 모임이 다음 칸을 만들 가능성은 커지고 들쭉날쭉함은 줄어듭니다 (DOI: 10.1109/snpd.2015.7176229). 봉인 맞히기가 워낙 어려워서, 개별 참여자는 안정적인 수입을 얻으려고 풀에 들어가는 경향이 있습니다 (DOI: 10.1109/lwc.2018.2820009, 진화 게임 모형). 사람들은 수입이 고르게 들어오는 것을 얻으려고 모인다는 뜻입니다.

몫을 예치해 차례를 얻는 장부에서도 풀이 생깁니다. 계산을 모으면 채굴 풀이고, 몫을 모으면 스테이킹 풀입니다. 칸 하나에 주는 보상을 망 전체 지분에 견줘 얼마로 잡느냐가 탈중앙 정도에 크게 영향을 준다는 것이 2019년 서베이의 분석과 모의실험 결과입니다 (DOI: 10.1109/access.2019.2925010). 보상을 어떻게 정하느냐라는 설계 선택이 몫이 몇 곳에 모이는지를 바꾼다는 뜻입니다.

두 풀은 모으는 것만 다를 뿐 같은 일을 합니다. 혼자의 몫을 여럿의 몫으로 바꾸고, 모인 뒤 적는 힘이 어디에 얼마나 있는지를 바꿉니다. 두 풀을 한 현상으로 겹쳐 보는 것은 이 글의 종합입니다. 사람들이 왜 모이는지는 계산 쪽 근거만 말하고, 예치 쪽 근거는 한 서베이의 분석과 모의실험까지입니다.

계산으로 사든 몫을 예치해 얻든 적을 권리는 풀로 모일 수 있고, 모인 뒤의 분포가 그 장부의 탈중앙 정도를 바꿉니다.

모이면 무엇이 달라지는지는 계산 쪽 기록에 있습니다. 대부분의 참여자가 따로 하기보다 풀에 들어가고, 풀 안에서는 중앙의 관리자가 활동을 대체로 지휘합니다. 그만큼 힘이 관리자에게 모입니다. 2015년 무렵 가장 큰 풀 하나는 망 전체 계산 용량의 절반을 넘긴 적도 있습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621).

그 연구진은 풀이 이토록 흔한 까닭을 작업증명 문제 자체에서 찾았습니다. 그 문제가 모임 안에서 협력을 강제할 효과적인 수단을 준다는 것입니다. 참여자가 봉인을 맞혀도 보상은 관리자가 정한 주소로 가게 되어 있어, 참여자는 혼자 챙길 수 없습니다. 연구진은 이 강제를 막아 모임을 억누르는 「외주 불가능한」 계산 문제를 여러 형태로 제안했습니다. 맞힌 사람이 보상을 제 몫으로 가져갈 수 있게 해서, 남에게 계산을 맡겨 두는 모임이 버티기 어렵게 만드는 문제입니다. 구현과 성능 측정으로 실용적임도 보였습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621).

힘이 몇 곳으로 모이는 쪽을 중앙화라고 부릅니다. 2009년부터 2014년까지 만들어진 칸을 모두 분석해, 해마다 망이 얼마나 중앙화됐는지 재는 지표도 나왔습니다. 그 저자들은 중앙화가 조직된 체계에서 저절로 일어나는 현상이고, 비트코인에서는 처음의 탈중앙 성격에 어긋나 우려를 낳을 수 있다고 적었습니다 (DOI: 10.1109/snpd.2015.7176229).

반대 방향의 근거도 있습니다. 2020년의 한 경제학 모형은 위험을 나누려는 중앙화된 풀이 커진다고 해서 반드시 탈중앙이 훼손되지는 않는다고 봅니다. 참여자들은 여러 풀에 나눠 걸고, 풀 운영자는 수수료를 스스로 정합니다. 그러면 큰 풀일수록 자기가 망 전체에 끼치는 영향을 더 떠안고 수수료를 더 받습니다. 크기에 비해 적은 참여자를 끌어들이고, 더 느리게 자랍니다. 대신 풀은 남보다 계산력을 더 갖추려는 참여자들의 군비경쟁을 격화시켜, 작업증명 장부의 에너지 소비를 크게 늘립니다. 저자들은 비트코인 채굴의 실제 자료가 이 모형의 예측을 뒷받침한다고 적고, 이 통찰이 다른 합의 방식에도 쓰일 수 있다고 봅니다 (DOI: 10.1093/rfs/hhaa040).

절반이 한 손에 모이면

51% 공격(51% attack)은 적을 권리의 절반 넘는 몫을 한 손이 쥐어, 이미 적힌 장부를 되감아 다시 쓰는 일입니다. 그 한 손은 한 참여자일 수도, 풀 같은 한 무리일 수도 있습니다. 증인들은 계산이 더 많이 쌓인 갈래를 따르니, 계산력의 절반 넘게 쥔 쪽은 따로 쌓은 갈래로 이미 적힌 기록을 밀어낼 수 있습니다.

이 공격은 이론상 가능해도 실무에서는 어렵다고 여겨져 왔습니다. 참여자가 충분히 많으면 그만한 계산력을 한 손에 모으기가 매우 어렵다는 가정 때문이었습니다. 2021년의 한 연구는 이 가정이 충분히 검토된 적이 없다고 보고 비트코인과 이더리움의 참여자를 뜯어봤습니다. 최근 몇 해 계산력은 아주 적은 수의 참여자에게 몰리고 있었고, 저자들은 이것을 실제 위험으로 봅니다 (DOI: 10.1109/access.2021.3119291). 같은 분석에서 주요 참여자들의 채굴에는 일정한 패턴이 있어, 평소와 다른 행동을 알아볼 수 있었습니다. 그 패턴이 공격을 미리 알아채는 실마리가 될 수 있다는 뜻입니다.

「블록체인이란 무엇인가」가 다룬 2019년의 한 분석에 따르면, 그 무렵 과반을 쥔 쪽의 공격은 여러 암호화폐에서 실제로 잦았습니다. 계산력이 낮은 암호화폐는 필요한 계산력을 쉽게 구할 수 있어 늘 이 공격에 위태롭습니다 (DOI: 10.3390/app9091788). 그 글은 이 공책을 두고, 고치는 값이 비싸게 만들어졌을 뿐 고칠 수 없다고 증명된 것은 아니라고 적었습니다. 이 글의 말로 옮기면 고치는 값은 적을 권리의 과반을 모으는 값입니다.

그 값은 과반의 계산력을 얼마나 쉽게 모을 수 있느냐에 달려 있습니다. 남는 계산력을 빌려 오는 식으로 계산력을 넉넉히 구할 수 있으면, 51% 공격을 만드는 비용은 놀랄 만큼 쌉니다. 이는 많은 작업증명 장부에 큰 위협입니다 (DOI: 10.1109/blockchain.2019.00041). 막는 길로 2019년에 제안된 기법은, 참여자가 지금까지 칸을 만들어 온 기록에 가중치를 두어 갈래를 고르는 기준에 함께 넣습니다. 저자들의 분석으로는 그러면 기존 방식의 공격 비용이 백 배 규모로 오릅니다 (DOI: 10.1109/blockchain.2019.00041). 제안 단계의 분석입니다. 반면 앞의 2019년 분석은 가장 앞선 보호 기법 다섯을 검토하고, 대부분의 경우 실질적인 보호를 주지 못한다고 결론지었습니다. 약점이 합의 규약 자체에서 물려받은 것이기 때문입니다 (DOI: 10.3390/app9091788).

절반을 넘기지 않은 쪽에도 문제는 있습니다. 통념은 비트코인의 채굴 규칙이 유인에 맞게, 곧 규칙대로 하는 것이 각자에게 가장 이득이 되게 짜여 있어서 담합한 소수를 막는다는 것이었습니다. 2018년에 발표된 한 연구는 그렇지 않음을 보였습니다 (DOI: 10.1145/3212998). 저자들이 제시한 공격에서 담합한 무리는 맞힌 칸을 곧바로 내놓지 않고 숨겨 둡니다. 그러다 다른 쪽이 칸을 내놓으면 숨겨 둔 칸을 내놓아, 다른 참여자들이 치른 계산을 헛일로 만듭니다. 그렇게 하면 담합한 참여자들은 제 몫보다 큰 수익을 얻습니다.

저자들은 그 귀결로, 합리적인 참여자는 그쪽에 합류하려 할 수 있고, 담합 무리는 다수가 될 때까지 커질 수 있으며, 그 지점에서 이 체계는 탈중앙 화폐이기를 그친다고 적었습니다. 특정한 가정을 두지 않는 한, 이 공격은 담합의 크기가 얼마든 가능할 수 있습니다. 저자들이 제안한 수정은 전체 자원의 4분의 1 미만을 쥔 담합까지만 막습니다. 저자들은 이 문턱이 잘못 가정돼 온 2분의 1보다 낮지만, 어떤 크기의 담합이든 체계를 훼손할 수 있는 지금 현실보다는 낫다고 적었습니다 (DOI: 10.1145/3212998).

몫을 예치해 차례를 얻는 쪽에도 절반 없이 시작할 수 있는 공격이 있습니다. 이 공격은 믿을 만한 중간 기준점을 따로 두지 않는 지분증명 장부 전반을 겨냥합니다. 중간 기준점은 이미 적힌 장부의 한 지점을 「여기까지는 되돌리지 않는다」고 못 박아 두는 표시입니다. 기준점이 없으면, 아주 오래전 지점에서 갈라져 나온 갈래도 나중에 받아들여질 수 있습니다. 공격자는 따로 이어 적는 갈래에 정직한 거래를 본래 맥락에서 떼어 옮겨 적고, 그 수수료를 챙깁니다. 그리고 가장 긴 사슬을 따르는 보통의 규칙을 이용해 끝내 장부를 완전히 장악합니다 (DOI: 10.1109/cvcbt.2018.00015).

이 공격은 지분의 어떤 고정된 비율로도 시작할 수 있습니다. 정직한 거래가 쌓일수록, 상대가 쥔 지분이 클수록 위력이 커집니다. 저자들은 2018년 당시 장부들의 통계적 조건에서는 몇 해치 운영 기록이 쌓이면 실행 가능한 범위에 든다고 적었습니다. 저자들이 가장 중요하다고 꼽은 것은, 수수료와 보상이 지분증명의 안전과 얼마나 밀접하게 엮여 있는지를 이 공격이 보여 준다는 점입니다. 중간 기준점 없이 가려는 앞으로의 설계는 이 공격을 반영하고 막아야 한다고 적었고, 막는 방법으로 둘을 제시했습니다. 거래가 어느 맥락에서 만들어졌는지를 따지는 것, 그리고 사슬에 칸이 얼마나 촘촘히 적혔는지 재는 밀도 통계를 보는 것입니다 (DOI: 10.1109/cvcbt.2018.00015).

적을 권리가 절반 넘게 한 손에 모이면 그 손은 장부를 다시 쓸 수 있고, 유인이 어긋난 자리에서는 절반보다 적은 몫으로도 문제가 시작될 수 있습니다.

내 한 줄이 장부에 들어가기까지

「블록체인이란 무엇인가」에서 적었던 줄을 다시 꺼내 보겠습니다. 「내 몫 10을 가에게 넘긴다.」 이번에는 이 줄이 적히기까지 누가 무엇을 치르는지를 따라갑니다.

나는 이 줄에 서명하고 수수료를 붙여 증인들에게 보냅니다. 이 줄은 다음 쪽에 들어가려는 다른 줄들과 함께 기다립니다. 앞에서 본 두 단계 게임에서처럼, 어느 줄을 이번 쪽에 넣을지 고르는 것은 적는 쪽입니다 (DOI: 10.1109/icc40277.2020.9148934).

이 공책이 계산으로 차례를 정하는 장부라면, 다음 쪽을 적는 쪽은 봉인 맞히기 겨루기에서 이긴 쪽입니다. 이긴 쪽이 풀이라고 해 보겠습니다. 2015년 무렵 비트코인에서는 대부분의 참여자가 따로 하기보다 풀에 들어가 있었습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621). 풀이 이기면 새로 만들어진 코인과 내가 붙인 수수료가 보상으로 들어오고, 풀은 그것을 기여한 만큼 나눕니다.

이 공책이 몫을 예치해 차례를 정하는 장부라면, 계산 대신 예치해 둔 몫이 적을 자격을 정합니다. 거기서도 몫을 모은 풀이 생길 수 있습니다 (DOI: 10.1109/access.2019.2925010).

이 장면에는 앞 절들이 단 조건도 함께 들어옵니다. 현행 관행의 수수료는 대체로 적는 쪽의 저장 비용을 메우지 못한다는 모형 결과가 있습니다 (DOI: 10.1109/icc40277.2020.9148934). 이긴 풀은 관리자가 활동을 대체로 지휘하는 모임입니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621).

가에게 남는 물음은 이 줄이 되돌려지지 않겠느냐입니다. 「블록체인이란 무엇인가」에서 그 답은 기다리는 시간과 맞바꾸는 확률이었습니다. 그 확률은 계산력이 절반 넘게 한 손에 모이지 않았다는 조건 위에 서 있었습니다. 앞 절은 그 조건에 예외 둘을 더했습니다. 비트코인에서는 담합한 소수가 절반보다 적은 몫으로도 문제를 시작할 수 있다는 분석이 있습니다 (DOI: 10.1145/3212998). 믿을 만한 중간 기준점을 두지 않은 지분증명 장부에는 지분의 어떤 고정된 비율로도 시작할 수 있는 공격이 있습니다 (DOI: 10.1109/cvcbt.2018.00015).

조건을 받치는 사정도 한쪽으로만 기울지 않습니다. 한쪽에는 최근 몇 해 계산력이 아주 적은 수의 참여자에게 몰렸고 이것이 실제 위험이라는 2021년의 분석이 있고 (DOI: 10.1109/access.2021.3119291), 2015년 무렵 가장 큰 풀 하나가 절반을 넘긴 기록이 있습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621). 다른 쪽에는 큰 풀일수록 더 느리게 자란다는 2020년의 경제학 모형이 있고, 저자들은 비트코인의 실제 자료가 그 예측을 뒷받침한다고 적었습니다. 다만 같은 모형은 풀이 군비경쟁을 격화시켜 에너지 소비를 크게 늘린다고도 봅니다 (DOI: 10.1093/rfs/hhaa040).

이 한 줄이 굳어 가는 데에는 내가 붙인 수수료와, 누군가 치른 전기나 예치해 둔 몫과, 가가 기다린 시간이 함께 들어갔습니다. 그렇게 굳는 것은 확률이고, 그 확률은 적을 권리가 한 손에 절반 넘게 모이지 않았다는 조건과 유인이 어긋나지 않았다는 조건에 함께 기대고 있습니다. 이 장면에 장부를 맡아 주는 은행은 없었습니다. 풀 관리자처럼 적는 힘을 모아 쥔 자리는 있었습니다.

조건을 미리 적어 두기

장부의 항목에는 돈 말고도 재산권, 신원, 증명서처럼 어떤 기록이든 적을 수 있고, 계약도 그중 하나입니다 (DOI: 10.1017/s1744137417000200). 「가가 10을 보내오면, 이 줄에 맡겨 둔 5를 가에게 넘긴다」처럼 조건과 할 일을 한 줄에 적어 둘 수 있습니다.

스마트 컨트랙트는 조건과 그때 할 일을 미리 장부에 적어 두고, 누군가 그 줄을 불러내면 조건을 확인해 사람의 판단 없이 그대로 실행되게 한 것입니다. 실행에 사람의 판단이 끼지 않으니 적어 둔 조건이 곧 규칙이 되고, 잘못 적어 둔 조건도 규칙이 됩니다. 물건을 받았는지처럼 장부 바깥의 일은 누군가 장부 안으로 넣어 줘야 하고, 그 문제는 「스마트 컨트랙트는 바깥 세상을 모른다」가 다룹니다.

적히는 순서도 결과를 바꿉니다. 앞에서 본 자동 매매 프로그램이 그 예입니다. 보통 이용자의 거래보다 한 칸 앞에 자기 거래를 넣으면, 같은 거래라도 이용자가 받는 값이 달라집니다. 블록체인, 특히 스마트 컨트랙트는 공정하고 투명한 거래 생태계를 약속해 왔고, 앞에서 본 2020년의 연구진은 그 약속이 지켜지지 않았음을 보였습니다. 연구진이 강조한 것은 둘입니다. 어느 거래가 먼저 적히느냐에 따라 결과가 달라지는 성질이 만드는 크고 복잡한 위험, 그리고 전통 금융시장에서 쓰이던 착취 방식이 블록체인 경제에 맞춰 스며드는 모습입니다 (DOI: 10.1109/sp40000.2020.00040).

조건을 적어 두면 실행에서 사람의 판단이 빠지고, 그만큼 적힌 조건과 적히는 순서가 결과를 정합니다.

이 값을 치를 자리

이 글에 나온 값을 한자리에 놓아 보겠습니다. 전기와 전용 장비, 예치해 둔 몫, 줄마다 붙는 수수료가 있었습니다. 혼자서는 차례가 드물어 모이게 되고, 모인 뒤에는 적는 힘이 몇 곳에 쏠리는 흐름이 있었습니다. 큰 풀이 반드시 탈중앙을 해치지는 않는다는 모형과 그 예측을 실제 자료가 뒷받침한다는 저자들의 보고도 있었고, 같은 모형은 풀이 에너지 소비를 크게 늘린다고도 봤습니다.

이 글은 이 값들을 한데 묶어, 믿을 기관 없이 같은 몫이 두 번 쓰이지 않게 지키는 데 드는 값으로 읽습니다. 그 성질은 2022년의 서베이가 비트코인의 경제적 의의로 정리한 것입니다 (DOI: 10.1146/annurev-financial-111620-011240). 값들을 이렇게 묶은 논문은 없고, 이 묶음은 이 글의 종합입니다. 그 성질을 은행 같은 믿을 기관이 이미 지켜 주는 자리라면 따질 것이 달라집니다.

믿을 만한 기관이 이미 그 자리에 있고 그 믿음을 확인할 길도 있다면, 이 값을 치르고 굳이 쓰기보다 안 쓰는 편이 낫습니다.

믿을 기관이 없거나 그 믿음을 확인할 길이 없는 자리에서는 이 값이 사는 것이 있고, 그 값을 줄이려는 설계도 나와 있습니다. 2020년의 지분증명 모형은 제목부터 「낭비 없는 블록체인」이고, 보상을 충분히 작게 잡는다는 조건 아래 합의에 이르는 균형을 보였습니다 (DOI: 10.1093/rfs/hhaa075). 2019년의 생애주기 추정은 망 전체의 계산량은 늘겠지만 계산 한 단위당 에너지와 발자국은 줄 것으로 내다봤습니다 (DOI: 10.1021/acs.est.9b05687). 풀로 쏠리는 힘을 억누르려는 계산 문제는 연구진이 구현하고 성능을 재 보인 제안으로 나와 있습니다 (DOI: 10.1145/2810103.2813621).

이 장부를 돈의 기술보다 넓게 보는 관점도 있습니다. 2018년의 한 제도경제학 논문은 블록체인을 여러 산업에 두루 쓰이는 새 범용 기술로 보는 데서 더 나아가, 사람들이 함께 따르는 규칙인 제도를 만드는 기술로 보자고 주장합니다. 블록체인 위의 경제적 조정과 거버넌스 사례를 살핀 뒤, 저자들은 블록체인을 제도가 진화해 가는 한 사례로 봅니다 (DOI: 10.1017/s1744137417000200).

그래서 물음은 이렇게 놓입니다. 이 자리에 이미 믿을 만한 기관이 있는가. 없다면 없이 굴리는 값을 지금 누가 치르고 있는가. 그리고 지금 적을 권리는 몇 곳에 모여 있는가.

어디를 더 볼까

이 장부에 적힌 코인을 움직일 열쇠를 누가 쥐는지는 이 시리즈의 다음 편 내 코인은 어디에 있나 — 지갑과 거래소, 그리고 열쇠를 누가 쥐는가가 이어받고, 이 글에서 짧게만 정의한 스마트 컨트랙트는 마지막 편 스마트 컨트랙트란 무엇인가 — 모두가 똑같이 돌리고, 적힌 대로 실행되는 약속가 다룹니다.

권리가 모이는 자리를 더 따라가고 싶다면 블록체인은 정말 탈중앙인가 — 채굴 풀에서 MEV까지, 권력이 다시 모이는 자리로 갑니다. 이 글의 풀 절에서 시작해, 거래 순서를 정하는 권한에서 값이 뽑혀 나오는 자리까지 그 편이 잇습니다.

증인들이 거짓말하는 쪽이 섞여도 한 답에 이르는 일은 신뢰 없이 합의하기 — 서로 못 믿는 참여자들이 하나의 장부에 동의하는 법이 맡습니다.

조건을 적어 둔 코드가 실제로 어긋난 자리는 여러 편이 나눠 맡습니다. 코드는 약속대로 작동했다 — 알고리즘 스테이블코인이 보장한 것과 보장하지 못한 것은 값을 스스로 지키겠다고 적어 둔 조건이 무너진 경우를, 러그풀은 해킹이 아니라 권한이다 — 코드에 남겨 둔 출구, 그리고 그것을 미리 재려는 시도는 애초에 남겨 둔 권한이 문제였던 경우를 봅니다.

장부 바깥의 값을 장부 안으로 들여오는 문제는 스마트 컨트랙트는 바깥 세상을 모른다 — 가격을 알려주는 자를 믿어야 하는 순간에 있습니다. 그 편에 나오는 유동성 풀은 토큰 두 종류를 담아 둔 웅덩이로, 적을 권리를 모으는 이 글의 풀과는 이름만 같습니다.

장부 하나 안에서 서던 성질이 장부와 장부 사이로 넘어갈 때의 일은 다리는 체인의 보장을 물려받지 않는다 — 크로스체인 브리지는 왜 반복해서 털리는가가 봅니다.

표를 가진 만큼 규칙을 바꿀 수 있는 조직에서 그 표를 사는 일은 규칙을 바꿀 권한도 살 수 있다 — 토큰 투표로 굴러가는 조직에서 거버넌스가 공격 표면이 될 때가 다룹니다.

장부에 적힌 몫은 넓게 토큰이라고도 부릅니다. 「다음 낱말을 맞히는 훈련이 어떻게 대화가 되는가」에 나오는 토큰은 언어모델이 글을 볼 때 쓰는 자잘한 조각의 이름이고, 두 토큰은 소리만 같습니다.

근거 논문

• "Life Cycle Assessment of Bitcoin Mining" (2019) — DOI: 10.1021/acs.est.9b05687 — 생애주기 평가로 2018년 비트코인 망 31.29 TWh, 17.29 MtCO2-eq. 기존 추정들의 낮은 쪽 끝. 주 동인은 채굴자의 지리적 분포와 장비 효율이고 장비 제작·폐기 몫은 작다. 해시레이트는 늘어도 단위당 에너지·발자국은 줄 것으로 전망.
• "Bitcoin Mining and its Energy Footprint" (2014) — DOI: 10.1049/cp.2014.0699 — 채굴은 모든 거래 확인에 필요한 일이고 그 대가로 코인이 만들어진다. 수지를 맞추려면 대개 전용 장비가 필요하고, 당시 채굴 전력은 아일랜드의 전기 소비에 견줄 만하다.
• "Blockchains and the economic institutions of capitalism" (2018) — DOI: 10.1017/s1744137417000200 — 장부가 돈을 기록하면 그 블록체인은 암호화폐이고, 장부 항목은 재산권·신원·증명서·계약 등 어떤 데이터 구조도 기록할 수 있다. 블록체인은 제도 기술이며 제도 진화의 한 사례라는 주장.
• "Bitcoin and Beyond" (2022, 서베이) — DOI: 10.1146/annurev-financial-111620-011240 — 비트코인의 경제적 의의를 중앙화된 주체 없이 이중지불 문제를 푼 것으로 정식화. 참여자 간 경제적 상호작용, 지분증명의 경제학, 수수료·포크·변동성 문헌을 개관.
• "Evolutionary Game for Mining Pool Selection in Blockchain Networks" (2018) — DOI: 10.1109/lwc.2018.2820009 — 채굴자는 새 블록 발행 보상을 두고 퍼즐 풀기 경쟁을 하고, 해시레이트와 블록 전파 지연이 결과를 가르는 두 요인이다. 퍼즐 난이도 때문에 개별 채굴자는 안정 수익을 위해 풀에 합류한다. 풀 선택 동학을 진화 게임으로 모형화·모의.
• "Nonoutsourceable Scratch-Off Puzzles to Discourage Bitcoin Mining Coalitions" (2015) — DOI: 10.1145/2810103.2813621 — 보상 구조의 암묵적 목표는 영향력 분산이고 안전 주장은 어느 한 주체도 큰 몫의 계산력을 쥐지 않는 데 기댄다. 대부분의 채굴자가 관리자가 지휘하는 풀에 합류해 힘이 결집하고, 최대 풀이 절반을 넘긴 적이 있다. 원인은 작업증명 퍼즐이 협력 강제 수단을 주는 데 있다고 보고, 외주 불가능한 퍼즐을 제안·구현·측정.
• "Proof-of-Stake Consensus Mechanisms for Future Blockchain Networks" (2019, 서베이) — DOI: 10.1109/access.2019.2925010 — 작업증명의 에너지 비효율·지연·보안 취약을 넘으려 지분 소유 증명으로 합의하는 지분증명을 개관. 지분 풀 형성과 지분 분포를 분석·모의했고, 블록 보상 대 전체 지분 비율이 탈중앙에 큰 영향을 준다.
• "Blockchain without Waste: Proof-of-Stake" (2020) — DOI: 10.1093/rfs/hhaa075 — 지분증명의 첫 형식 경제 모형. 충분히 작은(modest) 보상 일정이면 최대한 빨리 합의가 이뤄지는 균형이 존재하고 지속적 포크 균형도 배제된다. 뒤의 결과는 작업증명과 달리 검증자가 곧 지분 보유자여야 하기 때문.
• "Economics of Blockchain Storage" (2020) — DOI: 10.1109/icc40277.2020.9148934 — 1단계에서 이용자가 수수료를 정하고 2단계에서 채굴자가 거래를 고르는 두 단계 게임. 균형에서 수수료는 일반적으로 저장 비용을 감당하지 못한다(음의 외부효과·지연 기반 가격). 장기적으로 참여 감소와 보안 위험 가능. 블록 간격을 늘리면 수수료는 오르나 지연이 커진다.
• "Flash Boys 2.0" (2020) — DOI: 10.1109/sp40000.2020.00040 — 스마트 컨트랙트가 약속한 공정·투명한 거래가 지켜지지 않았음을 보인다. 봇들이 우선 순서를 얻으려 수수료를 경쟁 입찰하는 우선 가스 경매를 형식화하고, 그 높은 수수료가 합의 계층 보안에 체계적 위험이 됨을 보인다. 그 수수료는 MEV라는 일반 현상의 한 형태이며 당시 이더리움에 현실적 위협. 거래 순서 의존성의 위험과 금융 착취 방식의 유입을 강조.
• "Trend of centralization in Bitcoin's distributed network" (2015) — DOI: 10.1109/snpd.2015.7176229 — 솔로 채굴의 높은 분산 때문에 대형 풀 합류가 늘고, 모이면 다음 블록을 만들 확률이 오르고 분산이 준다. 2009~2014년 전 블록 분석으로 중앙화 지표를 제안하고, 중앙화는 조직된 체계에서 저절로 일어나 비트코인의 초기 탈중앙 성격에 어긋나 우려를 낳을 수 있다고 본다.
• "Decentralized Mining in Centralized Pools" (2020) — DOI: 10.1093/rfs/hhaa040 — 위험 분담용 중앙화 풀의 부상이 반드시 탈중앙을 훼손하지는 않는다(교차 분산·내생적 수수료 설정 → 큰 풀일수록 외부효과 내부화·높은 수수료·적은 유입·느린 성장). 대신 풀은 채굴자의 군비경쟁을 격화시켜 에너지 소비를 크게 늘린다. 비트코인 실증 자료가 모형 예측을 뒷받침하고, 다른 합의 방식에도 시사점.
• "The 51% Attack on Blockchains: A Mining Behavior Study" (2021) — DOI: 10.1109/access.2021.3119291 — 채굴자나 그 무리가 계산 능력의 절반 넘게 가지면 장부를 다시 쓸 수 있다. 실무에서 어렵다는 가정은 충분히 검토된 적이 없었고, 비트코인·이더리움 분석 결과 최근 몇 년 해시 파워가 극소수에게 집중돼 실제 위험이 된다. 주요 채굴자의 패턴으로 이상 행동을 식별할 수 있다.
• "Assessing Blockchain Consensus and Security Mechanisms against the 51% Attack" (2019) — DOI: 10.3390/app9091788 — 절반 초과 계산력이면 사슬을 갈라 이중지불. 막대한 비용으로 오래 희박하다 여겨졌으나 근래 잦게 발생해 여러 암호화폐에 수백만 달러 손실. 계산력이 낮은 코인은 늘 위태. 앞선 보호 기법 다섯은 대부분 실질적 보호를 못 준다 — 약점을 합의 규약에서 물려받았기 때문.
• "Effective Scheme against 51% Attack on Proof-of-Work Blockchain with History Weighted Information" (2019) — DOI: 10.1109/blockchain.2019.00041 — 해시 파워를 넉넉히 구할 수 있으면 51% 공격 비용은 놀랄 만큼 싸고 많은 작업증명 블록체인에 큰 위협이다. 채굴자 이력 가중 기법을 제안하고, 기존 공격 비용이 백 배 규모(two orders of magnitude)로 오른다는 분석.
• "Majority is not enough" (2018) — DOI: 10.1145/3212998 — 채굴 규약이 유인 정합적이라는 통념을 반박. 담합한 소수가 제 몫보다 큰 수익을 얻고, 합리적 채굴자가 합류해 담합이 다수가 되며 그 지점에서 탈중앙 화폐이기를 그칠 수 있다. 특정 가정이 없으면 어떤 크기의 담합에도 가능할 수 있다. 제안한 수정은 1/4 미만 담합을 막는다 — 잘못 가정된 1/2보다 낮지만 어떤 크기든 훼손 가능한 현실보다는 낫다.
• "Stake-Bleeding Attacks on Proof-of-Stake Blockchains" (2018) — DOI: 10.1109/cvcbt.2018.00015 — 체크포인트 없는 지분증명 장부 전반을 겨냥해 장부를 완전히 장악하는 공격. 어떤 고정 지분 비율로도 개시 가능하고, 정직한 거래와 공격자 지분이 클수록 강해지며, 당시 통계로는 몇 년의 운영 뒤 실행 가능. 무엇보다 수수료와 보상이 보안 성질과 얼마나 밀접히 결합돼 있는지를 보여 준다. 앞으로의 설계가 반영해야 하며, 방어로 거래의 맥락 민감성과 사슬 밀도 통계를 제시.