zkEVM에서 zkVM으로의 전환 과정에서 블록체인 확장성이 어떻게 향상되었는가

블록체인 기술은 10여 년 전 Bitcoin 처음 등장한 이후로 비약적인 발전을 이루었습니다. 초기 블록체인 네트워크는 탈중앙화 방식이라는 점에서 획기적이었지만, 특히 확장성 측면에서 상당한 어려움에 직면했습니다. 블록체인 애플리케이션과 활용 사례가 계속해서 확대됨에 따라, 확장성 문제를 해결하는 것이 최우선 과제가 되었습니다.

이 분야에서 가장 유망한 발전 중 하나는 zkEVM(Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine)에서 zkVM(Zero-Knowledge Virtual Machine)으로의 전환입니다. 이는 블록체인 확장성을 획기적으로 향상시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 이 글에서는 zkEVM의 세계를 탐구하고, 그 한계를 살펴보고, zkVM으로의 진화가 블록체인 확장성에 어떤 실질적인 개선을 가져올지 알아보겠습니다.

영지식 증명(ZKP)의 부상

영지식 증명은 인터넷에서 사용자 개인정보를 보호하는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 블록체인 기술의 광범위한 도입을 위해 노력하는 과정에서 더욱 중요합니다. 또한 영지식 증명은 계산상의 난제를 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 현재 이를 구현하는 주요 방식으로는 zkEVM과 zkVM이 있습니다. 본 분석에서는 두 접근 방식을 자세히 살펴보고 각각의 장단점을 비교 분석할 것입니다. 하지만 분석에 앞서, 우리가 무엇을 최적화해야 하는지, 그리고 개인정보 보호가 왜 그토록 중요한지를 이해하는 것이 필수적입니다.

암호화폐 진화의 영역은 생물학적 진화와 마찬가지로 특정 결과를 최적화하려는 목표에 따라 특성이 발달합니다. 예를 들어 Bitcoin분산형 디지털 화폐가 널리 수용되고 채택되기 위해서는 확실한 보안이 필수적이라는 점을 인식하고 무엇보다 보안을 최우선으로 삼았습니다. Ethereum 역시 비슷한 경로를 밟아 보안을 강조하는 동시에 스마트trac을 통해 제공되는 프로그래밍 가능성이라는 추가적인 기능을 도입했습니다.

암호화 기술의 진화는 각 단계마다 고유한 장단점을 지니면서 서로 영향을 주고받습니다. Ethereum의 경우, 모든 노드가 모든 거래를 직접 실행해야 하므로 엄청난 연산 부담이 발생하여 높은 가스 수수료와 느린 거래 속도를 초래합니다. 블록체인 상에서 직접 연산을 수행하기로 한 결정은 보안과 투명성을 강화하기 위한 것이었지만, 성능 저하와 개인정보 보호 문제라는 대가를 치러야 했습니다.

롤업은 Ethereum과 관련된 연산 부담을 줄여 확장성을 향상시키는 해결책으로 등장했습니다. 롤업은 성능 문제를 어느 정도 해결하지만, 개인정보 보호 문제는 고려하지 않습니다. 이는 개인정보 보호가 사용자 기반 확장을 목표로 하는 애플리케이션의 필수 조건으로 자리 잡았기 때문에 중요한 문제입니다. 사용자들은 자신의 데이터에 대한 통제권을 더욱 요구하고 있으며, 자신의 정보에 무제한으로 접근하려는 주체에 대해 경계심을 갖고 있습니다.

앱 개발자들은 개인정보 보호에 대한 관심이 높아지고 있다는 추세와 그 필요성을 인식하고 있습니다. 그 결과, 영지식 증명(ZKP)을 활용하여 개인정보를 보호하는 방법을 적극적으로 모색해 왔습니다. 이러한 암호화 프로토콜을 통해 사용자는 추가 정보를 공개하지 않고도 특정 진술의 진위 여부를 확인할 수 있습니다. 예를 들어, ZKP는 사용자의 정확한 나이나 생년월일을 밝히지 않고도 사용자가 18세 이상임을 확인할 수 있습니다.

a16z의 2023년 암호화폐 현황 보고서에서 강조된 바와 같이, 개발자들의 ZK 증명 기술 도입은 더욱 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 추세는 ZK 증명 검증과 관련된 학술 논문 발표 증가와 Ethereum 네트워크에서 ZK 증명을 검증하는 일일 거래량 증가에 힘입은 것입니다. ZK 증명에 대한 이러한 관심 증가는 블록체인 생태계에서 개인정보 보호, 보안 및 확장성의 균형을 맞추는 데 있어 ZK 증명의 중요성이 점점 커지고 있음을 보여줍니다.

zkVM 이해하기

먼저 defi가 필요한 부분은 가상 머신(VM)이란 무엇인가입니다. 간단히 말해, VM은 다른 프로그램을 실행할 수 있는 소프트웨어 프로그램으로, 일반적으로 지정된 명령어 세트를 실행하는 반복 루프 형태로 작동합니다. 여기서 명령어는 "다른 프로그램"을 나타냅니다

Ethereum 가상 머신(EVM)은 Ethereum 스마트trac을 실행하는 역할을 담당하는 가상 머신입니다. 지원되는 명령어와 그 동작 방식에 대한 최초의 개요는 2014년 개빈 우드가 작성한 중요한 노란색 백서(Yellow Paper)에 담겨 있습니다. 이 백서는 그 중요성뿐만 아니라 특유의 노란색 표지로도 유명합니다. 이 백서는 지원되는 명령어의 최신 목록을 반영하기 위해 지속적으로 업데이트되고 있습니다.

반면, 영지식 가상 머신(zkVM)은 영지식 증명(zkp) 시스템 내에서 회로로 구현된 가상 머신입니다. 이는 주로 프로그램 실행 증명에 초점을 맞추는 기존의 zkp 시스템과 구별되는 특징입니다. zkVM에서는 가상 머신 자체의 실행 검증에 중점을 둡니다. 따라서 일부에서는 비 VM zkp를 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 방식의 일부로, zkVM을 CPU(Central Processing Unit) 방식의 구성 요소로 분류하기도 합니다.

zkp 시스템 내에서 프로그램이나 회로는 특정 프로그램에서 컴파일된 바이너리처럼 불변의 실체입니다. 따라서 zkVM 회로는 루프의 반복 횟수가 미리 정해져 있으며, 이는 루프를 펼치는 것과 유사합니다. 본질적으로 zkVM은 가상 머신을 실행하도록 설계된 회로입니다. 실제 프로그램의 명령어는 이 회로에 공개 입력으로 제공될 수 있으므로 검증 대상 프로그램에 대한 완전한 투명성을 보장합니다. (필요에 따라 프로그램의 명령어를 가상 머신에 전달하는 다양한 방법이 존재합니다.)

여러 zkVM 프로젝트가 등장했으며, 그중 적어도 세 가지가 주목할 만합니다

1. 카이로: 스타크넷에서 사용된 이 프로젝트는 정교한 문서화로 예술 작품으로 평가받는다는 점에서 주목할 만합니다. "투르시"라고 알려진 실험적인 구현 방식 또한 김치 프레임워크에 포함되어 있습니다.
2. Miden: Polygon 생태계 내에서 진행 중인 프로젝트인 Miden은 현재 개발 단계에 있습니다.
3. Risczero: 현재 개발 중인 또 다른 프로젝트인 Risczero는 블록체인 영역을 넘어 널리 인정받는 표준인 RISC-V 명령어 세트를 지원하는 것을 목표로 합니다.

각 프로젝트는 서로 다른 명령어 세트를 지원하므로 상호 운용이 불가능합니다.

zkVM의 종류

zk VM 분야는 크게 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다

1. zk 최적화 가상 머신: 대표적인 예로는 Cairo와 Miden이 있습니다. 이러한 가상 머신은 효율성을 최우선으로 고려하여 세심하게 설계되어 속도가 훨씬 빠릅니다. 주요 목표는 영지식 증명(zkp) 시스템과의 원활한 통합을 지원하고 검증 프로세스를 간소화하는 것입니다.
2. 실제 환경용 가상 머신(Real-world VM): 이 범주에는 RISC-V 명령어 세트를 지원하는 RiscZero와 Ethereum 가상 머신(EVM)에 맞춰 개발된 다양한 zkEVM과 같은 가상 머신이 포함됩니다. 실제 환경용 가상 머신은 영지식 증명 영역을 넘어 기존 명령어 세트 및 생태계와의 호환성을 제공하도록 설계되었습니다.

EVM을 지지하는 데에는 여러 가지 강력한 이유가 있습니다. 첫째, Ethereum 자체에 있어서 EVM은 초기 상태부터 최신 Ethereum 상태에 이르기까지 전체 상태 전환을 포괄하는 증명을 생성할 수 있게 해줍니다. 이러한 기능은 Mina와 같은 프로젝트에서 잘 나타납니다.

둘째로,Ethereum 기반이 아닌 프로젝트의 경우, EVM 호환성을 채택하면 유니스왑과 같은 Ethereum 생태계의 프로젝트 및 애플리케이션을 원활하게 통합할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 상호 운용성을 촉진할 뿐만 아니라 Ethereum 커뮤니티의 개발자들을 새로운 프로젝트로trac수 있는 기회를 제공합니다.

zkVM의 메커니즘

ZkVM은 TxVM에 대한 이전 연구를 기반으로 하며 Bitcoin 과 Ethereum 설계에서 영감을 받아 새로운 트랜잭션 형식을 도입했습니다. ZkVM에서 트랜잭션은 자산 흐름을 직접 조작하는 프로그램으로 표현되며, 트랜잭션 로그를 통해 블록체인 상태를 업데이트합니다. 트랜잭션 로그 적용과 유효성 검사를 분리함으로써 확장성이 뛰어난 설계를 구현하는 동시에 사용자 정의trac을 위한 견고한 환경을 제공합니다.

블록체인의 확장성을 향상시키고dent가치 전송을 가능하게 하기 위해 ZkVM은 UTXO(미사용 트랜잭션 출력) 모델을 사용하여 잔액을 표현합니다. 모든 잔액은 미사용 출력(UTXO) 집합으로 표현되며, 이러한 UTXO는 트랜잭션 내에서 생성, 삭제 및 조작될 수 있습니다. 이러한 UTXO는 Utreexo 체계를 사용하여 머클 루트로 효율적으로 저장되므로 저장 공간 요구 사항이 크게 줄어들고 완전 검증 노드의 광범위한 배포가 용이해집니다.

ZkVM에서 각 출력은 블록체인 상태에 저장된trac이며, 이 계약에는 여러 항목이 포함되어 있습니다. 각 항목은 조건(해당 항목을 잠금 해제하기 위해 충족되어야 하는 조건)으로 보호됩니다. ZkVM은 Taproot 기반 설계를 활용하여 암호화 서명을 통해 또는 사용자 지정 조건을 검증하는 내장 서브 프로그램을 실행하여trac을 잠금 해제할 수 있도록 합니다.

ZkVM의trac은 계정, 주문장, 결제 채널과 같은 상위 프로토콜을 위한 다용도 구성 요소 역할을 합니다. 이러한 유연성 덕분에 스텔라와 같은 플랫폼은 합의에 중요한 계층에서 벗어나 프로토콜 설계 선택을 자유롭게 할 수 있으며, 이를 통해 다양한 탈중앙화 애플리케이션 실험을 촉진할 수 있습니다.

dent측면에서 ZkVM은 술어에 Taproot 방식을 사용하여 균형을 유지합니다. 모든 당사자가 협력하는 경우trac내용을 공개할 필요가 없지만, 협력하지 않더라도 보안은 그대로 유지됩니다.trac내용을 공개해야 하는 경우에도 잔액이나trac매개변수와 같은 데이터는 영지식 검증 제약 조건 시스템 덕분에dent로 유지됩니다.

ZkVM은 Bulletproofs 영지식 증명 시스템을 활용하여 기본적으로 페더슨 커밋먼트(Pedersen committion) 방식으로 값과 데이터를 암호화합니다. 사용자는 비밀 값에 대한 산술 및 논리 표현식을 지정할 수 있으며, 이러한 표현식은matic으로 Bulletproofs 제약 조건 시스템으로 변환됩니다. 트랜잭션은 간결하고 효율적이며, 소규모 트랜잭션은 1~1.5KB 크기이고, 집계된 결제의 경우 입출력 쌍당 약 200바이트의 추가 비용만 발생합니다. 검증은 고도로 병렬화되어 출력당 약 1밀리초밖에 걸리지 않습니다. 이러한 효율성 덕분에 ZkVM은 데이터 암호화를 손상시키지 않고 보안을 우선시하여 필요에 따라 권한이 있는 당사자에게만 데이터를 공개합니다. 또한 Bulletproofs 프레임워크는 신뢰 설정(trusted setup)이 필요 없으므로 각 기능에 대해 네트워크 전체를 업그레이드할 필요 없이 ZkVM 위에 새로운 프로토콜을 생성할 수 있습니다.

zkEVM에서 zkVM으로의 전환 필요성

zkEVM의 한계

zkEVM은 상당한 개선을 가져왔지만, 확장성 잠재력을 저해하는 몇 가지 한계점이 여전히 존재했습니다

1. 제한된 호환성: zkEVM은 주로 Ethereum 네트워크를 위해 설계되었습니다. 따라서 다른 블록체인 플랫폼에서 이 기술을 쉽게 채택할 수 없어 블록체인 생태계 전반에 미치는 영향이 제한적이었습니다.
2. 복잡성: zkEVM을 구현하려면 영지식 증명과 암호학에 대한 깊은 이해가 필요했습니다. 이러한 복잡성 때문에 개발자들이 zkEVM을 프로젝트에 통합하는 데 어려움을 겪었고, 이는 zkEVM의 도입을 더욱 제한하는 요인이 되었습니다.
3. 저장 및 데이터 관련 문제점: zkEVM은 블록체인 상의 데이터 저장 문제를 효과적으로 해결하지 못했습니다. 대규모 데이터 저장 요구 사항은 확장성의 병목 현상으로 남아 있었습니다.

zkVM으로의 전환: 확장성 혁신

zkEVM의 한계를 인식한 블록체인 커뮤니티는 보다 다재다능하고 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위한 여정에 착수했고, 그 결과 zkVM, 즉 영지식 가상 머신이 탄생했습니다.

zkVM은 zkEVM의 기본 원칙을 기반으로 하면서도 단점을 해결합니다. zkVM이 블록체인 확장성에 어떤 혁명을 일으킬지 살펴보겠습니다

1. 크로스 플랫폼 호환성: zkEVM과 달리 zkVM은 블록체인에 구애받지 않도록 설계되었습니다. 즉, Ethereum에만 국한되지 않고 다양한 블록체인 네트워크에 통합될 수 있습니다. 이러한 폭넓은 호환성은 zkVM이 전체 블록체인 생태계에 더욱 큰 영향을 미칠 수 있는 가능성을 열어줍니다.
2. 향상된 사용자 경험: zkVM은 개발자의 구현 과정을 간소화하는 것을 목표로 합니다. 사용자 친화적인 도구와 인터페이스를 제공함으로써, zkVM은 개발자가 영지식 증명의 강력한 기능을 더욱 쉽게 활용할 수 있도록 지원하여 진입 장벽을 낮춥니다.
3. 향상된 데이터 관리: zkVM은 데이터 저장 문제를 더욱 효율적으로 해결합니다. 혁신적인 데이터 압축 및 저장 기술을 도입하여 블록체인 상의 저장 공간 요구 사항을 줄입니다. 이러한 최적화는 블록체인 데이터 크기를 감소시켜 확장성에 직접적인 긍정적 영향을 미칩니다.
4. 더욱 빠른 거래 처리: zkVM의 오프체인 컴퓨팅 기능을 통해 블록체인 네트워크의 연산 부하가 더욱 줄어듭니다. 이는 거래 처리 시간 단축, 수수료 절감, 그리고 전반적인 성능 향상으로 이어집니다.

우리는 무엇을 최적화하려고 하는가?

록히드 마틴은 F-35 개발이라는 야심찬 과제에 착수했으며, F-35를 공대공 및 공대지 전투기를 대체할 수 있는 다목적 전투기로 구상했습니다. 그러나 이 프로젝트는 상당한 차질을 빚었고, 당초 계획보다 10년이나 지연되었으며, 업계 전문가들 사이에서 역사상 가장 실패한 전투기 중 하나라는 오명을 얻었습니다.

이 경험에서 얻을 수 있는 핵심적인 교훈은 특정 목적을 염두에 두고 설계된 시스템은 여러 목표를 동시에 최적화하려는 솔루션보다 해당 특정 역할을 수행하는 데 훨씬 뛰어난 경우가 많다는 것입니다.

블록체인 영역을 예로 들자면, Ethereum 처음부터 완전히 공개적이고 투명한 플랫폼으로 구상되었습니다. 이러한 블록체인에 개인정보 보호 기능을 도입하려고 하면, 처음부터 개인정보 보호를 핵심 원칙으로 설계한 시스템만큼의 성능을 달성하기 어려울 것입니다. 이는 개발자들이 원래 이러한 맥락에서 작동하도록 설계되지 않은 프로그램을 수정해야 하므로 복잡하고 다루기 힘든 회로를 만들어내는 엔지니어링 문제를 야기합니다.

하지만 다른 접근 방식은 개인정보 보호를 위해 특별히 설계된 애플리케이션 계층을 개발하는 것입니다. 이 접근 방식을 통해 개인정보 보호 관련 기능을 최적화하는 동시에 영지식 증명이 제공하는 이점을 활용할 수 있으며, 이는 다음 섹션에서 자세히 다룰 주제입니다.

zkVM 및 zkEVM의 실제 응용 사례

zkEVM과 zkVM은 모두 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 산업과 블록체인 활용 사례를 재편할 잠재력을 지니고 있습니다

• DeFi 혁명: 탈중앙화 금융(DeFi) 플랫폼은 zkVM과 zkEVM을 활용하여 거래 속도를 향상시키고, 수수료를 줄이며, 민감한 금융 데이터를 보호할 수 있습니다.
• 공급망 혁신투명성과 traczkVM 및 zkEVM을 통해 공급망의
• 의료 데이터 보안: zkEVM과 zkVM은 의료 데이터의 개인정보 보호 및 보안을 보장하여 승인된 당사자 간의 안전한 정보 공유를 가능하게 합니다.
• 게임 및 NFT: 게임 산업과 대체 불가능 토큰(NFT) 마켓플레이스는 zkVM 및 zkEVM이 제공하는 더 빠른 거래 속도와 안전한 데이터 처리 기능을 통해 이점을 얻을 수 있습니다.

zkVM의 미래와 블록체인 확장성

zkVM이 블록체인 분야에서 trac받으면서, 블록체인 도입과 성장을 저해해 온 오랜 확장성 문제를 해결할 잠재력을 지니고 있습니다. 하지만 여느 신기술과 마찬가지로 극복해야 할 과제와 고려해야 할 사항들이 존재합니다

1. 도입 장벽: zkVM이 다양한 블록체인과 호환된다는 점은 상당한 장점이지만, 광범위한 도입은 블록체인 프로젝트들이 이 기술을 네트워크에 통합하려는 의지에 달려 있습니다.
2. 보안 문제: 영지식 증명은 복잡한 암호화 기술을 사용하며, 취약점이 발견될 경우 심각한 보안 위험을 초래할 수 있습니다. zkVM 구현에 대한 지속적인 감사 및 개선은 사용자 신뢰를 유지하는 데 매우 중요합니다.
3. 규제 환경: 블록체인 기술이 발전함에 따라 규제 당국의 지속적인 감시를 받게 될 것입니다. 규제 당국이 영지식 증명과 그 응용 분야를 어떻게 다룰지는 아직 미지수이며, 이는 zkVM의 향후 도입에 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

zkEVM에서 zkVM으로의 발전은 블록체인 확장성 문제를 해결하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. zkEVM이 기반을 마련했다면, zkVM은 더욱 다재다능하고 확장 가능한 솔루션을 제공하여 다양한 산업 분야에서 블록체인 기술 활용 방식을 혁신할 잠재력을 지니고 있습니다.

zkVM으로의 전환은 어려움이 없지는 않지만, 플랫폼 호환성, 사용자 편의성, 데이터 관리 및 트랜잭션 처리 속도 측면에서 제공하는 이점 덕분에 블록체인 분야에서 주목할 만한 발전입니다. zkVM이 지속적으로 발전하고 블록체인 생태계에서 자리를 잡아가면서, 산업을 혁신하고 전 세계 사람들의 삶을 개선할 잠재력을 지닌 더욱 확장 가능하고 효율적인 블록체인 애플리케이션을 볼 수 있을 것으로 기대됩니다.