Substrate와 Polkadot 2.0

Disclaimer: 본 아티클은 서울대학교 블록체인 학회 디사이퍼(Decipher)에서 Substrate와 Polkadot2.0을 주제로 리서치한 내용을 바탕으로 합니다. 본 아티클은 Substrate에 대한 개념과 Polkadot 2.0의 방향성에 대한 내용을 다루고 있습니다. 이 보고서에 포함된 어떠한 내용도 투자 조언이 아니며, 투자 조언으로 해석되어서도 안 됩니다.

Author

전경민(@0xSatoshiIsHere) of Decipher

Seoul Nat’l Univ. Blockchain Academy Decipher(@decipher-media)

Reviewed by 디사이퍼 미디어팀

Motivation

Substrate는 Rust기반 블록체인 프레임워크로 현재는 Polkadot SDK의 일부로 통합되었습니다. Polkadot은 기존 블록체인 네트워크가 가지고 있는 확장성, 상호운용성 문제를 해결하기 하는 것을 목표로 하는 블록체인입니다. Polkadot은 릴레이체인(Relaychain)과 파라체인(Parachain) 구조를 통해 네트워크 보안성과 확장성을 동시에 달성할 수 있는 네트워크입니다. 릴레이체인은 네트워크의 보안과 합의를 담당하며, 파라체인들은 독립적으로 트랜잭션을 처리하고 개별 기능을 수행하면서도 릴레이체인의 보안 메커니즘을 상속받습니다. Polkadot 2.0에서는 기존의 방식을 대체할 새로운 코어타임(Coretime) 모델을 도입하여 블록 공간을 보다 유동적이고 효율적으로 할당할 수 있도록 개선할 예정입니다. 2.0 업그레이드를 통해 Polkadot 생태계 내 프로젝트들은 필요에 따라 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 본 아티클에서는 Substrate의 개념과 특징을 알아본 뒤 Polkadot의 구조와 Polkadot 2.0이 가져올 변화에 대해 살펴보겠습니다.

Table of Contents

1. Substrate
2. Substrate 주요 특징

2.1 FRAME Runtime Architecture

2.2 Pallet

2.3 런타임 업그레이드(Forkless Upgrade)

3. Polkadot

4. Polkadot 2.0

4.1 Asynchronous Backing

4.2 Agile CoreTime

4.3 Elastic Scaling

5. 결론

6. Reference

1. Substrate

Substrate는 Ethereum의 공동창립자인 Gavin Wood가 설립한 Parity Technologies에서 개발한 Rust언어 기반 모듈형 블록체인 프레임워크(Framework)입니다. Substrate는 FRAME이라는 모듈형 아키텍처를 통해 구성되어 있으며, 이를 통해 Substrate 개발자는 Pallet라는 사전 정의된 모듈을 통해 블록체인의 기능을 자유롭게 구성할 수 있고, 합의 알고리즘, 런타임, 서비스 로직 등 다양한 요소들을 간단하게 수정할 수 있습니다.

2. Substrate 주요 특징

2.1 FRAME Runtime Architecture

Substrate의 Runtime은 상태 변경과 트랙잭션 처리를 담당하며, FRAME을 통해 재사용 가능한 팔레트와 라이브러리를 활용해 유연한 블록체인을 구성할 수 있습니다. 모든 트랙잭션은 먼저 Executive pallet 을 통해 처리가 진행되며 이후 요청 기능이 구현된 팔레트로 전달됩니다. Runtime modules 는 FRAME과 커스텀 팔레트로 구성되어 블록체인의 로직을 담당하는 역할입니다. FRAME system modules 는 Account, Block Number, Hash 등의 코어 타입과 시스템 유틸리티 이벤트 처리를 담당하며, FRAME support libraries 는 팔레트 개발의 도움을 주는 유틸리티 등이 포함되어 있습니다.

이미지 출처: https://docs.polkadot.com/develop/parachains/customize-parachain/overview/

2.2 Pallet

팔레트는 FRAME 구조내에 모듈식 구성요소로 블록체인 어플리케이션 기능을 캡슐화합니다. 이러한 구성 방식은 다양한 Runtime에 쉽게 통합할 수 있도록 합니다. 일반적인 팔레트의 구성은 아래 코드 형태로 구성됩니다.

pub use pallet::*;
#[frame_support::pallet] // 이 코드가 블록체인 런타임에서 사용될 팔레트임을 표시(일종의 Tagging)
pub mod pallet {
  use frame_support::pallet_prelude::*;
  use frame_system::pallet_prelude::*;
  #[pallet::pallet] // 팔레트 구조체 적용
  #[pallet::generate_store(pub(super) trait Store)]
  pub struct Pallet<T>(_);
  #[pallet::config]  // 팔레트의 데이터 유형에 대한 구성을 정의
  #[pallet::event]   // 팔레트의 이벤트 내역에 대한 정의
  #[pallet::error]   // 트랙잭션 실행이 실패했을 때를 대비해 오류를 정의
  #[pallet::storage] // 데이터를 저장소할 요소에 대한 정의
  #[pallet::call]    // 트랜잭션으로 호출 가능한 형태로 정의하여 런타임에 대한 상태변경을 허용(일종의 진입점)
}

2.3 런타임 업그레이드(Forkless Upgrade)

기존 블록체인들은 업그레이드 필요 시, 코드를 수정하고 바이너리(Binary) 파일로 교체하는 하는 포크 방식으로 업그레이드를 진행하였습니다. 반면 Substrate는 WebAssembly(WASM) 런타임을 체인의 상태로 저장해 새로운 WASM 코드를 업로드하기만 하면 네트워크 전체가 새로운 런타임을 인식하고 저장하여 포크가 필요 없는 업그레이드를 적용할 수 있습니다. 이를 통해 노드의 재시작이나 다운타임(Downtime)없이 빠르고 안전하게 블록체인을 업그레이드 할 수 있습니다.

이미지 출처: https://medium.com/@brunopgalvao/substrate-cfeb13333f2c

이미지 출처: https://medium.com/@brunopgalvao/substrate-cfeb13333f2c

이러한 Substrate는 현재 Polkadot의 Repository와 병합되어 현재는 Polkadot SDK라는 용어로 운영되고 있습니다. FRAME 아키텍처와 런타임 업그레이드 등의 특징을 바탕으로 Polkadot 생태계에서 확장성과 안정성을 지원하고 있습니다.

이미지 출처: https://github.com/paritytech/substrate

3. Polkadot

Polkadot은 여러 독립적인 블록체인의 상호운용성에 초점을 맞춘 인터체인(Inter Chain)프로젝트로 중심이 되는 릴레이체인(Relaychain)과 개별적인 기능을 수행하는 파라체인(Parachain)으로 구성되어 있습니다. 릴레이 체인은 네트워크의 전체 보안을 담당하는 동시에 파라체인의 메시지 교환을 중개합니다. 이로써 Polkadot 생태계 내 개별 파라체인들은 독립적으로 동작하면서도 상호간의 메시지를 교환할 수 있습니다. 2024년 01월 31일 기준 코인마켓캡 시가총액 19위를 기록하고 있으며 Substrate기반 블록체인 중 가장 상위권에(EVM 및 다중 프로토콜을 지원하는 Chainlink를 제외) 놓여져 있습니다.

이미지 출처: https://coinmarketcap.com/view/substrate/

• 릴레이 체인(Relaychain)은 Polkadot 전체 네트워크의 보안과 메시지 교환 절차를 담당합니다. 이를 통해 다양한 파라체인이 동시에 블록을 생성하고 트랜잭션을 처리할 수 있도록 지원하며 모든 파라체인이 동일한 보안 체계 내에서 운영되게 만듭니다.
• 파라체인(Parachain)은 각자의 목적과 기능에 특화된 체인으로 트랜잭션 데이터를 수집하고 블록을 제안하는 역할을 합니다. 각각의 Parachain들은 독립적으로 설계된 토큰 모델이나 서비스를 구현할 수 있음과 동시에 릴레이체인의 합의 알고리즘을 공유하여 높은 보안성과 상호운용성을 보장받습니다. 이러한 방식으로 개별 파라체인들은 높은 확장성과 확보하면서, Polkadot 네트워크 전체의 시스템을 다양하게 만들어갑니다.
• 콜레이터(Collator)는 파라체인에서 트랙잭션을 수집해 블록(parablock)을 생성하고 이를 Polkadot의 검증자(Validator)에게 전달해 최종 검증과 블록에 포함되도록 하는 노드입니다.

이미지 출처: https://wiki.polkadot.network/docs/learn-parachains

4. Polkadot 2.0

이러한 구조를 가진 Polkadot은 2025년 1분기에 The Rebirth of a Network 라는 슬로건과 함께 새로운 도약을 예고하고 있습니다. Polkadot 2.0에서는 세 가지 주요 기술 업그레이드(Agile Coretime, Elastic Scaling, Asynchronous Backing)를 도입할 예정입니다.

이미지 출처: https://polkadot.com/blog/rebirth-of-a-network

2025년 2월 1일 기준 Async Backing과 Agile Coretime은 적용 완료되었으며, Elastic Scaling은 도입될 예정입니다.

이미지 출처: 폴카닷 공식 디스코드(https://polkadot-discord.w3f.tools/)

4.1 Asynchronous Backing

Asynchronous backing은 파라블록의 효율성과 처리량을 높여 블록 생성 및 검증 과정을 최적화 하는 방식입니다. 이는 기존에 12초였던 블록 생성 시간을 6초까지 단축하며, 해당 시간 내에 병렬 트랙잭션 검증과 블록 생성이 이루어집니다.또한, 각 블록당 저장가능한 데이터수를 4배 더 높이며, 이러한 개선을 통해 파라체인의 처리량을 최대 10배까지 높일 수 있습니다.

• 파라블록 생성과 백업(Parablock Generation and Backing): 파라체인에서 블록(parablock)을 생성하면, 먼저 백업(Backing) 단계에서 검증합니다. 파라체인의 콜레이터(Collator)가 만든 파라블록을 Polkadot의 검증자(Validator)나 백업 그룹이 받아서 해당 파라블록이 트랜잭션을 임의로 제외하거나 변조하지 않았는지 확인하는 작업을 진행합니다. 이 단계에서는 파라블록의 완전한 유효함을 결정하지는 않지만 이후 최종 합의로 넘어가기 전에 기초적인 안전성을 확보한다는 점에서 중요합니다. 이후 백업이 완료된(Backed) 파라블록은 다른 검증자들이 추가 검증을 거쳐 최종적으로 Polkadot에 포함(Inclusion)되게 됩니다. 포함될 때 네트워크에 부담을 주지 않도록 전체 파라블록 데이터를 모두 올리는 대신 후보 영수증(candidate receipt)만 블록에 기록합니다. 이러한 방식으로 접근하면 블록의 검증 과정을 생성 → 백업 → 포함 세 단계로 나누어 처리할 수 있으며 유효하지 않은 트랜잭션이 체인에 포함될 위험을 줄이고 데이터 사용량도 최소화하여 Polkadot 체인의 확장성을 높일 수 있습니다.
• 비동기 백업 방식(Asynchronous Backing Mechanism): 비동기 백업 방식은 기존 동기 백업(12초)보다 블록 생성 주기를 절반(6초)으로 단축해 블록 생성 속도를 2배로 높일 수 있습니다. 또한, 콜레이터(Collator)가 최대 2초 동안 파라블록을 실행할 수 있어 각 블록에 포함될 수 있는 데이터 양도 늘어나게 됩니다. 아직 블록에 완전히 포함되지 않은 상태에서도 비동기 접근 방식을 통해 미리 파라블록을 제출함으로써 전체 과정을 효율적으로 운영할 수 있습니다.
• 파이프라인과 멀티코어 활용(Pipelining and Multiple Core Utilization): 파이프라이닝 방식을 도입해 콜레이터(Collator)가 동시에 여러 파라블록을 생성할 수 있게 해줍니다. 이렇게 생성된 파라블록들은 같은 Polkadot 체인 블록 내에서 백업과 포함 과정을 병렬로 진행할 수 있으며 네트워크 처리량이 상승하게 됩니다.

4.2 Agile CoreTime

Agile Coretime은 컴퓨팅 리소스를 동적으로 할당하여 네트워크의 실제 수요에 정확하게 맞추어 기존 1.0에서 발생하던 자원의 비효율성을 개선하는 방식입니다. Agile CoreTime 방식은 보안이나 탈중앙화의 가치를 훼손하지 않으면서 자원을 효율적으로 분배해 사용하는 방식입니다.

• 코어(Core): 코어는 Polkadot 체인 상에 존재하는 가상의 계산단위이며, 파라체인의 거래를 처리하고 스마트 계약을 실행합니다.
• 코어타임(CoreTime): 코어타임은 파라체인이 릴레이체인(Relaychain)에 액세스 할 수 있는 기간으로, 코어를 실행하는데 필수적인 요소입니다.

코어타임 구매방식

On-demand

• 클라우드서비스와 유사한 방식으로 필요한 시점에만 블록 공간을 구매하는 방식입니다. 가격은 실시간으로 변동하며 신규 프로젝트나 트래픽의 사용량이 일정하지 않는 프로젝트(예시: PoC 프로젝트)에서 사용하기 적합한 방식입니다.

Bulk

• 최대 28일 동안의 코어타임을 미리 구매할 수 있는 방식으로 이미 활성화된 프로젝트에서 사용하기 적합한 방식입니다. 구매한 코어타임은 NFT형태로 보유할 수 있으며 예측가능한 비용구조와 안정적 운영을 보장해줍니다. 거래는 코어타임체인에서 진행되며 금액은 사전 설정된 금액 혹은 경매(Auction) 형태로 결정됩니다. 갱신시에는 가격 상한이 적용되어 비용의 예측가능성을 유지할 수 있습니다.
• 코어타임 체인(CoreTime Chain): 폴카닷 시스템 내부에있는 특수한 형태의 파라체인으로 코어타임의 할당과 관리를 담당하는 역할을 진행합니다. 이를 통해 전체 네트워크에서 코어타임이 원할하게 운영되고 효율적으로 분배되는지 확인이 가능합니다.

이미지 출처: https://messari.io/report/polkadot-2-0-rebirth-an-overview

코어타임은 Extrinsic(Polkadot Transaction)을 통한 직접 구매나 RegionX, Lastic과 같은 마켓플레이스를 통해 구매할 수 있습니다.

이미지 출처: https://app.regionx.tech/?network=polkadot

이미지 출처: https://app.regionx.tech/?network=polkadot

위 이미지는 RegionX 마켓플레이스의 대시보드 화면이며, 대시보드에서는 아래와 같은 정보를 확인할 수 있습니다.

• 소각된 Polkadot 코인(DOT) 수 및 향후 소각 예정량
• 현재 구매 가능한 코어타임 수량
• 코어타임의 구매 비용 및 갱신 비용
• 코어타임의 구매 일정

이미지 출처: https://app.regionx.tech/?network=polkadot

마켓플레이스에서 구매한 코어타임은 내부 메뉴를 통해 직접 자신의 파라체인에 적용할 수 있습니다. 코어타임을 구매한 후 다음과 같은 과정으로 파라체인에 연결됩니다

1. 구매한 코어타임은 대시보드에 표시됩니다. 여기서 코어의 활성화 상태와 시작/종료 일정을 확인할 수 있습니다. 코어타임이 활성화되면, 해당 기간 동안 네트워크 리소스를 사용할 준비가 된 것입니다.
2. 활성화된 코어타임을 특정 파라체인에 할당하기 위해 Manage 기능을 사용합니다. Manage 기능을 통해 파라체인 슬롯 선택, 코어 연결 승인 작업을 진행합니다. 이때 연결된 코어는 해당 파라체인의 블록 생성 및 검증에 필요한 리소스를 제공합니다.
3. 이 과정을 통해 구매된 코어타임은 파라체인의 리소스로 활용되며, 네트워크 성능과 안정성을 높이는 데 기여합니다. 또한, 파라체인의 성능을 최적화하고 안정적인 운영을 보장하는 역할을 합니다.

4.3 Elastic Scaling

Agile Coretime이 네트워크 수요에 맞춰 리소스를 동적으로 할당하는 방식이라면 Elastic Scaling은 동시 처리기능을 통해 프로세스를 최적화하는 방식입니다. Elastic Scaling을 통해 파라체인은 동일한 Polkadot 블록 내에서 여러 코어를 활용하여 처리량을 증대시킬 수 있습니다.

• 멀티 코어 활용(Multi Core Utilization): 파라체인이 Polkadot 단일 블록내에서 여러 코어를 병렬로 활용해 트랙잭션 처리량을 높일 수 있습니다. 각 코어는 가상의 서버처럼 동작하며 서로 다른 파라체인 블록을 독립적으로 처리를 진행합니다.
• 파라체인 검증 포함(Parablock Validation and Inclusion): 다수의 파라체인이 동시에 생성하는 블록(parablock)을 병렬로 검증하고 처리하여 Polkadot에 네트워크 처리량을 향상시킬 수 있습니다. Polkadot은 여러 코어로부터 파라체인들의 블록 시퀀스를 받아오면서 백업, 가용성, 승인 등의 절차에 대해 독립적인 대상으로 취급해 병렬 처리를 허용한다. 이러한 접근방식으로 병목현상을 줄일 수 있습니다.
• 콜레이터 인프라 및 처리량(Collator Infrastructure and Throughput): 파라체인의 전체 처리량은 콜레이터 인프라가 필요한 시간내에 여러 파라체인 블록을 생성할 수 있는 용량에 따라 달라집니다. 따라서 Polkadot의 향상된 성능에 맞게 콜레이터의 성능도 개선되어야하며 이러한 작업은 Polkadot 2.0 개선사항에 포함되어 있습니다.
• 단계적 구현(Phased Implementation): Elastic Scaling은 단계별로 도입될 계획입니다. 초기에는 권한있는(Permissioned) 콜레이터 환경에서 구현될 예정입니다. 이후 단계에서는 누구나 참여할 수 있는(Permissionless) 콜레이터 환경에서 구현되며, 최종적으로는 파라체인들이 상시 여러 코어에 접근하며 Elastic Scaling의 장점을 극대화할 계획입니다.

5. 결론

Polkadot은 이더리움기반 블록체인(EVM), 솔라나(SVM)등 다른 블록체인 플랫폼에 비해 개발자와 사용자 층이 제한적인 상황입니다.

이미지 출처: https://coinpedia.org/research-report/blockchain-report-of-february-2024-dominance-development-and-adoption-insights/

하지만 멀티체인 구조라는 차별화된 특징을 앞세워 여러 파라체인이 각각 독립적인 기능을 수행하면서도 네트워크 전체 보안을 공유하는 방식으로 꾸준한 확장을 모색해 왔습니다. 특히 곧 도입될 Polkadot 2.0 업데이트는 네트워크 리소스 할당(Coretime)부터 블록 처리 효율(Elastic Scaling, Asynchronous Backing)까지 포괄적인 개선을 예고하고 있으며, 이를 통해 기존의 한계를 넘어 더욱 안정적이고 유연한 환경을 구축하고자 합니다. 이러한 업그레이드는 Polkadot 생태계의 확장성과 사용성을 높여 새로운 프로젝트의 빌더들과 개발자들이 쉽게 합류할 수 있도록 돕는 계기가 될 것으로 보입니다. 아직 이더리움이나 솔라나 등 대형 생태계와 비교하면 규모가 작고 개발자 수도 많지 않지만, 지속적인 기술 개선을 통해 Polkadot이 앞으로 어떠한 발전을 보여주면서 확대해 나갈지 기대되는 부분입니다.

6. Reference

https://docs.substrate.io/

https://moonbeam.network/news/what-is-substrate

https://medium.com/paritytech/what-is-substrate-29af4231d7e0

https://youtu.be/0IoUZdDi5Is?si=CsEoJgK-n1QjwvrL

https://medium.com/@brunopgalvao/substrate-cfeb13333f2c

https://github.com/paritytech/substrate

https://cointelegraph.com/learn/articles/the-polkadot-architecture-and-introduction-to-the-substrate-infrastructure

https://medium.com/@coineasy/polkadot-2-0-rebirth-개요-5ea808ad2e99

https://messari.io/report/polkadot-2-0-rebirth-an-overview

https://www.lastic.xyz/polkadot/bulkcore1

https://docs.polkadot.com/tutorials/polkadot-sdk/parachains/zero-to-hero/obtain-coretime/

https://app.regionx.tech/?network=polkadot