zkEVM에서 zkVM으로의 여정이 블록체인 확장성을 어떻게 개선했는가

블록체인 기술은 10년 이상 전 비트코인이 탄생한 이후 많은 발전을 이루었습니다. 초기 블록체인 네트워크는 탈중앙화된 접근 방식에서 획기적이었지만, 특히 확장성 측면에서 상당한 도전에 직면했습니다. 블록체인 애플리케이션과 사용 사례가 계속 확장됨에 따라 확장성 문제에 대한 해결책을 찾는 것이 최우선 과제가 되었습니다.

이 분야에서 유망한 발전 중 하나는 zkEVM(Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine)에서 zkVM(Zero-Knowledge Virtual Machine)으로의 전환으로, 이는 블록체인 확장성을 극적으로 향상시킬 잠재력을 가지고 있습니다. 본 기사에서는 zkEVM의 세계로 깊이 들어가 그 한계를 살펴보고, zkVM으로의 진화가 블록체인 확장성에 상당한 개선을 가져올 방법을 이해해 보겠습니다.

영지식 증명(ZKP)의 부상

영지식 증명은 인터넷에서 사용자 프라이버시를 보호하는 데 중추적인 역할을 하며, 특히 블록체인에서의 광범위한 채택을 추구함에 따라 더욱 중요합니다. 또한 계산적 도전을 해결할 약속을 가지고 있습니다. 현재 이를 달성하기 위한 두 가지 주요 경로가 있습니다: zkEVM과 zkVM입니다. 이 탐색에서 우리는 두 접근 방식을 모두 깊이 파고들며 그들의 장단점을 저울질해 보겠습니다. 그러나 이 분석에 뛰어들기 전에, 우리가 무엇을 최적화하고 있는지, 그리고 왜 프라이버시가 그렇게 중요한지 이해하는 것이 필수적입니다.

암호학의 진화 영역에서 생물학적 대응체와 마찬가지로, 특성의 발전은 특정 결과의 최적화를 목표로 합니다. 비트코인은 예를 들어, 분산형 디지털 화폐가 수용되고 널리 채택되기 전에 확실히 보안되어야 한다는 점을 인식하여, 모든 것보다 보안을 최우선으로 했습니다. 이더리움도 유사한 길을 따라, 스마트 계약이 제공하는 프로그래밍 가능성이라는 추가적인 레이어를 도입하면서 보안을 강조했습니다.

이러한 암호학적 진화의 반복은 서로를 기반으로 구축되는 경향이 있으며, 각각 고유한 트레이드오프 세트를 가져옵니다. 이더리움의 경우, 모든 노드는 모든 트랜잭션을 다시 실행해야 하며, 이는 높은 가스 요금과 느린 트랜잭션 속도를 초래하는 formidable(엄청난) 컴퓨테이셔널 도전을 제시합니다. 블록체인에서 직접 계산을 수행하기로 한 결정은 보안과 투명성을 향상시키기 위해 내려졌습니다. 그러나 이는 성능과 프라이버시가 희생되는 대가를 치르게 합니다.

롤업(Rollups)은 이더리움과 관련된 컴퓨테이셔널 부하를 줄여 확장성을 향상시키기 위한 솔루션으로 등장했습니다. 그들은 성능 문제를 해결하기 시작하지만, 프라이버시 문제는 고려하지 않습니다. 이는 프라이버시가 사용자 기반을 확장하려는 애플리케이션의 필수 조건으로 진화했기 때문에 중요합니다. 사용자는 자신의 데이터에 대한 더 많은 통제를 점점 더 요구하며, 자신의 정보에 대한 무제한 접근을 추구하는 실체에 대해 경계하고 있습니다.

애플리케이션 개발자들은 프라이버시로의 이러한 성장하는 추세와 그 필요성을 인식했습니다. 결과적으로, 그들은 제로-커뮤니케이션 증명(ZKPs)을 사용하여 프라이버시를 보호하는 방법을 적극적으로 탐색해 왔습니다. 이러한 암호화 프로토콜은 사용자들이 추가 정보를 공개하지 않고도 진술의 진위를 검증할 수 있게 합니다. 예를 들어, ZKPs는 사용자의 정확한 나이 또는 생년월일을 공개하지 않고도 사용자가 18세 이상임을 확인할 수 있습니다.

a16z의 2023년 암호화폐 현황 보고서에서 강조된 바와 같이, 개발자들의 ZK-Proof 기술 채택은 더욱 증가할 것으로 예상됩니다. 이 추세는 학술 출판물의 급증과 이더리움 네트워크에서 ZK 증명을 검증하는 일일 트랜잭션 수의 증가에 의해 주도됩니다. ZKPs에 대한 모멘텀은 블록체인 공간에서 프라이버시, 보안 및 확장성의 균형을 찾는 노력에서 그들의 성장하는 중요성을 보여줍니다.

zkVM 이해하기

정의해야 할 첫 번째 측면은 무엇인가: 가상 머신(VM)이란 무엇인가? 간략히 말해서, VM은 다른 프로그램을 실행할 수 있는 소프트웨어 프로그램이며, 일반적으로 지정된 일련의 명령을 수행하는 반복 루프로서 작동합니다. 이 명령들은 '다른 프로그램'을 나타냅니다.

구체적으로 이더리움 가상 머신(EVM)은 이더리움 스마트 계약을 실행하는 VM 역할을 합니다. 지원되는 명령의 원래 컴파일과 해당 동작은 가빈 우드(Gavin Wood)가 작성한 세미널 옐로우 페이퍼(중요성뿐만 아니라 독특한 노란색으로도 구별됨)에서 2014년에 outlining되었습니다. 이 문서는 현재 지원되는 명령의 배열을 반영하기 위해 지속적인 업데이트 상태를 유지합니다.

한편, 제로-커뮤니케이션 가상 머신(zk VM)은 본질적으로 제로-커뮤니케이션 증명(zkp) 시스템 내에서 회로로 구현된 VM입니다. 이는 주로 프로그램 실행을 증명하는 데 중점을 두는 기존 zkp 시스템과 구별됩니다. zkVM에서는 가상 머신 자체의 실행 검증에 초점이 맞춰집니다. 결과적으로, 일부 개인은 비-VM zkps를 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 접근법의 일부로 분류하는 반면, zkVM을 CPU(Central Processing Unit) 접근법의 구성 요소로 간주합니다.

zkp 시스템 내에서 프로그램 또는 회로는 특정 프로그램에서 컴파일된 바이너리와 마찬가지로 불변의 엔티티입니다. 결과적으로, zkVM 회로는 루프의 미리 결정된 수의 반복을 효과적으로 나타내며, 이는 루프를 풀리는(unrolling) 것에 비유할 수 있습니다. 본질적으로, zkVM은 가상 머신을 실행하도록 설계된 회로입니다. 실제 프로그램의 명령은 검증되는 프로그램에 대한 완전한 투명성을 가능하게 하기 위해 이 회로의 공개 입력으로 도입될 수 있습니다. (원하는 경우 대안을 탐색하기 위해 VM에 프로그램의 명령을 전달하는 다양한 방법이 존재합니다.)

여러 zkVM 프로젝트가 등장했으며, 적어도 세 가지 주목할 만한 시도가 있습니다.

1. Cairo: Starknet에서 사용되는 이 프로젝트는 예술 작품으로 간주되는 철저한 논문으로 주목할 만합니다. 'turshi'라는 실험적 구현도 Kimchi 프레임워크에 포함되어 있습니다.
2. Miden: Polygon 생태계 내에서 진행 중인 프로젝트인 Miden은 현재 개발 중입니다.
3. Risczero: 또 다른 진행 중인 이니셔티브인 Risczero는 블록체인 영역을 넘어 널리 인정된 표준인 RISC-V 명령 집합을 지원하도록 목표로 합니다.

이러한 각 프로젝트는 서로 다른 명령 집합을 수용하므로 서로 상호 운용 불가능합니다.

zkVM의 유형

zk VM의 분야는 두 가지 뚜렷한 유형으로 분류할 수 있습니다.

1. zk-최적화 VM: Cairo와 Miden이 대표적인 예입니다. 이러한 VM은 효율성을 우선시하도록 신중하게 설계되어 훨씬 더 빠릅니다. 그들의 주요 목표는 제로-커뮤니케이션 증명(zkp) 시스템과의 원활한 통합을 촉진하여 검증 프로세스를 간소화하는 것입니다.
2. 실제 세계 VM: 이 카테고리에는 RISC-V 명령 집합을 지원하는 RiscZero와 이더리움 가상 머신(EVM)에 맞춰진 다양한 zkEVM이 포함됩니다. 실제 세계 VM은 제로-커뮤니케이션 증명 영역을 넘어 확립된 명령 집합 및 생태계와의 호환성을 제공하도록 의도되었습니다.

EVM을 지원하려는 동기는 몇 가지 설득력 있는 이유에 기인합니다. 첫째, 이더리움 자체의 경우, 이는 제네시스 상태부터 최신 이더리움 상태까지 전체 상태 전이를 포괄하는 증명의 생성을 가능하게 합니다. 이 기능은 Mina와 같은 프로젝트에서 예시됩니다.

둘째, 비-이더리움 프로젝트의 경우, EVM 호환성을 채택하면 Uniswap과 같은 이더리움 생태계의 프로젝트 및 애플리케이션을 원활하게 통합하는 이점을 제공합니다. 이는 상호 운용성을 용이하게 할 뿐만 아니라 이더리움 커뮤니티의 개발자들을 새로운 프로젝트로 끌어들이는 기회를 제시합니다.

zkVM의 메커니즘

TxVM에 대한 우리의 이전 작업과 비트코인 및 이더리움 설계의 영향을 받은 ZkVM은 새로운 트랜잭션 형식을 도입합니다. ZkVM에서 트랜잭션은 자산 흐름을 직접 조작하는 프로그램으로 표현되며, 자산 흐름은 일급 객체로서 트랜잭션 로그를 통해 블록체인 상태를 업데이트합니다. 트랜잭션 로그 적용과 검증을 분리함으로써 확장 가능한 설계를 가능하게 하면서도 사용자 정의 계약에 대한 강력한 환경을 제공합니다.

블록체인 확장성을 향상시키고 기밀 가치 이동을 가능하게 하기 위해, ZkVM은 잔액을 표현하기 위해 UTXO(미사용 트랜잭션 출력) 모델을 사용합니다. 모든 잔액은 생성, 파괴 및 트랜잭션 내에서 조작될 수 있는 미사용 출력(UTXO)의 집합으로 표현됩니다. 이러한 UTXO는 Utreexo 스키마를 사용하여 머클 루트로 효율적으로 저장되어 저장 요구 사항을 크게 줄이고 완전히 검증하는 노드의 더 넓은 배포를 용이하게 합니다.

ZkVM에서 각 출력은 블록체인 상태에 저장된 계약이며, 이러한 항목을 잠금 해제하기 위해 충족되어야 하는 조건인 술어(predicate)로 보호되는 여러 항목을 포함합니다. ZkVM은 Taproot 기반 설계를 사용하여, 계약이 암호화 서명 또는 사용자 정의 조건을 검증하는 내장 서브 프로그램 실행을 통해 잠금 해제될 수 있도록 합니다.

ZkVM의 계약은 계정, 주문장 및 결제 채널과 같은 상위 수준 프로토콜을 위한 다재다능한 빌딩 블록 역할을 합니다. 이러한 유연성은 Stellar과 같은 플랫폼이 프로토콜 설계 선택을 컨센서스-크리티컬 레이어에서 벗어나게 하여 광범위한 탈중앙화 애플리케이션에 대한 실험을 촉진합니다.

기밀성과 관련하여, ZkVM은 술어에서 Taproot 스키마를 사용하여 균형을 맞춥니다. 모든 당사자가 협력한다면 계약 논리를 공개할 필요가 없지만, 협력하지 않을 경우 보안은 유지됩니다. 계약 논리를 공개해야 하는 경우에도 잔액 및 계약 매개변수와 같은 데이터는 제로-커뮤니케이션 검증 제약 시스템으로 인해 기밀로 유지됩니다.

ZkVM은 Bulletproofs 제로-커뮤니케이션 증명 시스템을 활용하여, 기본적으로 Pedersen 커밋먼트로 값과 데이터를 암호화합니다. 사용자는 비밀 값에 대한 산술 및 논리 표현식을 지정할 수 있으며, 이는 자동으로 Bulletproofs 제약 시스템으로 변환됩니다. 트랜잭션은 컴팩트하고 효율적이며, 작은 트랜잭션은 크기가 1~1.5KB이고, 집계된 결제는 입력-출력 쌍당 200바이트의 미미한 비용만 발생합니다. 검증은 매우 병렬화 가능하여 출력당 약 1밀리초만 소요됩니다. 이러한 효율성은 ZkVM이 데이터 암호화를 희생하지 않고 보안을 우선시할 수 있게 하며, 필요한 경우에만 권한 있는 당사자에게만 데이터가 공개되도록 보장합니다. 또한, Bulletproofs 프레임워크는 신뢰할 수 있는 설정(trusted setup)의 필요성을 제거하여, 각 기능에 대해 네트워크 전체 업그레이드가 필요하지 않고 ZkVM 위에 새로운 프로토콜을 생성할 수 있게 합니다.

zkEVM에서 zkVM으로의 전환 필요성

zkEVM의 한계

zkEVM이 상당한 개선을 도입했지만, 여전히 확장성 잠재력을 방해하는 몇 가지 한계가 있었습니다.

1. 제한된 호환성: zkEVM은 주로 이더리움 네트워크를 위해 설계되었습니다. 이는 다른 블록체인 플랫폼이 기술을 쉽게 채택할 수 없음을 의미하며, 블록체인 생태계 전반에 미치는 더 넓은 영향을 제한했습니다.
2. 복잡성: zkEVM 구현에는 제로-커뮤니케이션 증명 및 암호학에 대한 깊은 이해가 필요했습니다. 이러한 복잡성은 개발자들이 zkEVM을 자신의 프로젝트에 통합하는 것을 어렵게 만들어 채택을 더욱 제한했습니다.
3. 저장 및 데이터 문제: zkEVM은 블록체인상의 데이터 저장 문제를 효과적으로 해결하지 못했습니다. 큰 데이터 저장 요구 사항은 확장성의 병목 현상으로 남아 있었습니다.

zkVM으로의 전환: 확장성의 돌파구

zkEVM의 한계를 인식하여, 블록체인 커뮤니티는 더 다재다능하고 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위한 여정에 착수했으며, 이는 zkVM(제로-커뮤니케이션 가상 머신)의 탄생으로 이어졌습니다.

zkVM은 zkEVM의 기초 원칙을 기반으로 하면서도 그 단점을 해결합니다. zkVM이 어떻게 블록체인 확장성을 혁신할 준비를 하고 있는지 살펴보겠습니다.

1. 크로스 플랫폼 호환성: zkEVM과 달리, zkVM은 블록체인 비종속적(blockchain agnostic)으로 설계되었습니다. 이는 이더리움에 국한되지 않고 다양한 블록체인 네트워크에 통합될 수 있음을 의미합니다. 이러한 더 넓은 호환성은 zkVM이 전체 블록체인 생태계에 더 큰 영향을 미칠 수 있는 문을 엽니다.
2. 향상된 사용자 경험: zkVM은 개발자를 위한 구현 프로세스를 단순화하는 것을 목표로 합니다. 사용자 친화적인 도구와 인터페이스를 제공함으로써, zkVM은 개발자들이 제로-커뮤니케이션 증명의 힘을 활용하기 쉽게 만들어 진입 장벽을 낮춥니다.
3. 향상된 데이터 관리: zkVM은 데이터 저장 문제를 더 효과적으로 해결합니다. 데이터 압축 및 저장에 대한 혁신적인 기술을 도입하여 블록체인상의 저장 요구 사항을 줄입니다. 이 최적화는 블록체인의 데이터 크기를 줄여 확장성에 직접적인 긍정적 영향을 미칩니다.
4. 더 빠른 트랜잭션 처리: zkVM의 오프체인 컴퓨테이셔널 능력을 통해, 블록체인 네트워크의 컴퓨테이셔널 부하가 더욱 감소합니다. 이는 더 빠른 트랜잭션 처리 시간, 낮은 수수료 및 향상된 전반적인 성능으로 이어집니다.

우리는 무엇을 최적화하고 있는가?

록히드 마틴은 F-35를 만드는 야심 찬 임무를 시작했으며, 이를 특수화된 공중 대 공 및 공중 대 지 전투기를 대체할 수 있는 다재다능한 전투기로 상상했습니다. 그러나 이 노력은 상당한 후퇴를 겪었으며, 의도된 일정보다 10년 뒤처져 있고, 업계 전문가들 사이에서 역사상 가장 실패한 전투기 중 하나로 명성을 얻었습니다.

이 경험에서 얻은 주요 교훈은, 시스템이 특정 목적을 위해 설계될 때, 종종 여러 목표를 동시에 최적화하려는 솔루션보다 해당 특정 역할을 수행하는 데 뛰어납니다.

블록체인 영역과 유사점을 drawn(그리는)다면, 이더리움은 처음부터 완전히 공개되고 투명한 플랫폼으로 구상되었습니다. 만약 그러한 블록체인에 프라이버시 기능을 도입하려고 시도한다면, 처음부터 프라이버시를 핵심 원칙으로 설계된 시스템과 동일한 수준의 성능을 달성하기는 어렵습니다. 이는 개발자들이 원래 이 컨텍스트에서 작동하도록 의도되지 않은 프로그램을 적응시켜야 하므로 엔지니어링 도전을 제시하며, 이는 복잡하고 어색한 회로의 생성으로 이어집니다.

그러나 대안적인 접근 방식은 프라이버시를 위해 특별히 설계된 목적 지향적 애플리케이션 레이어의 개발을 포함합니다. 이 접근 방식은 제로-커뮤니케이션 증명이 제공하는 이점을 누 while 프라이버시 관련 기능을 최적화할 수 있게 하며, 이는 다음 섹션에서 자세히 다룰 주제입니다.

zkVM 및 zkEVM의 실제 세계 응용

zkEVM과 zkVM 모두 다양한 도메인에서 응용되며, 산업과 블록체인 사용 사례를 재형성할 전망을 제시합니다.

• DeFi Revolution: 탈중앙화 금융(DeFi) 플랫폼은 zkVM 및 zkEVM을 활용하여 거래 속도를 높이고, 수수료를 줄이며, 민감한 금융 데이터를 보호할 수 있습니다.
• 공급망 혁신: zkVM 및 zkEVM을 통해 공급망의 투명성과 추적성을 개선하여 사기를 줄이고 효율성을 높일 수 있습니다.
• 의료 데이터 보안: zkEVM 및 zkVM은 의료 데이터의 프라이버시와 보안을 보장하여 승인된 당사자들 간에 정보를 안전하게 공유할 수 있게 합니다.
• 게임 및 NFT: 게임 산업과 대체 불가능한 토큰(NFT) 마켓플레이스는 zkVM 및 zkEVM이 제공하는 빠른 거래와 안전한 데이터 처리로부터 혜택을 받을 수 있습니다.

zkVM 및 블록체인 확장성의 미래

zkVM이 블록체인 공간에서 입지를 넓혀감에 따라, 이는 블록체인 채택과 성장을 제한해 온 장기적인 확장성 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 어떤新興 기술과 마찬가지로, 극복해야 할 과제와 염두에 두어야 할 고려 사항이 있습니다.

1. 도입 장벽: zkVM의 다양한 블록체인과의 호환성은 상당한 이점이지만, 광범위한 채택은 여전히 블록체인 프로젝트가 이 기술을 자신의 네트워크에 통합하려는 의지에 달려 있습니다.
2. 보안 우려: 제로-커뮤니케이션 증명은 복잡한 암호화 기술을 도입하며, 어떤 취약점도 상당한 보안 위험을 초래할 수 있습니다. 사용자의 신뢰를 유지하기 위해 zkVM 구현의 지속적인 감사와 개선이 중요합니다.
3. 규제 환경: 블록체인 기술이 진화함에 따라 규제 감시를 계속 받게 될 것입니다. 규제 기관들이 제로-커뮤니케이션 증명과 그 응용을 어떻게 대할지는 아직 미정이며, 이는 zkVM의 미래 채택에 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

zkEVM에서 zkVM으로의 여정은 블록체인 확장성 도전을 해결하기 위한 중요한 전진을 나타냅니다. zkEVM이 기반을 마련했다면, zkVM은 더 다재다능하고 확장 가능한 솔루션을 제공하며, 이는 다양한 산업 전반에 걸쳐 블록체인 기술이 사용되는 방식을 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.

zkVM으로의 전환은 그 자체로 도전 과제가 없지는 않지만, 크로스 플랫폼 호환성, 사용자 친화성, 데이터 관리 및 트랜잭션 처리 속도 측면에서 가져오는 이점은 블록체인 공간에서 매력적인 진보입니다. zkVM이 진화하고 블록체인 생태계에서 자신의 자리를 찾아가면서, 우리는 산업을 변화시키고 전 세계 사람들의 삶을 개선할 잠재력을 가진 더 확장 가능하고 효율적인 블록체인 애플리케이션을 보게 될 것으로 예상합니다.