작업증명(PoW)과 지분증명(PoS)의 차이는 "블록을 만들 자격을 무엇으로 주느냐"예요. PoW는 컴퓨터 연산에 전기를 쓰게 해서 자격을 줘요. PoS는 코인을 담보로 맡긴 참여자 가운데 블록 제안자를 무작위로 뽑아요. 비트코인은 PoW를 쓰고, 이더리움은 2022년 9월 15일부터 PoS를 써요.
분산 네트워크에 합의 알고리즘이 필요한 이유는?
블록체인에는 장부를 관리하는 중앙 기관이 없어요. 대신 수많은 노드가 같은 장부를 각자 들고 있어요. 노드는 네트워크에 참여해 같은 장부를 나눠 가진 컴퓨터예요. 그래서 장부를 고치려면 네트워크가 정해진 알고리즘으로 합의해야 해요.
합의가 뜻하는 건 두 가지예요. 첫째, 모든 참여자가 현재 상태에 동의하는 거예요. 예를 들면 계정마다 잔액이 얼마인지 다 같이 인정하는 거죠. 둘째, 누구도 이중지불을 하지 못하게 막는 거예요. 이중지불은 같은 돈을 두 번 쓰는 부정행위예요.
예를 들어 A씨가 10코인을 가지고 있다고 해 볼게요. A씨가 B씨와 C씨에게 같은 10코인을 거의 동시에 보내요. 그러면 두 거래가 서로 다른 노드에 먼저 도착할 수 있어요. 노드마다 다른 거래를 맞다고 기록하면 장부가 둘로 갈라져요. 이때 어느 기록을 공식 장부로 삼을지 정하는 규칙이 합의 알고리즘이에요.
조금 더 넓게 보면 이렇게도 말할 수 있어요. 합의 메커니즘은 노드들이 블록체인 상태에 동의하게 만드는 모든 것이에요. 프로토콜, 보상 구조, 아이디어가 다 들어가요. PoW와 PoS는 그 안의 한 부품이에요. 두 방식이 하는 일은 두 가지예요. 다음 블록을 쓸 사람을 고르는 것, 그리고 시빌 공격을 막는 것. 시빌 공격은 가짜 참여자를 잔뜩 만들어 투표를 조작하는 공격이에요.
작업증명(PoW)은 어떻게 합의하나요?
작업증명은 비트코인이 쓰는 방식이에요. 중앙 기관 없는 P2P 네트워크에서 이중지불 문제를 풀기 위해 나온 해법이에요.
PoW에서는 채굴자가 연산 퍼즐을 먼저 풀려고 경쟁해요. 퍼즐을 풀려면 컴퓨터가 계산을 계속 반복해야 하고, 그만큼 전기를 써요. 이 구조를 "1 CPU 1표"라고 표현해요. 사람 수가 아니라 연산력만큼 투표권을 갖는다는 뜻이에요.
장부가 갈라지면 어느 쪽을 따를까요? 다수의 결정은 가장 긴 체인으로 나타나요. 체인은 거래 묶음(블록)을 시간 순서대로 이어 붙인 장부예요. 가장 긴 체인에 가장 많은 작업량이 쌓여 있어요. 그래서 노드들은 이 체인을 공식 장부로 받아들여요.
안전 조건도 분명해요. 정직한 노드들의 CPU 파워 합이 공격자 집단보다 크면 시스템은 안전해요. 수치로 바꾸면 이렇게 돼요. 공격자가 체인을 속이려면 네트워크 전체 연산력의 51%가 필요해요.
퍼즐 난이도는 고정값이 아니에요. 시간당 평균 블록 수를 목표로 잡고, 이동평균에 맞춰 난이도를 조정해요. 시간당 블록 수를 일정하게 맞추려는 구조예요.
PoW의 약점은 비용이에요. 돈이 많이 들고, 친환경적이지 않고, 연산을 낭비하는 방식이라는 평가를 받아요.
지분증명(PoS)은 어떻게 합의하나요?
지분증명은 연산력 대신 맡겨 둔 코인(지분)을 기준으로 블록 제안자를 정해요. 대표 사례가 이더리움이에요. 아래 내용은 이더리움 기준이에요.
이더리움에서 블록을 만드는 참여자를 검증자라고 불러요. 검증자가 되려면 조건이 두 가지예요.
- 예치 계약에 32 ETH를 맡겨요.
- 실행 클라이언트, 합의 클라이언트, 검증자 클라이언트 3가지 소프트웨어를 실행해요.
검증자가 된 뒤의 흐름은 이래요. 시간은 12초 단위의 슬롯으로 나뉘어요. 슬롯마다 검증자 1명이 무작위로 뽑혀 블록을 제안해요. 그러면 위원회가 그 블록에 투표해요. 이 투표를 증명(attestation)이라고 불러요.
슬롯 32개가 모이면 1에폭이 돼요. 계산해 보면 1에폭은 12초 × 32 = 384초, 곧 6분 24초예요. 스테이킹된 ETH의 3분의 2 이상이 찬성한 체크포인트는 확정(finality)돼요. 확정된 블록은 공식 장부에 굳어진 기록으로 봐요.
PoW와 나란히 놓으면 차이가 분명해요. PoW는 퍼즐을 먼저 푼 채굴자가 블록을 만들어요. PoS는 프로토콜이 제안자를 무작위로 정하고, 위원회가 투표해요. 연산 경쟁이 없으니 퍼즐 풀이에 쓰는 전기도 없어요.
무작위 소규모 위원회 방식(PBFT·Algorand)은 무엇이 다른가요?
PoW·PoS 다음으로 세 번째 방식도 있어요. "차세대 PBFT(실용적 비잔틴 장애 허용)"라고 부르는 방식이에요. 사례로는 DFINITY와 Algorand가 꼽혀요.
동작은 세 가지예요.
- 블록마다 작은 일회성 사용자 그룹을 무작위로 뽑아요.
- 블록이 확정될 때까지 그룹 구성원이 누구인지 숨겨요.
- 네트워크가 커져도 그룹 크기를 일정하게 유지해요.
그룹 크기를 고정하면 참여자가 늘어도 한 블록에 투표하는 인원은 늘지 않아요.
그런데 이 방식을 어디에 넣을지는 자료마다 달라요. Algorand는 자기 합의 방식을 순수 지분증명(Pure Proof-of-Stake, PPoS)이라고 불러요. 위원회는 VRF라는 암호학적 추첨으로 뽑아요. VRF는 난수를 만들고, 그 선택이 무작위였다는 증명도 함께 내놓아요. 그러니까 2017년 자료는 PBFT 계열로, Algorand 공식 문서는 PoS의 한 형태로 보는 셈이에요.
이 글에서는 두 분류를 함께 담아 "위원회 추첨 방식"이라고 부를게요.
51% 공격과 슬래싱: 두 방식은 공격을 어떻게 막나요?
두 방식 모두 공격을 경제적으로 비싸게 만들어요. 차이는 공격자가 무엇을 잃느냐예요. PoW는 에너지를 쓰게 하고, PoS는 담보를 묶어 두게 해요.
PoW에서 공격자는 네트워크 연산력의 51%를 갖춰야 해요. 그만큼의 장비와 전기를 마련해야 한다는 뜻이에요.
PoS에서는 맡긴 ETH 자체가 벌금이 돼요. 검증자가 같은 슬롯에 블록을 여러 개 제안하면 슬래싱을 받아요. 서로 모순되는 증명을 해도 마찬가지예요. 슬래싱은 예치금 일부를 깎는 처벌이에요.
벌금 크기는 같은 시기에 슬래싱된 검증자 수에 따라 달라져요. 혼자 슬래싱되면 0.1% 미만을 잃어요. 32 ETH를 맡긴 검증자라면 0.032 ETH 미만이에요. 많은 검증자가 동시에 슬래싱되면 최대 100%까지 잃을 수 있어요.
확정된 블록을 되돌리는 비용도 정해져 있어요. 공격자는 스테이킹된 ETH의 최소 3분의 1을 잃어야 해요.
PoW·PoS·위원회 추첨 방식 장단점 비교
세 방식을 나란히 놓으면 이렇게 돼요.
| 기준 | 작업증명(PoW) | 지분증명(PoS) | 위원회 추첨 방식 |
|---|---|---|---|
| 블록 만들 자격 | 연산 퍼즐을 먼저 푼 채굴자 | 슬롯마다 무작위로 뽑힌 검증자 | 블록마다 무작위로 뽑힌 소규모 그룹 |
| 장부를 정하는 기준 | 작업량이 가장 많이 쌓인 가장 긴 체인 | 스테이킹 ETH 3분의 2 이상 찬성 시 확정 | 뽑힌 그룹이 블록을 확정 |
| 공격을 막는 비용 | 연산력 51% 확보(장비·전기) | 담보 몰수(슬래싱), 확정 번복 시 3분의 1 손실 | 지분 기반 추첨(Algorand 문서 기준) |
| 대표 사례 | 비트코인 | 이더리움(2022년 9월 15일부터) | Algorand |
| 자료가 꼽은 특징 | 비싸고 친환경적이지 않으며 연산 낭비 | 에너지 적음, 실전 검증 기간 짧음 | 신원 비공개, 그룹 크기 일정 |
PoS의 장점은 네 가지예요.
- 에너지를 적게 써요.
- 일반 노트북으로도 스테이킹에 참여할 수 있어서 참여가 분산돼요.
- 암호경제적 보안이 더 높아요.
- ETH를 적게 새로 발행해요.
단점도 세 가지예요.
- PoW보다 실전에서 검증된 기간이 짧아요.
- 만들기가 더 복잡해요.
- 검증자가 소프트웨어 3종을 직접 운영해야 해요.
그래서 어느 쪽이 낫냐고요? 에너지 사용과 참여 문턱을 중시하면 PoS가 앞서요. 다만 PoS는 PoW보다 실전 검증 기간이 짧아요. 위원회 추첨 방식은 네트워크가 커져도 투표 인원을 고정하는 데 초점을 둬요.
이더리움은 언제 합의 방식을 바꿨나요?
이더리움도 처음에는 PoW를 썼어요. 전환은 두 단계로 진행됐어요.
- 2020년 12월 1일: 비콘 체인이 출시됐어요.
- 2022년 9월 15일: 더 머지(The Merge)로 기존 이더리움이 비콘 체인과 합쳐지며 PoS 전환을 마쳤어요.
오래된 자료를 읽을 때는 이 날짜를 기억해 두세요. 예를 들어 2017년에 나온 한 대학 자료에는 "PoS: 이더리움"이라고 적혀 있어요. 하지만 2017년 당시 이더리움은 PoW를 쓰고 있었고, PoS는 계획 단계였어요. 2022년 9월 이전 글에서 이더리움 채굴을 다룬다면 PoW 시절 이야기예요.
전환 효과는 전력 수치로 확인할 수 있어요. 추정치로 보면 더 머지 이후 이더리움의 연간 전력 소비는 99.988% 넘게 줄었어요. 탄소 발자국은 약 99.992% 줄었어요. 같은 네트워크가 방식만 바꾼 결과예요. 그래서 PoW가 얼마나 많은 전기를 쓰는지 간접적으로 보여 줘요.
마무리
PoW는 연산력으로, PoS는 맡긴 지분으로 블록을 만들 자격과 공격 비용을 정해요. 위원회 추첨 방식은 무작위로 뽑은 소규모 그룹이 블록을 확정해요. 자료에 따라 PBFT 계열로도, PoS의 한 형태로도 분류돼요. 비트코인 글을 읽는다면 PoW의 "가장 긴 체인"과 "51%"를 기준으로 보면 돼요. 2022년 9월 이후의 이더리움 글이라면 PoS의 "32 ETH·슬롯·슬래싱"을 기준으로 보면 돼요.
