Layer N, 모듈러 블록체인의 이상적인 방향을 제시하다

Key Takeaways

• L2 생태계는 꾸준히 성장하고 있으나, 여전히 증명 시스템과 관련된 사용자 경험 및 네트워크 간 상호운용성의 개선이 필요하다.

• Layer N은 이더리움 생태계의 금융 어플리케이션을 위해 디자인된 L2들의 네트워크이다. 가장 큰 특징으로는 ZKFP 증명 시스템으로, 사기 증명 시스템의 단점을 ZK 기술의 도입으로 해결한다.

• 이외에도 Layer N은 EigenDA를 도입하여 저렴한 데이터 가용성을 제공하고, IRC 프로토콜을 도입하여 상호운용성을 해결한다.

1. Introduction

1.1 여전히 성장하는 L2 생태계

지난 하락 이후로, 블록체인 시장엔 여전히 횡보하는 모습을 보이고 있지만, L2 생태계는 끊임없이 성장하고 있다. L2 생태계의 TVL은 지속적으로 우상향하고 있으며, 프로젝트의 관점에서도 Optimism, Arbitrum의 출시 이후로 zkSync Era, Base, Polygon zkEVM, Linea와 같은 범용 목적의 롤업 및 OP-Stack, Polygon CDK 등의 롤업 프레임워크를 활용한 신규 앱롤업도 지속적으로 출시되고 있다.

1.2 기존 롤업의 문제점

비록 L2 생태계가 많이 성장해왔고, 다양한 기술적 개선이 이루어진 것은 사실이나, 아직 해결해나가야할 문제가 굉장히 많다. 증명 시스템 및 escape hatch의 개발, 롤업 컨트랙트의 upgradeability 등 롤업 네트워크의 보안에 직결되는 것 이외에도, 사용자 경험에 관련된 부분에서도 개선될 점들이 많다.

1.2.1 사기 증명(fraud proof) 시스템

첫 번째로 개선되어야할 점은 사기 증명 시스템으로부터의 사용자 경험 이슈이다. 옵티미스틱 롤업의 경우 이더리움 네트워크 보안에 의존하기 위해 사기 증명(fraud proof) 시스템을 사용한다. 옵티미스틱 롤업은 네트워크의 연산이 일단 타당하다고 가정하고, 약 7일에 해당하는 분쟁 기간(dispute window)을 두어, 연산이 정말 타당한지 검증하는 기간을 갖는다. 이 기간 동안 verifier는 1) 이더리움 네트워크에 제출된, 옵티미스틱 롤업의 상태 요약본인 스테이트 루트(state root)와 2) 데이터 가용성 레이어(이더리움)에 제출된 트랜잭션 데이터를 비교하여 타당한지 살펴보고, 만약 타당하지 않다면 사기 증명을 생성할 수 있다.

현존하는 사기 증명 시스템에는 여러가지 문제점이 존재하는데, 첫 번째로 약 7일에 해당하는 분쟁 기간의 존재이다. 비록 요즘은 LayerZero, Orbiter 등 써드파티 브릿지가 존재하기 때문에 옵티미스틱 롤업과 타 네트워크간 자금 전송을 할 때 7일의 분쟁기간을 스킵할 수 있지만, 옵티미스틱 롤업에서 이더리움 네트워크로 직접 자금을 전송하는 경우에는 7일의 분쟁기간을 기다려야만 하고 이는 사용자 경험을 굉장히 저해한다.

두 번째로 사기 증명 시스템은 비효율적이고 안전성을 떨어뜨린다. 사기 증명을 생성하기 위해 가장 쉬운 방법은 문제가 발생한 롤업 블록 전체를 이더리움 네트워크 온체인에서 재연산(re-execute)하는 것이다. 하지만, 이는 굉장히 큰 비용을 발생시킨다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 Arbitrum은 블록 전체를 리플레이하는 것이 아니라, prover와 verifier의 상호작용을 통해 연산이 잘못된 특정 부분을 찾는 interactive fraud proof 시스템을 사용한다. 트랜잭션 리스트를 계속 두 개로 분할(bisect)하여 잘못 연산된 인스트럭션(instruction)을 찾고, 이 부분만 온체인에서 실행하기 때문에 가스비가 적게 든다는 장점이 있다.

Source: Arbitrum

그럼에도 불구하고 사기 증명 시스템에 문제가 있는데, 바로 온체인 연산과 오프체인 연산이 어떻게 동일한 환경에서 이루어졌는지 확인할 것이냐이다. 사기 증명 시스템이 올바르게 작동하기 위해서는 인스트럭션이 롤업과 이더리움에서 동일한 방식으로 실행되어야 한다. 이를 위해 Optimism은 MIPS, Arbitrum은 WASM이라는 사기 증명을 생성하기 쉬운 별도의 가상머신을 둔 후에, Geth EVM Go 언어를 이에 맞는 로우레벨 언어로 컴파일하는 과정이 들어간다.

Source: Specular

이러한 과정은 전체 시스템의 복잡성을 증가시키며, 즉 TCB(Trusted Computing Base)의 크기를 증가시킨다. TCB란 소프트웨어, 하드웨어 등을 포함한 요소로 시스템의 보안에 영향을 끼칠 수 있는 시스템을 의미한다. TCB의 크기가 크다는 것은 공격 벡터가 많아진다는 의미이며, 이는 시스템 전체의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 옵티미스틱 롤업에서 이러한 현상을 방지하기 위해 Specular라는 프로젝트는 EVM-native한 사기 증명 시스템을 구축하는 시도를 하고 있기도 하다.

1.2.2 유효성 증명(validity proof)

옵티미스틱 롤업과 달리, zk롤업은 영지식 기술을 활용한 유효성 증명 시스템을 사용하여 오프체인에서의 연산이 타당하다는 것을 증명하기 때문에, 약 7일에 해당하는 분쟁 기간이 필요없다는 장점이 있다. 따라서 zk롤업의 사용자들은 이더리움 네트워크로 출금할 때 수 시간밖에 걸리지 않는다. 하지만 zk롤업에도 단점이 있는데 바로 유효성 증명과 관련된 막대한 연산력과 비용이다. zk롤업은 지속적으로 유효성 증명을 생성해야하기 때문에, 생성할 때 필요한 막대한 연산력과 이를 온체인에서 검증하는 비용이 지속적으로 발생한다는 단점이 있다.

1.2.3 상호운용성(interoperability)

현재 각종 롤업 네트워크 및 프레임워크에서 가장 많이 제기되는 개선점 중 하나가 바로 상호운용성이다. OP-Stack, Arbitrum Orbit 같은 롤업 프레임워크 및 Caldera, Conduit, AltLayer와 같은 Rollup-as-a-Service(RaaS) 프로젝트들 덕분에, 수 많은 롤업 네트워크들이 출시될 수 있었으나, 이들도 결국 각각의 사일로(silo)된 네트워크일 뿐, 롤업 네트워크간 자금 전송 및 메시징과 같은 커뮤니케이션 인프라가 거의 없는 것이 현실이다. 이를 해결하기 위해 대표적으로 제시되는 해결법은 크게 2가지인데, 1) Polygon CDK와 같이 크로스체인 메시징에 ZKP를 사용하거나, 2) 공유 시퀀서(shared sequencer)를 사용하는 것이다. 롤업 네트워크에서의 상호운용성에 관해서는 ‘Interoperability in Ethereum Rollup Frameworks: Polygon CDK, OP-Stack, ZK-Stack’를 참고하라.

2. Layer N

2.1 Introduction

Layer N은 이더리움의 금융 하이퍼 레이어를 목표로 하며, 이더리움 생태계의 금융 어플리케이션을 위해 디자인된 L2들의 네트워크이다. 이더리움 네트워크는 확장성이 낮기 때문에, 이 위에 어플리케이션을 빌딩하는 것이 어렵고, 이를 해결하기 위해 출시된 L2 네트워크들은 상호운용성(interoperability) 및 결합성(composability)가 좋지 않은데, Layer N은 이를 해결하는 것을 목표로 한다. Layer N이 내세우는 장점은 아래와 같다:

• Hyper Performant - Layer N의 프로덕트 중 하나인 Nord는 트레이딩에 최적화된 L2 네트워크로 온체인 NASDAQ이 되는 것이 목표이다.

• Inter-Rollup Communication - Layer N의 L2 네트워크들에는 커뮤니케이션 프로토콜이 내장되어있어 서로 심리스(seamless)하게 통신할 수 있다.

• Shared Liquidity - Layer N의 L2 네트워크들은 서로 시퀀서를 공유하기 때문에, Inter-Rollup Communication (IRC) 프로토콜을 사용하여 인스턴트 브릿징이 가능하다. 이는 사용자들이 마치 하나의 유동성을 사용하는 듯한 경험을 제공한다.

• Ethereum L2 - Layer N의 L2 네트워크들은 이더리움 네트워크 및 EigenDA의 ETH 리스테이커(Re-staker)를 기반으로하고 있기 때문에 이더리움 보안의 수혜를 받는다.

Layer N은 다른 L2 솔루션들과 비교하여 기술적으로 어떠한 차별점을 가지고 있기에 이러한 목표들을 달성할 수 있는 것일까? Layer N은 1) 공유 시퀀서를 사용함으로써 롤업들 간 상호운용성 및 결합성을 개선하고, 2) 사기 증명 시스템과 유효성 증명 시스템의 장점을 절충한 Zero-Knowledge based Fraud Proving system (ZKFP)를 사용하여 기존 증명 시스템들이 가지고 있었던 UX 문제들을 개선할 수 있었던 것이다.

이러한 신선한 접근법들 덕분에, Layer N은 유명 VC들로부터 투자를 받을 수 있었다. Founders Fund와 dao5가 이번 시드 라운드를 공동 리드했으며, SALT, Kraken Ventures, Mirana Ventures, GSR, Amber Group, Spencer Noon, Karthik Raju 등이 투자에 참여했다.

2.2 Architecture & Features

2.2.1 Layer N Rollups

Layer N은 여러 L2 네트워크들의 모음이며, Layer N에 속한 L2 네트워크들은 EigenDA의 데이터 가용성, Layer N의 공유 시퀀서, RISC Zero의 zkVM 등을 활용할 수 있다. Layer N에 속한 L2 네트워크들은 다음과 같다:

• N-EVM - 퍼블릭 EVM 롤업 네트워크로, 누구나 EVM 호환 가능한 언어로 작성한 스마트 컨트랙트를 배포할 수 있다.

• Nord - 트레이딩에 최적화된 오더북 롤업 네트워크로 웹2의 금융 인프라와 비슷한 성능을 내는 것이 목표이다. Rust로 구현했기 때문에 성능이 매우 뛰어나고, 현재 100,000 tps와 100ms 이하의 레이턴시를 자랑하며, 교차 마진, 교차 담보 기능도 사용 가능하다. 또한 Nord는 IRC 프로토콜을 통해 N-EVM과도 심리스한 커뮤니케이션이 가능하다. Nord는 2023년에 출시될 첫 프로덕트이다.

• NordX - 기관을 위한(institutional grade) 롤업 솔루션으로, 기관의 요청에 따라 목적에 맞게 롤업 네트워크를 구축할 수 있다.

2.2.2 데이터 가용성(Data Availability)

롤업 네트워크들은 이더리움 네트워크의 보안에 온전히 의존하기 위해 트랜잭션 데이터를 이더리움 네트워크에 calldata로 저장한다. 이더리움 블록의 공간은 한정되어있기 때문에, 이는 굉장히 많은 비용을 발생시키고, 롤업 네트워크의 확장성을 저해하는 요인 중 하나이다. 실제로 2023년 8월 동안 Arbitrum은 트랜잭션 데이터 저장을 위해 하루에 적게는 $26K, 많게는 $201K까지도 이더리움 네트워크에 가스비를 지불하며, zkSync Era의 경우 꾸준히 $70K-$80K의 가스비를 지불하고 있다.

Layer N은 트랜잭션 데이터 저장에 발생하는 비용을 절감하기 위해 데이터 가용성 레이어로 이더리움 네트워크가 아닌, EigenDA를 사용한다. EigenDA는 EigenLayer를 활용하는 데이터 가용성 서비스이다. EigenLayer는 이미 이더리움 네트워크에 스테이킹된 ETH 토큰을 다른 프로토콜에 리스테이킹(re-staking)함으로써 슬래싱 조건을 추가로 도입하는 대신, 추가 보상을 얻을 수 있도록하는 프로토콜이다. 즉, EigenDA 서비스를 추가로 운영하는 노드들은 이더리움 네트워크의 밸리데이터이기 때문에, EigenDA를 사용하는 롤업 네트워크들은 이더리움 네트워크의 보안을 완전히 수혜받진 못해도, ETH의 가치와 얼라인(align)되어있다는 장점이 있다.

Source: EigenLayer

참고로 EigenDA는 Celestia나 Avail과 같이 블록체인 네트워크가 아니며, 토큰 경제가 접목된 탈중앙된 Data Availability Committee이다. ETH 리스테이커들은 경제학적 인센티브에 따라 롤업 네트워크의 트랜잭션 데이터를 담당하는 것이다. EigenDA에서 데이터의 기본적인 흐름은 다음과 같다:

1. Sequencer가 롤업의 블록을 Disperser에게 전송한다.

2. Disperser는 롤업의 블록에 erasure coding을 적용하여 chunks로 나누고, 이에 대한 KZG commitment와 proofs를 만들어 EigenDA의 오퍼레이터 노드들에게 전송한다. 참고로 Disperser는 롤업 네트워크가 자체적으로 운영할 수도 있으며, EigenLabs와 같은 써드 파티가 운영할 수도 있다.

3. EigenDA 오퍼레이터 노드들은 Disperser로부터 받은 chunks를 KZG commitment와 proofs를 통해 검증하고 저장하며, 이에 대한 서명을 생성하고 Disperser에게 다시 전송한다.

심지어 몇몇 Layer N 롤업은 서명 애그리게이션 기술을 도입하여 데이터를 8-10배 정도 더 압축할 수 있어 매우 저렴한 트랜잭션 수수료를 가질 수 있다고도 한다.

2.2.3 Inter-Rollup Communication (IRC) 프로토콜

Layer N 생태계에 속하는 롤업 네트워크들은 시퀀서를 공유한다. 시퀀서는 롤업 네트워크에서 사용자들로부터 트랜잭션을 받고, 순서를 정한 후에 블록을 만드는 역할을 한다. 여러 롤업 네트워크에 걸쳐서 같은 set의 시퀀서가 블록을 생성하기 때문에, 롤업들의 state는 함께 정산(settle)되고, 이는 Layer N의 롤업들이 네이티브하게 크로스 롤업 커뮤니케이션을 할 수 있는 환경을 제공한다. 즉, 여러 롤업들에 걸쳐 존재하는 각종 디파이 프로토콜들이 마치 한 네트워크에 있는 것처럼 아토믹한 결합성(atomic composability)를 달성할 수 있다.

구체적으로, Layer N은 Hyperlane과 협업하여, EVM과 SVM 롤업들에 Hyperlane Interchain Security Modules (ISM)을 도입할 예정이다. ISM은 인터체인 메시지를 검증하고 전송하는 역할을 하는 스마트 컨트랙트이다.

초기 단계에서는 Layer N의 롤업들이 단일 시퀀서를 공유할 예정이지만, 미래엔 이를 탈중앙화시켜 검열 저항성과 공정성, liveness 이슈를 개선할 계획을 가지고 있다. 시퀀서의 탈중앙화도 EigenLayer를 활용하여 ETH 리스테이커들이 시퀀서로 참여할 수 있도록 할 것이다. 각 롤업마다도 시퀀서 간 컨센서스를 다르게 할 예정인데, N-EVM 경우 탈중앙 시퀀서들에게 합의 알고리즘을 도입할 것이고, 오더북 롤업인 Nord에서는 레이턴시가 중요하기 때문에 합의 알고리즘을 도입하기 보단, 리더 경매 메커니즘을 도입하여 레이턴시를 최대한 낮게할 예정이라고 한다.

2.2.4 Zero-Knowledge Fraud Proving (ZKFP) 시스템

Source: Layer N

Layer N의 롤업들은 사기 증명과 유효성 증명의 장점을 절충한 ZKFP라는 새로운 증명 시스템을 사용한다. 서론에서 언급했듯이, 사기 증명 시스템은 약 7일의 분쟁 기간이 필요하고, 유효성 증명은 시스템은 검증을 위해서 지속적으로 발생하는 비용이 문제점이었다. Layer N의 ZKFP 시스템에선 기본적으로 사기 증명 시스템을 사용하되, 악의적인 행위가 있을 때만 이를 ZKP를 통해 증명한다. ZKFP 시스템의 과정은 다음과 같다:

1. Replay - Verifier가 DA 레이어의 트랜잭션 데이터를 기반으로 로컬에서 재연산을 한다.

2. Detection - (Fraud가 있을 경우) Replay 과정을 통해 계산된 state와, 이더리움 네트워크에 제출된 state가 다르다는 것을 감지한다.

3. Initiate Verification Process: Verifier는 이더리움 네트워크의 사기 증명 컨트랙트를 호출(call)하여 자금을 스테이킹하고, 롤업 네트워크의 입금과 출금을 동결시킨다.

4. Proof Generation: Verifier는 Risc Zero의 zkVM을 활용하여 state 시뮬레이션을 실행하고, state가 잘못되었다는 것을 증명하는 ZKP를 생성한다.

5. On-chain Verification: 이더리움 온체인에서 ZKP를 검증한다.

6. State Recovery Mode: 만약 온체인에 제출된 ZKP가 타당하다면, 이더리움의 롤업 컨트랙트는 state를 복구하는 recovery mode로 돌입한다.

Layer N의 ZKFP에선 ZKP를 활용하여 기존 사기 증명 시스템에서 여러 번의 상호작용으로부터 오는 비효율성을 개선하고, 약 7일에 해당하는 출금 기간을 더 줄일 수 있게 되었다. 이뿐만 아니라 사기 증명의 생성을 위해서 Optimism의 MIPS나 Arbitrum의 WASM같이 추가적인 가상머신을 둘 필요가 없고, 이를 ZKP를 통해 해결할 수 있기 때문에 공격벡터도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

참고로, Layer N은 궁극적으로 ZKFP 시스템에서 더 나아가서 Risc Zero가 만든 Bonsai Network를 활용하여 zk롤업으로 전환할 계획을 가지고 있다.

2.2.5 Transaction Lifecycle

Souce: Layer N

마지막으로 Layer N에서 사용자들의 트랜잭션이 어떤 흐름을 가지는지 살펴보자. 네트워크에 제출된 사용자들의 트랜잭션은 공유 시퀀서에 의해 순서가 결정된 후에, VM에 의해 실행된다. VM에 의해 실행된 트랜잭션은 소프트 컨펌 상태이며, 트랜잭션 데이터가 DA 레이어에 포함되고 난 후에야 하드 컨펌 상태로 전환된다. 트랜잭션 데이터가 DA 레이어에 성공적으로 제출될 경우, 계산된 state는 이더리움 네트워크에서 정산(settle)되고 완결(finalize)된다. Verifier는 DA 레이어에 포함된 트랜잭션 데이터와, 롤업 컨트랙트에 제출된 state를 비교하면서 사기(fraud)가 있는지 없는지 지속적으로 확인하고, 만약 일치하지 않을 경우 ZKFP 시스템을 사용하여 사기 증명을 제출한다.

3. Final Thoughts

요약하면 Layer N은 1) 공유 시퀀서를 통해 생태계 내의 롤업 네트워크들이 아토믹(atomic)하게 커뮤니케이션할 수 있도록 하고, 2) ZKFP 시스템을 통해 기존 증명 시스템들의 문제점을 개선하며 높은 사용자 경험을 제공한다.

Layer N이 나아가고자 하는 방향은 블록체인의 매스 어답션과 굉장히 잘 얼라인되어 있다. 블록체인이 널리 사용되기 위해선 결국 보안성과 확장성이 가장 중요하다. Layer N은 이더리움을 기반으로 하고 있기 때문에 수 많은 사용자들이 안전하게 사용할 수 있는 환경을 제공한다. 확장성의 경우 결국 단일 네트워크에서 수 많은 사용자를 감당할 수 없다고 가정하면, 멀티 체인의 미래가 필연적이다. 만약 멀티 체인에서 크로스체인 인프라가 부족하다면 이는 사용자 경험을 매우 해칠 수 있는데, Layer N에선 공유 시퀀서를 통해 여러 롤업들이 상호작용할 수 있는 환경을 제공하여 이러한 문제를 해결한다.

사용자 경험적인 측면에서는 ZKFP 시스템뿐만 아니라, 네트워크 자체적으로 ‘Supercharged Features’라는 개발자 경험을 높여주는 각종 툴(e.g., 멀티체인 지갑)도 지원한다. 즉, Layer N은 인프라와 사용자 경험 두 방향에서 가장 이상적인 미래를 그리고 있으며, 이러한 기반 위에서 N-EVM, Nord, NordX와 같은 다양한 롤업 네트워크들이 이더리움의 금융 레이어 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

이 글의 비주얼을 제공해주신 Kate에게 감사의 말씀을 전합니다.