지분증명(PoS): 검증자는 어떻게 블록체인을 보호하는가

지분증명(Proof of Stake, PoS)은 검증자(validator)가 ‘스테이크(stake)’라고 불리는 코인을 예치하여 블록체인에 블록을 추가하는 과정에 참여하는 합의 메커니즘입니다. 합의 메커니즘이란 중앙 기관 없이 여러 컴퓨터가 하나의 공유 기록에 합의할 수 있게 해주는 규칙을 말합니다. 검증자는 거래 블록을 제안하고 검증하는 참여자입니다. PoS 블록체인 네트워크의 가장 대표적인 예는 이더리움이며, 이 글에서는 이더리움을 중심으로 설명합니다.

검증자란 무엇이며, 무엇을 예치하는가?

검증자는 노드에서 소프트웨어를 실행함으로써 거래 블록을 제안하고 검증하는 참여자입니다. 노드란 블록체인 소프트웨어를 실행하고, 다른 컴퓨터와 연결되어 있으며, 블록을 검증할 수 있는 컴퓨터를 말합니다.

스테이크란 검증자가 블록을 추가하기 위한 조건으로 예치하는 코인의 양을 말합니다. ‘스테이크’라는 용어는 이렇게 예치된 금액을 가리키며, 검증자가 얼마를 예치해야 하는지는 블록체인의 규칙에 따라 정해집니다.

이더리움 공식 문서에 따르면 검증자를 활성화하기 위한 최소 스테이크는 32코인입니다. 이 설계에서는 검증자가 중단하려면 출금(종료) 절차에 참여해야 하며, 출금 요청은 대기열에서 순서를 기다리므로, 대기 시간은 동시에 종료를 신청한 다른 검증자의 수에 따라 달라집니다.

지분증명은 어떻게 작동하는가?

이더리움의 지분증명 설계에서는 각 슬롯(slot)마다 규칙에 따라 하나의 활성 검증자가 선택되어 블록을 제안하고, 다른 검증자들이 이를 증명(attest)합니다. 슬롯이란 하나의 블록이 제안될 수 있는 고정된 시간 단위를 말합니다. 증명(attestation)이란 검증자가 자신이 보는 체인, 즉 그 검증자의 관점에서 본 블록들의 연쇄를 지지하여 서명하고 전송하는 일종의 투표입니다.

검증자 선택은 의사난수(pseudo-random) 방식으로 이루어지는데, 이는 규칙에 포함된 알고리즘이 선택을 수행한다는 뜻입니다. 선택될 확률은 해당 검증자의 유효 잔액, 즉 규칙이 정한 상한선까지 인정되는 스테이크 금액에 가중치가 부여됩니다. 따라서 스테이크가 많을수록 그 상한선까지는 선택 확률이 높아지지만, 선택 과정 자체는 여전히 의사난수 방식이므로 스테이크가 많다고 해서 다음 블록을 누가 제안할지가 확정되는 것은 아닙니다. 또한 스테이크가 많다고 해서 보유자가 자동으로 검증자가 되는 것도 아니며, 최소 스테이크 이상을 예치하는 것이 검증자가 되기 위한 조건입니다.

선택된 검증자, 즉 ‘제안자(proposer)’는 거래 내역을 모아 블록을 구성하고, 디지털 서명으로 서명한 뒤 네트워크의 다른 컴퓨터들에게 전파합니다. 각 활성 검증자는 에포크(epoch, 슬롯들의 고정된 묶음)마다 한 번씩 증명을 수행합니다. 특정 슬롯에서 증명을 수행하는 검증자들은 하나의 위원회(committee)를 이루며, 이는 규칙에 따라 무작위로 선정된 집단입니다. 이후 네트워크의 노드들은 해당 블록과 그 안에 담긴 거래 내역을 검증할 수 있습니다.

공식적으로 문서화된 이더리움의 PoS 알고리즘 설계에서는 슬롯 길이가 12초, 에포크는 32개의 슬롯으로 구성됩니다. 따라서 하나의 에포크는 12초짜리 슬롯 32개, 즉 총 384초(6.4분)가 소요됩니다.

검증자가 규칙을 어기면 어떻게 되는가?

슬래싱(slashing)이란 검증자가 예치한 스테이크의 일부 또는 전부를 몰수하는 벌칙입니다. 이더리움에서는 슬래싱이 적용되면 해당 검증자가 네트워크에서 강제로 퇴출되기도 합니다. 규칙은 같은 슬롯에 대해 서로 다른 두 개의 블록에 서명하는 것과 같은 특정 위반 행위에 대해 슬래싱을 적용합니다.

특정 증명 의무를 이행하지 않은 검증자는 슬래싱보다는 가벼운 벌칙을 받을 수 있지만, 블록 제안을 하지 않은 것 자체에는 별도의 벌칙이 없습니다. 벌칙의 구체적인 금액과 조건은 각 블록체인의 규칙에 따라 다르게 정해집니다.

지분증명은 이더리움 검증자가 블록을 추가하려면 규칙에 따라 몰수될 수 있는 ETH를 반드시 예치해야 하도록 설계되어 있습니다.

검증자를 직접 운영하지 않고도 참여할 수 있는 방법은?

위임(delegation)은 코인 보유자가 직접 검증자를 운영하지 않고도 참여할 수 있는 한 가지 방법입니다. 위임이란 참여자가 서비스 업체나 풀(pool) 형태의 운영 주체에게 자신을 대신해 검증자를 운영하도록 맡기는 것을 의미합니다. 여기서 말하는 풀 형태의 운영 주체는 채굴 풀(mining pool)과는 다릅니다. 이는 여러 보유자가 각자 소액의 코인을 모아 최소 스테이크 요건을 충족하는 방식입니다.

서비스를 이용하는 경우, 제공업체가 검증자를 운영하고 보유자는 코인만 제공합니다. 풀 형태의 경우에는 제3자가 검증자를 운영합니다. 두 경우 모두 보유자는 검증자를 실제로 운영하는 쪽에 의존하게 됩니다.

서비스를 이용할 경우, 예치된 코인이 어디로 이동할 수 있는지를 통제하는 출금 키(withdrawal key)를 보유자가 직접 보관하는지, 아니면 제공업체가 보관하는지는 각 계약 조건에 따라 달라집니다.

지분증명과 작업증명은 어떻게 다른가?

작업증명(Proof of Work, PoW)과 지분증명은 모두 다음 블록을 누가 추가할지를 결정하는 합의 메커니즘입니다. 다만 작업증명은 그 권리를 연산 작업량에 연동시키는 반면, PoS 합의는 검증자가 예치한 코인에 연동시킨다는 점이 다릅니다.

구분	작업증명 (비트코인 네트워크)	지분증명 (공식 문서화된 설계)
참여자가 제공하는 것은?	연산 작업량	예치된 코인
참여자의 명칭은?	채굴자(Miner)	검증자(Validator)
다음 블록은 누가 생성하는가?	블록 헤더 해시값이 목표 임계값 이하인 채굴자	해당 슬롯에서 의사난수 방식으로 선택된 검증자
다른 참여자들은 새 블록으로 무엇을 하는가?	노드들이 해시값을 다시 계산하여 목표값과 비교한다	무작위로 선정된 위원회 소속 활성 검증자들이 증명을 수행한다