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지분증명(Proof of Stake, 이하 PoS)은 블록체인 네트워크에서 새로운 블록을 생성하고 트랜잭션을 검증하는 합의 알고리즘 중 하나입니다. 작업증명(PoW)에 이은 대안으로, PoS는 참여자들이 소유한 지분의 양에 따라 새로운 블록 생성 권한을 부여받는 방식으로 운영됩니다. 이 알고리즘의 가장 큰 특징은 높은 에너지 효율성과 보안성을 제공한다는 점입니다. 특히 환경에 미치는 영향을 최소화하는 친환경적인 블록체인 기술로 주목받고 있습니다.

목차
1. 지분증명(PoS)의 개발배경 및 발전
2. 지분증명(PoS)의 증명 과정(작동과정)
3. 지분증명(PoS)의 장단점
4. 지분증명(PoS) 코인 종류
5. 마치며

1. 지분증명(PoS)의 개발배경 및 발전

PoW 메커니즘은 블록체인 네트워크의 안정성과 보안을 제공하는 강력한 방법이지만, 막대한 양의 전기를 소모하는 문제가 있습니다. 이에 따라, 블록체인 커뮤니티 내에서는 환경적으로 지속 가능하고, 에너지 효율성이 높은 대안에 대한 필요성이 점점 더 커지게 되었습니다. 이러한 배경에서 PoS 개념이 제안되었으며, 사용자의 지분을 기반으로 합의를 달성하는 방식으로 환경 부담을 줄이면서 네트워크의 보안성을 유지할 수 있는 방법으로 주목받기 시작했습니다.
PoS는 처음 제안된 이후 여러 개선과 발전을 거쳐왔습니다. 초기 버전의 PoS는 단순히 사용자가 소유한 코인의 양에 따라 새로운 블록 생성 권한을 부여하는 방식이었으나, 이후 네트워크 안정성과 보안, 분산화를 더욱 강화하기 위한 여러 방법이 도입되었습니다.
-순수 PoS(Pure PoS) : 사용자의 지분만을 고려하여 블록 생성자를 선정하는 방식입니다.
-위임된 PoS(Delegated PoS, DPoS) : 사용자들이 대표자를 선출하고, 이 대표자들이 블록 생성 권한을 갖는 방식으로, 네트워크의 운영을 더욱 효율적으로 만듭니다.
-노민레이터 PoS(Nominated PoS, NPoS) : 사용자들이 검증자 후보를 지명하고, 이들 중 일부가 실제 블록을 생성하는 검증자로 선정되는 시스템입니다.
각각의 PoS 변형은 특정한 목적과 환경에 맞게 설계되었으며, 이를 통해 다양한 블록체인 프로젝트에서 적용되고 있습니다.

2. 지분증명(PoS)의 증명 과정(작동과정)

2.1. PoS 증명과정 개요

PoS에서는 블록을 생성하기 위해 복잡한 계산이 필요하지 않으므로, 전체 네트워크의 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.  PoS에서 참여자(검증자)는 네트워크의 안정성을 보장하기 위해 자신이 소유한 지분을 "스테이킹"합니다. 이 과정에서 참여자의 지분 비율에 따라 새로운 블록을 생성할 기회가 부여되며, 이를 통해 보상을 받게 됩니다. 
검증자는 스테이킹된 자산을 잠금 상태로 유지하며, 이는 네트워크의 보안성을 강화합니다. 또한, 불량 행위자가 네트워크에 해를 끼치려 할 경우, 스테이킹된 자산의 일정 부분을 잃게 되므로, 악의적인 행동을 억제하는 효과가 있습니다. 이는 네트워크의 안정성과 신뢰성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

2.2. PoS 증명과정 세부설명

PoS 메커니즘의 기술적 세부사항은 이를 구현하는 구체적인 방식에 따라 다를 수 있지만, 기본적인 원리는 사용자의 지분을 합의 과정에 활용하는 것입니다.
-스테이킹 : 사용자는 네트워크의 안정성에 기여하기 위해 자신이 소유한 코인을 일정 기간 동안 잠그는 과정을 의미합니다. 스테이킹된 코인의 양이 많을수록, 해당 사용자가 블록 생성자로 선정될확률이 높아집니다. 스테이킹은 네트워크의 안정성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 악의적인 행위를 한 사용자는 스테이킹된 코인을 잃을 위험이 있으므로, 네트워크 참여자들을 정직하게 유지시키는 데에도 기여합니다.
-검증자 선정 : PoS 시스템에서는 스테이킹된 코인의 양, 네트워크에 대한 기여도, 무작위성 등을 기반으로 블록을 생성할 검증자를 선정합니다. 이 과정은 알고리즘에 따라 다르며, 네트워크의 보안성과 분산화를 유지하기 위해 설계됩니다.
-블록 생성 : 검증자로 선정된 참여자는 네트워크의 다음 블록에 포함될 트랜잭션을 검증하고, 해당 블록을 체인에 추가하는 역할을 수행합니다. 이 과정에서는 PoW에서 요구되는 복잡한 계산 작업이 필요 없으므로, 훨씬 적은 에너지를 소모합니다.
-보상 : 블록을 성공적으로 생성하고 네트워크에 추가한 검증자는 새로 발행된 코인과 트랜잭션 수수료의 형태로 보상을 받습니다. 이 보상은 네트워크 참여자들에게 지속적인 기여를 독려하고, 네트워크의 안정성과 보안을 강화하는 데 기여합니다.

2.3. PoS 보안 메커니즘

-슬래싱(Slashing) : PoS 네트워크에서는 악의적인 행위를 한 검증자에 대해 슬래싱이라는 처벌을 적용할 수 있습니다. 이는 검증자가 스테이킹한 코인의 일부 또는 전부를 몰수하는 것을 말하며, 네트워크를 공격하려는 시도를 억제하는 데 중요한 역할을 합니다.
-장기적 네트워크 참여 유도 : PoS 시스템은 스테이킹을 통해 사용자가 네트워크에 장기적으로 참여하도록 유도합니다. 이는 네트워크의 안정성과 보안성을 강화하며, 분산화된 네트워크 운영에 기여합니다.

3. 지분증명(PoS)의 장단점

3.1. PoS 장점

-에너지 효율성 : PoS는 PoW에 비해 훨씬 적은 에너지를 소모합니다. 이는 블록 생성 과정에서 고도의 계산 작업이 필요하지 않기 때문으로, 환경에 미치는 부정적인 영향을 크게 감소할 수 있습니다.
-보안성 강화 :  PoS에서는 참여자들이 네트워크에 자신의 코인을 스테이킹, 즉 일정 기간 동안 잠가두는 것으로 참여합니다. 이 스테이킹 과정이 PoS의 보안 강화에 중요한 역할을 합니다. 스테이킹된 코인은 참여자가 네트워크의 보안과 안정성 유지에 기여하는 만큼의 '보증금'과도 같습니다. 만약 참여자가 악의적인 활동을 시도하면, 스테이킹한 코인을 일부 또는 전부 잃게 됩니다. 이러한 메커니즘은 모든 참여자가 네트워크의 규칙을 준수하도록 동기를 부여하며, 결과적으로 네트워크의 전반적인 보안성을 강화합니다.
-분산화 촉진 :  PoS는 누구나 일정량의 코인만 있으면 검증자가 될 수 있게 함으로써, 네트워크의 분산화를 촉진합니다. 이는 중앙 집중화된 권력 구조를 방지하고, 네트워크의 탄력성을 향상시킵니다.
-스케일링 용이성 : PoS 시스템은 PoW보다 더 빠른 트랜잭션 처리 속도를 가능하게 하며, 이는 네트워크의 확장성 측면에서 큰 이점을 제공합니다.

3.2. PoS 단점

-지분 집중화 : 큰 지분을 가진 사용자가 네트워크에 과도한 영향력을 행사할 수 있으며, 이는 분산화의 원칙에 반하는 문제를 일으킬 수 있습니다. 이를 "부익부 빈익빈"(the rich get richer) 문제라고도 합니다.
-초기 분배 문제 : 새로운 PoS 기반 블록체인의 경우, 코인의 초기 분배가 어떻게 이루어지는지가 중요합니다. 공정하지 않은 분배는 네트워크의 안정성과 분산화에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
-장기 잠금의 위험 : 사용자가 보상을 위해 코인을 장기간 스테이킹하면, 시장 가격 변동에 민감하게 대응하기 어려울 수 있습니다. 이는 투자자에게는 유동성의 제한으로 작용할 수 있습니다.
-보안에 대한 이론적 우려 : 일부 학자와 전문가들은 PoS 시스템이 이론적으로 PoW 시스템보다 덜 안전할 수 있다고 지적합니다. 예를 들어, "Nothing at Stake" 문제는 검증자가 여러 체인에 걸쳐 베팅할 수 있음을 의미하며, 이는 네트워크의 안정성을 해칠 수 있습니다.

4. 지분증명(PoS) 코인 종류

-이더리움 (Ethereum) : 이더리움은 스마트 계약을 지원하는 블록체인 플랫폼으로, PoW에서 PoS 기반의 이더리움 2.0으로 전환 되었습니다. 이는 네트워크의 확장성, 보안성, 그리고 에너지 효율성을 크게 향상시킬 목적을 가지고 있습니다.
-솔라나 (Solana) : 솔라나는 고성능 블록체인으로, PoS와 PoH(Proof of History)를 결합한 고유의 합의 메커니즘을 사용합니다. 이를 통해 빠른 처리 속도와 낮은 거래 수수료를 제공하며, 대규모 어플리케이션의 구축을 가능하게 합니다.
-카르다노 (Cardano) : 카르다노는 과학적 연구에 기반을 둔 PoS 블록체인으로, 고유의 합의 알고리즘인 우로보로스를 사용합니다. 카르다노는 보안성, 지속 가능성, 그리고 상호 운용성에 중점을 두고 설계되었습니다.
-테조스 (Tezos) : 테조스는 자체 수정 기능을 가진 블록체인 네트워크로, PoS 합의 알고리즘을 사용합니다. 이는 테조스가 네트워크 업그레이드와 프로토콜 변경을 투표를 통해 진행할 수 있게 함으로써, 유연성과 장기적인 지속 가능성을 제공합니다.
-아발란체 (Avalanche) : 아발란체는 초고속, 저지연, 그리고 확장성을 제공하는 블록체인 플랫폼으로, 유니크한 합의 메커니즘을 사용합니다. 이 플랫폼은 다수의 독립된 체인을 지원하며, 이를 통해 다양한 애플리케이션과 금융 자산을 효율적으로 처리할 수 있습니다. 아발란체는 특히 DeFi(Decentralized Finance) 생태계와 커스텀 블록체인 네트워크 구축에 강점을 가지고 있으며, 높은 처리량과 빠른 최종성을 자랑합니다.

5. 마치며

지분증명(PoS)은 블록체인 기술의 지속 가능성과 확장성을 제고하기 위한 중요한 합의 알고리즘 이며, 각 블록체인 프로젝트들과 마찬가지로 PoS에서도 지속적 개선과 최적화 과정을 거치고 있습니다. 특히, 지분 집중화 문제와 보안에 대한 이론적 우려를 해결하기 위해 다양한 아이디어가 시도되고 있습니다. 

예를 들어, 위임된 지분증명(Delegated Proof of Stake, DPoS)은 사용자들이 대표자를 선출하여 네트워크의 의사 결정 과정에 참여하게 함으로써, 지분의 과도한 집중을 어느 정도 완화할 수 있습니다. 또한, 여러 PoS 기반 블록체인은 슬래싱 메커니즘을 도입하여 "Nothing at Stake" 문제에 대응하고 있습니다.

에너지 소비를 크게 줄이면서도 네트워크의 안정성과 보안을 강화할 수 있는 PoS는 앞으로도 많은 블록체인 프로젝트에서 핵심적인 역할을 할 것입니다.  PoS와 같은 혁신적인 기술이 블록체인의 미래를 어떻게 형성할지 지켜보는 것은 매우 흥미로운 일이 될 것 입니다.
이어서 다음 포스팅 에서는 위임된 지분증명(Delegated Proof of Stake, DPoS)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

블록체인 기술에 관심을 가지거나, 암호화폐에 직접 투자를 하다 보면 생소한 용어들을 접하게 됩니다. "합의 알고리즘이라는 게 뭐지?", "작업 증명, 지분 증명은 어떻게 다른 거야?"등 여러 궁금증이 생기게 됩니다. 이번 포스팅에서는 블록체인의 핵심적인 원리 중 하나인 합의 알고리즘(consensus algorithm)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

목차

1. 합의 알고리즘의 중요성 및 블록체인 기술과의 관계

2. 합의 알고리즘의 개념

3. 합의 알고리즘의 종류와 선택 기준

4. 마치며

1. 합의 알고리즘의 중요성 및 블록체인 기술과의 관계

1.1 합의 알고리즘의 중요성

합의 알고리즘이 왜 중요할까요? 블록체인은 여러 노드(컴퓨터)가 각자 독립적으로 운영되는 분산형 네트워크입니다. 이러한 네트워크에서 모든 노드가 같은 데이터를 보유하고, 그 데이터의 변경 사항에 대해 동의(합의) 해야 합니다. 합의 알고리즘은 이 과정에서 각 노드가 데이터의 유효성을 검증하고, 네트워크 전체가 하나의 진실에 도달할 수 있게 하는 메커니즘입니다. 즉, 합의 알고리즘 없이는 블록체인의 기본 원리인 투명성, 보안성, 불변성을 실현할 수 없습니다.

1.2 블록체인 기술과 합의 알고리즘의 관계

블록체인 기술을 한마디로 설명하자면, 데이터를 변조할 수 없는 방식으로 기록하는 분산형 디지털 원장입니다. 이 원장은 네트워크상의 모든 참여자에게 공개되어 있으며, 새로운 데이터(블록)가 추가될 때마다 네트워크의 모든 참여자가 이를 검증하고 합의해야 합니다. 여기서 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크 내에서 참여자들이 어떻게 합의에 이르는지를 정의하는 규칙입니다. 각 블록체인 프로젝트는 네트워크의 특성과 목표에 맞는 합의 알고리즘을 선택하여 사용합니다.

2. 합의 알고리즘의 개념

2.1. 합의 알고리즘이란 무엇인가?

간단히 말해서, 합의 알고리즘은 네트워크 내 모든 참여자가 어떤 데이터가 유효하고 정확한지에 대해 동의하는 과정입니다. 이 과정을 통해 네트워크는 하나의 공통된 진실, 즉 합의된 데이터 상태에 도달합니다. 합의 알고리즘은 블록체인의 분산된 특성을 감안할 때, 특히 중요합니다. 왜냐하면 중앙 집중식 시스템과 달리, 블록체인 네트워크는 단일 권위자가 아닌 네트워크 참여자 전체의 합의에 의해 운영되기 때문입니다. 이로 인해, 네트워크는 더욱 투명하고 변경이 어렵게 되며, 이는 블록체인이 제공하는 주요 가치 중 하나입니다.

2.2. 합의 알고리즘의 역할과 목적

합의 알고리즘의 주된 역할은 네트워크의 신뢰성을 확보하고, 거래의 정확성을 보장하는 것입니다. 모든 참여자가 동의한 거래만이 블록체인에 추가됨으로써, 데이터의 무결성이 유지됩니다. 이는 블록체인이 중앙 권한 없이도 작동할 수 있는 기반을 마련해 줍니다. 또한, 합의 알고리즘은 네트워크를 안전하게 보호하는 역할도 합니다. 잠재적인 악의적 공격자로부터 네트워크를 방어하기 위해, 합의 과정에서 다양한 암호학적 기술과 경제적 인센티브를 활용합니다.

이 과정에서 합의 알고리즘은 다음과 같은 목적을 달성하기 위해 설계되었습니다:

-보안성 강화 : 합의 알고리즘은 네트워크를 보호하고, 악의적인 공격자가 네트워크를 조작할 수 없도록 합니다. 이를 통해 블록체인 네트워크는 데이터의 안정성과 무결성을 유지할 수 있습니다.
-분산화 유지 : 블록체인의 핵심 가치 중 하나는 중앙 집중식 권력을 없애고 네트워크 참여자 모두가 권력을 공유하는 것입니다. 합의 알고리즘은 이러한 분산화를 가능하게 하는 기술적 기반을 제공합니다.
-효율성 증대 : 다양한 합의 알고리즘은 네트워크의 특성과 목적에 따라 다르게 설계되었습니다. 예를 들어, 에너지 소비가 적고 처리 속도가 빠른 알고리즘은 네트워크의 전반적인 효율성을 향상시킵니다.

3. 합의 알고리즘의 종류와 선택 기준

3.1 합의알고리즘의 종류

블록체인 기술의 핵심은 다양한 합의 알고리즘을 통해 네트워크 참여자 간의 신뢰와 합의를 이루어내는 것입니다. 이러한 합의 알고리즘은 블록체인의 보안성, 효율성, 확장성 등에 중대한 영향을 미칩니다. 블록체인 세계에는 다양한 종류의 합의 알고리즘이 있으며, 각각은 고유한 특성과 장단점을 가지고 있습니다. 대표적인 합의 알고리즘 몇 가지를 소개합니다.

-작업증명(PoW) : 비트코인(Bit coin) 등
가장 잘 알려진 합의 알고리즘 중 하나로, 복잡한 수학 문제를 해결하는 데 성공한 참여자가 다음 블록을 생성할 권리를 얻습니다. 이는 네트워크를 보호하는 강력한 방법이지만, 이 과정에서 상당한 양의 계산 자원이 소모됩니다. 
-지분증명(PoS) : 카르다노(Cardano), 폴카닷(Polkadot) 등
소유한 코인의 양에 따라 거래의 검증 권한이 주어지는 방식으로, PoW에 비해 훨씬 적은 양의 계산 자원을 필요로 함으로 에너지 효율적이라는 큰 장점이 있습니다.
-위임된 지분증명(DPoS) : 이오스(EOS), 트론(Tron) 등
PoS의 변형으로, 토큰 소유자들이 대표 검증자를 선출하는 방식입니다. 더 빠른 거래 처리가 가능하지만, 중앙화될 수 있다는 우려도 있습니다.
-실용적 비잔틴 장애 허용(PBFT) : 스텔라(Stellar) 등
노드 간의 신뢰를 기반으로 하며, 빠른 거래 처리 속도와 높은 처리량을 자랑합니다. 다만, 네트워크 규모가 커질수록 효율이 떨어질 수 있습니다.

3.2 합의알고리즘 선택 기준

블록체인 프로젝트를 개발하거나 기존 시스템에 블록체인 기술을 도입할 때, 적합한 합의 알고리즘을 선택하는 것은 매우 중요합니다. 알고리즘 선택에 영향을 미치는 여러 요소들이 있으며, 이는 각 블록체인의 목적, 사용 사례, 요구 사항에 따라 다를 수 있습니다. 아래는 합의 알고리즘을 선택할 때 고려해야 할 주요 기준입니다.

-보안성 :
네트워크가 외부 공격이나 내부 조작으로부터 안전해야 합니다. 알고리즘이 충분한 보안성을 제공하는지 평가해야 하며, 51% 공격 같은 특정 공격에 대한 취약점이 없는지 확인해야 합니다.
-확장성 :
시스템이 늘어나는 거래량과 참여자 수를 효과적으로 처리할 수 있어야 합니다. 높은 트랜잭션 처리 속도(TPS)와 낮은 거래 지연 시간을 제공하는 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
-분산화 정도 :
블록체인의 핵심 가치 중 하나는 분산화입니다. 합의 알고리즘은 네트워크의 분산화 정도를 결정하는 데 큰 역할을 합니다. 중앙 집중화의 위험이 적고, 네트워크 참여자 간에 권력이 공정하게 분배되는 알고리즘을 선호할 수 있습니다.
-에너지 효율성 :
특히 작업 증명(PoW)과 같은 일부 알고리즘은 많은 양의 전력을 소모할 수 있습니다. 환경에 미치는 영향을 고려하거나 운영 비용을 최소화하고자 할 때 에너지 효율적인 알고리즘을 선택해야 합니다.
-합의 속도 :
네트워크의 합의에 도달하는 데 걸리는 시간도 중요한 고려 사항입니다. 실시간 거래가 중요한 애플리케이션의 경우, 빠른 합의 도달 시간을 제공하는 알고리즘을 선택하는 것이 유리합니다.
-사용 사례와 호환성 :
마지막으로, 선택한 알고리즘이 프로젝트의 사용 사례와 잘 맞는지 확인해야 합니다. 예를 들어, 공공 블록체인과 사설 블록체인은 서로 다른 요구 사항과 목표를 가지고 있으므로, 이에 적합한 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
적절한 합의 알고리즘을 선택하는 것은 블록체인 프로젝트의 성공에 결정적인 역할을 합니다. 각 알고리즘의 장단점을 면밀히 분석하고, 프로젝트의 목표와 요구 사항에 가장 잘 부합하는 옵션을 선택하는 것이 중요합니다.

4. 마치며

비트코인의 작업 증명에서 시작된 합의 알고리즘 이제 카르다노의 지분 증명, 이오스의 위임 지분 증명, 하이퍼레저의 실용 비잔틴 장애 허용에 이르기까지, 보다 다양하고 세분화된 방향으로 발전하고 있습니다. 이러한 발전은 블록체인 기술이 단순한 암호화폐 생성을 넘어 금융, 제조, 헬스케어 등 다양한 산업 분야에 혁신을 가져올 수 있는 잠재력을 지니고 있음을 보여줍니다. 합의 알고리즘은 블록체인 네트워크의 중추적 역할을 하며, 그 선택은 블록체인의 성능, 효율성, 그리고 신뢰성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 블록체인 기술이 계속해서 발전하고 새로운 알고리즘이 등장함에 따라, 우리는 보다 공정하고, 효율적이며, 지속 가능한 디지털 미래를 향해 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것입니다.