PoW와 PoS 보안 모델 비교: 블록체인의 근본 구조

인류는 문명이 발전하면서 자연이 만든 많은 물리적 제약을 극복해 왔습니다. 충분한 돈만 있다면, 물리적 가치가 없는 인간의 사회적 합의일 뿐인 화폐로도 기본적인 생활에 필요한 대부분의 것들을 구매할 수 있습니다. 하지만 우리 몸은 돈이 가진 한계를 잘 보여줍니다. 예를 들어 운동을 통해 얻을 수 있는 건강이나 평균 수명의 증가 같은 결과는 단순히 돈으로 살 수 있는 것이 아니라, 직접적인 노력과 시간이 필요합니다. 물론 재정적 여유가 있다면 건강 보조 식품이나 고급 운동 장비를 이용할 수 있다는 점에서 돈의 역할이 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 여기서 하나의 질문이 등장합니다.

노력의 가치는 과연 돈으로 대체될 수 있을까요?

이 질문은 현대 사회뿐 아니라 블록체인 시스템을 이해하는 데에도 중요한 의미를 가집니다.

블록체인의 두 가지 접근 방식

많은 사람들은 블록체인이 가장 안정적으로 운영되기 위해서는 많은 자산을 보유한 참여자들이 자신의 자산을 담보로 시스템을 보호해야 한다고 생각합니다. 그러나 우리는 이러한 통념에 의문을 제기합니다. 대신 작업(work), 즉 컴퓨터 연산을 통해 블록체인을 운영하는 방식인 Proof-of-Work(PoW) 가 더 강력한 보안 모델이라고 주장합니다.

간단히 말해, 우리의 주장은 다음과 같습니다.

블록체인은 인간의 몸과 같이 노력을 통해 더 안전해진다.

이를 이해하기 위해서는 블록체인의 핵심 속성 두 가지를 먼저 살펴볼 필요가 있습니다.

블록체인의 핵심: Safety와 Liveness

블록체인이 정상적으로 작동하기 위해서는 두 가지 중요한 성질이 필요합니다.

• Safety (안전성)

정직한 노드가 확인한 거래는 결국 모든 정직한 노드에 의해 동일하게 확인되어야 합니다.

• Liveness (활성)

정직한 노드에게 충분히 오랫동안 전달된 거래는 결국 블록체인에 포함되어야 합니다.

이 두 가지 성질이 유지될 때 블록체인은 순서가 정해진 거래 기록, 즉 거래 원장(transaction ledger)을 만들어내며, 이 원장은 시간이 지나도 변경되지 않는 상태로 계속 확장됩니다.

Bitcoin이 만든 새로운 환경

Bitcoin은 허가가 필요 없는(permissionless) 환경에서 블록체인이 작동할 수 있다는 것을 처음으로 보여주었습니다. 이 네트워크에서는 누구든지 자유롭게 참여하거나 떠날 수 있으며, 별도의 승인 과정이 필요하지 않습니다. 새롭게 네트워크에 참여한 노드는 최소한 하나의 정직한 노드와 연결되기만 하면, 스스로 거래 원장의 올바른 상태를 검증할 수 있습니다. 네트워크에 처음 접속한 노드는 여러 가지 서로 다른 거래 기록을 받을 수 있지만, 어떤 체인이 올바른 체인인지 스스로 판단할 수 있습니다. 이 능력은 거래 순서의 무결성, 즉 블록체인의 안전성을 보장하는 핵심 요소입니다.

Proof-of-Work의 역할

Bitcoin은 이러한 구조를 가능하게 하기 위해 Proof-of-Work(PoW)를 사용합니다.

PoW는 다음과 같은 역할을 합니다.

• 블록 제안자를 공정하고 조작 불가능한 방식으로 선택
• Longest Chain Rule을 통해 올바른 체인을 결정

PoW 시스템에서는 전체 연산 능력의 50% 미만을 가진 공격자는 네트워크를 장악할 수 없습니다. 또한 새로운 노드가 네트워크에 참여했을 때 여러 개의 체인을 받더라도, 가장 많은 연산 작업이 투입된 체인을 올바른 체인으로 선택할 수 있습니다.

Proof-of-Stake의 등장

그러나 PoW는 많은 연산 자원과 비용을 요구한다는 비판도 존재합니다. 이러한 한계를 해결하기 위한 대안으로 Proof-of-Stake(PoS) 방식이 제안되었습니다. PoS에서는 네트워크에서 보유한 코인의 양(Stake)에 비례하여 블록 생성 권한이 주어집니다. 이 방식 역시 보통 Longest Chain Rule을 함께 사용합니다. 표면적으로 보면 PoW와 PoS는 비슷해 보일 수 있습니다. 그러나 네트워크가 동적으로 변하는 환경에서 PoS는 취약하다는 차이점이 존재합니다.

PoS의 취약점: Posterior Attack

PoS 시스템에서는 과거 블록을 다시 만들어 체인을 조작하는 공격이 가능할 수 있습니다. 예를 들어 다음과 같은 상황을 생각해 봅시다.

블록체인 운영 100일차

전체 스테이크 중 10%만 활성

정직한 참여자 6%

공격자 4%

블록체인 운영 200일차

전체 스테이크 중 50% 활성

정직한 참여자 30%

공격자 20%

이 경우 공격자는 현재 보유한 20% 지분을 이용해 과거 블록을 다시 생성할 수 있습니다. 공격자는 과거 블록을 다시 서명하여 더 긴 체인을 만들 수 있고, 새로 참여한 노드는 이를 올바른 체인으로 착각할 수 있습니다. 이 공격의 가장 큰 문제는 공격에 별도의 비용이나 노력이 거의 필요하지 않다는 점입니다.

PoW와 PoS의 근본적인 차이

PoW와 PoS의 근본적인 차이를 이해하기 위해 다음과 같은 비유를 생각해 볼 수 있습니다. PoW는 건물을 짓는 과정과 같습니다. 시간과 노력이 누적되어야만 구조물이 완성됩니다. 반면 PoS는 땅을 구매하는 과정과 유사합니다. 충분한 자금이 있다면 비교적 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 때문에 순수 PoS 시스템의 보안은 공격자가 과거 어느 시점에서도 과반수의 지분을 확보하지 못해야 한다는 조건에 의존하게 됩니다.

시간의 화살(Arrow of Time)

PoS의 취약점은 시간 구조의 부재에서 비롯됩니다. PoW에서는 이미 막대한 연산이 투입되었기 때문에 과거 블록을 다시 만드는 것이 사실상 불가능합니다. 이를 시간의 화살(arrow of time) 이라고 부릅니다. PoS 시스템에서는 이 구조가 자연스럽게 존재하지 않습니다. 이를 보완하기 위해 최근에는 Verifiable Delay Function (VDF)이라는 기술이 제안 되었습니다. VDF는 병렬화할 수 없는 순차 연산을 강제하여 일정한 시간 지연을 만들도록 설계된 함수입니다. VDF를 활용하면 PoS 시스템도 일정 수준의 시간 구조를 만들 수 있습니다.

하지만 여전히 PoW만큼 강력한 보안을 제공하지는 못합니다. 예를 들어 다음과 같은 상황을 생각해 봅시다. Bitcoin이 처음 시작된 2009년에는 사토시 나카모토가 네트워크 연산력의 과반을 보유했을 가능성이 높습니다. 그러나 오늘날 사토시가 Bitcoin 체인을 뒤집는 것은 사실상 불가능합니다. 그 이유는 PoW의 연산 작업이 누적되기 때문입니다. 반면 PoS 시스템에서는 초기 참여자가 일시적으로 과반의 지분을 보유했다면, 비공개 체인을 만들어 미래에 이를 공개하는 방식으로 공격할 가능성이 존재합니다.

누적되는 작업 vs 누적되지 않는 연산

PoW와 PoS-VDF 사이의 핵심 차이는 다음과 같습니다. PoW는 작업이 누적되는 반면 VDF는 누적되지 않습니다. 이를 이해하기 위한 간단한 사고 실험이 있습니다. 다음 블록을 생성할 키를 미리 알고 있다고 가정해 봅시다. 이 경우 실제로 블록을 생성하기 위해 필요한 계산량은 얼마나 될까요? PoW에서는 정답을 알고 있어도 여전히 막대한 연산을 수행해야 합니다. 반면 PoS와 VDF 구조에서는 단순히 해당 연산을 실행하면 되고, 순수 PoS 시스템에서는 거의 즉시 블록을 생성할 수 있습니다.

이 사고 실험은 PoW와 PoS의 근본적인 차이를 보여줍니다. 동적인 네트워크 환경에서 블록체인의 안전성은 누적되는 작업(work)에서 비롯됩니다.

레퍼런스

1. Juan A. Garay, Aggelos Kiayias, Nikos Leonardos. “The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications.” Journal of the ACM (to appear), 2024.
2. Aggelos Kiayias, Alexander Russell, Bernardo David, Roman Oliynykov. “Ouroboros: A provably secure proof-of-stake blockchain protocol.” In Annual international cryptology conference, pp. 357–388, 2017. Springer.
3. Dan Boneh, Joseph Bonneau, Benedikt Bünz, Ben Fisch. “Verifiable delay functions.” In Annual international cryptology conference, pp. 757–788, 2018. Springer.
4. Benjamin Wesolowski. “Efficient verifiable delay functions.” In Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2019: 38th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Darmstadt, Germany, May 19–23, 2019, Proceedings, Part III 38, pp. 379–407, 2019. Springer.
5. Krzysztof Pietrzak. “Simple verifiable delay functions.” In 10th innovations in theoretical computer science conference (itcs 2019), 2019. Schloss-Dagstuhl-Leibniz Zentrum für Informatik.

*본 글은 Common Prefix의 블로그 글을 바탕으로 정리한 글입니다. 원문은 아래에서 확인하실 수 있습니다.

[embed]Common Prefix - The Battle of Blockchains: PoW vs PoS Unveiled A perspective on the long-standing battle between proof-of-work and proof-of-stake blockchains.www.commonprefix.com