비트코인(BTC)의 거래 내역은 작업증명(PoW)을 통해 안전하게 시퀀싱되지만, 많은 전력을 소모하고 한 번에 처리할 수 있는 거래의 수가 제한됩니다. 그 결과, PoS(Proof-of-Stake) 모델이 가장 눈에 띄는 모델 중 하나로 에너지 집약적 방법에 중점을 둔 새로운 합의 메커니즘이 등장했습니다. 이러한 합의 메커니즘을 통해 컴퓨터 네트워크는 보안을 유지하면서 협업할 수 있습니다.
블록체인 네트워크가 효과적으로 작동하려면 몇 가지 문제를 해결해야 합니다. 예를 들어 은행이나 핀테크(예:PayPal)와 같은 중앙 기관이 중간에 없으면 분산형 암호화폐 네트워크는 네트워크의 당사자가 동일한 돈을 여러 번 사용하지 않도록 해야 합니다. 또한 합의 메커니즘은 네트워크가 하드 포크를 통해 탈선하는 것을 방지합니다.
그러나 은행과 같은 중앙 집중식 조직에서는 의사 결정자 또는 규제 기관이 이러한 활동을 통제합니다. 암호화폐는 커뮤니티를 기반으로 하므로 블록체인은 트랜잭션 및 블록을 확인하기 위해 합의에 도달해야 합니다.
작업 증명 및 지분 증명은 현재 탈중앙화 금융(DeFi) 프로젝트에서 암호화폐 네트워크에 대한 합의를 암호화 방식으로 얻기 위해 사용하는 두 가지 주요 합의 메커니즘입니다. 사토시 나카모토가 비트코인(최초의 암호화폐)을 만들 때 제3자의 개입 없이 거래를 확인할 수 있는 수단을 찾아야 했습니다. 이를 달성하기 위해 네트워크가 유효한 트랜잭션에 대해 동의할 수 있도록 작업 증명이라는 합의 메커니즘을 사용했습니다.
반대로 지분 증명(PoS)은 최신 DeFi 프로젝트와 암호화폐를 지원하는 현대적인 합의 방식입니다. 일부 프로젝트는 즉시 PoS로 시작하거나 PoW에서 PoS로 전환하고 있습니다. 그러나 PoS 합의 네트워크를 즉시 구축하는 것은 중요한 기술 문제이며 PoW를 사용하여 네트워크 합의를 얻는 것만큼 간단하지 않습니다.
작업 증명은 1993년에 네트워크에서 스팸 이메일과 서비스 거부 공격에 맞서 싸우기 위해 처음 제안되었습니다. PoW 개념은 2008년 Satoshi Nakamoto가 비트코인 네트워크의 새로운 블록을 검증하기 위해 대중화했습니다.
PoW는 네트워크 사용자가 계산 작업이 완료되었음을 증명할 수 있는 능력을 기반으로 합니다. 수학 방정식에 답하기 위해 노드라고 하는 일부 컴퓨팅 성능이 사용되며 방정식이 해결되면 체인의 새 블록이 검증됩니다. 노드는 다른 도구의 네트워크 내에서 데이터를 수신, 전송 또는 전달할 수 있는 개인용 컴퓨터와 같은 물리적 장치입니다.
수학 퍼즐을 가장 빨리 푸는 솔버는 현재 블록과 이전 블록 사이에 암호 링크를 생성하고 새로 발행된 암호 코인을 얻습니다. 이 프로세스를 마이닝이라고 하며 솔버를 마이너라고 합니다. 블록체인이 관련된 모든 당사자를 위해 안전하게 유지되는 것은 그들의 결합된 노력을 통해서입니다. 또한 이 퍼즐 자체를 해결하는 계산 작업을 작업 증명이라고 합니다.
블록체인은 블록체인 오더(blockchain order)라는 거래 순서를 기반으로 시간 순서대로 배열된 일련의 블록으로 구성된 시스템입니다. 제네시스 블록 또는 블록 제로는 PoW 블록체인의 첫 번째 블록으로 소프트웨어에 하드코딩됩니다. 이 블록은 정의상 이전 블록을 참조하지 않습니다. 블록체인에 업로드된 후속 블록은 항상 이전 블록을 다시 참조하며 완전하고 업데이트된 원장 사본을 포함합니다.
일부 참가자 또는 광부가 네트워크 규정에 맞는 합법적인 블록을 제출하기 위해 계산 리소스를 소비하도록 권장되는 경쟁 경쟁을 통해 PoW 알고리즘은 새 항목으로 원장을 수정할 사람을 선택합니다. 원장은 모든 거래를 추적하고 사용자가 자금을 두 번 사용할 수 없도록 연속 블록으로 구성합니다. 변조를 방지하기 위해 원장을 배포하여 다른 사용자가 변경된 버전을 신속하게 거부할 수 있도록 합니다.
실제로 사용자는 작업 증명 역할을 하는 긴 숫자 문자열인 해시를 사용하여 변조를 식별합니다. 해시 함수는 단방향 함수로 해시를 생성한 데이터가 원본 데이터와 일치하는지 확인하는 데에만 사용할 수 있습니다.
그 후 노드는 트랜잭션을 확인하고 이중 지출을 방지하며 제안된 블록을 체인에 추가할지 여부를 결정합니다. 수취인을 속이기 위해 같은 통화로 두 번 지불하는 행위를 이중지불이라고 합니다. 이중 지출은 네트워크에 큰 피해를 입히고 가장 가치 있는 기능인 불변성, 탈중앙화 및 무신뢰성을 제거합니다.
작업 증명은 블록체인의 일부를 변경하면 모든 후속 블록을 다시 채굴해야 하기 때문에 이중 지출을 엄청나게 어렵게 만듭니다. 해시 함수를 실행하는 데 필요한 기계와 전력이 고가이기 때문에 사용자가 네트워크의 처리 용량을 독점할 수 없습니다.
또한 PoW 프로토콜은 블록체인에 기록된 거래의 합법성을 확보하고 합의를 생성하기 위해 계산 능력과 암호화를 결합합니다.
마이너는 새로운 블록을 생성하기 위해 해싱 프로세스 동안 수학적 문제에 대한 정답을 개발하기 위해 경쟁합니다. 광부는 의사 난수 문자열인 해시를 추측하여 이를 달성합니다. 암호화 해시(예:SHA-256)는 텍스트 또는 데이터 파일의 서명 유형입니다. 텍스트의 경우 SHA-256은 거의 고유한 256비트(32바이트) 서명을 제공합니다.
블록의 데이터와 결합되고 해시 함수를 통해 처리될 때 해시는 프로토콜의 명시된 요구 사항을 충족하는 결과를 생성해야 합니다.
해시를 획득한 광부는 이를 네트워크에 브로드캐스트하여 다른 광부가 응답이 정확한지 확인할 수 있도록 합니다. 답이 정확하면 블록이 블록체인에 추가되고 채굴자는 블록 보상을 받습니다. 예를 들어, 비트코인 채굴에 대한 현재 블록 보상은 6.25 비트코인입니다.
PoW에서 채굴자들은 복잡한 수학 퍼즐을 풀고 네트워크에서 블록을 처리하기 위해 많은 전기 비용을 지불해야 합니다. 전기는 마이닝이라고 하는 거래를 확인하는 과정을 통해 디지털 자산을 생성하는 기계에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 또한 에너지 소비는 네트워크 보안에 매우 중요합니다. 네트워크를 통해 정확한 거래 기록을 유지하고 지정된 신뢰할 수 있는 통화 정책을 준수할 수 있기 때문입니다.
더욱이, 체인을 사기 위해서는 악의적인 행위자가 네트워크 컴퓨팅 성능의 51% 이상을 차지해야 하기 때문에 네트워크가 안전하게 유지됩니다. 블록체인이 작업 증명 시스템에서 분기되는 경우 채굴자는 새로운 분기된 블록체인 네트워크로 이동할 것인지 아니면 원래 블록체인을 계속 지원할 것인지 선택해야 합니다.
채굴자는 두 블록체인을 모두 지원하기 위해 포크의 두 측면 간에 계산 리소스를 분할해야 합니다. 결과적으로, 경제적 인센티브를 통해 작업 증명 시스템은 자연스럽게 지속적인 포크를 방지하고 채굴자가 네트워크에 해를 끼치기를 원하지 않는 쪽을 선택하도록 촉구합니다. 반면에 51% 공격에 취약하거나 상호 교환 가능한 해싱 알고리즘에 대한 가장 중요한 코인 보유자가 아닌 경우 더 큰 코인에 있는 개인이 하드웨어를 귀하에게 반대하여 귀하를 데려갈 수 있습니다. 더 이상 인센티브를 받을 수 없습니다.
이러한 특성은 광부가 투자 수익을 최적화하기 위해 전략적으로 행동해야 한다는 게임 이론에 적합합니다. 제한된 합리성 상태와 마찬가지로 사람들은 항상 가장 간단한 솔루션을 선택합니다. 새로운 체인으로 이동하면 상황이 더 어려워집니다. 따라서 게임 이론은 과점이 내부 부패를 피하고 논리적인 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.
위의 장점에도 불구하고 PoW는 리소스 사용 측면에서 비용이 많이 들고 비효율적일 수 있습니다. 광부들은 빨리 닳는 최신 장비를 포함하여 다양한 비용에 대처해야 합니다. 광업은 많은 열을 발생시키는 경향이 있으며 광부의 위치에 따라 엄청난 전력을 소모할 수 있습니다. 게다가 네트워크에 과부하가 걸리면 시스템의 거래 수수료가 치솟습니다.
2011년에 Bitcointalk 포럼에서 PoW 합의 메커니즘의 비효율성을 해결하고 블록체인 네트워크를 실행하는 데 필요한 계산 리소스의 양을 줄이기 위한 새로운 접근 방식이 제안되었습니다. 유형의 작업을 수행하는 대신 이 개념은 생태계에서 검증 가능한 이해 관계의 존재를 기반으로 합니다.
다른 말로 하자면, 암호화 네트워크에서 거래를 검증하려면 사용자는 블록체인에 고유한 특정 수량의 암호화폐 토큰을 소유하고 있음을 보여주기만 하면 됩니다. 블록체인 네트워크에서 분산 합의를 달성하기 위해 사용하는 이러한 유형의 합의 메커니즘을 지분 증명 합의 메커니즘이라고 합니다.
예를 들어, 광부 A는 30개의 코인을, 광부 B는 50개의 동전을, 광부 C는 75개의 동전을, 광부 D는 15개의 동전을 베팅합니다. 이 경우 채굴자 C는 다음 블록을 작성하고 검증하는 데 우선 순위가 부여됩니다. 작업 증명의 블록 보상과 달리 Miner C는 거래 수수료, 즉 네트워크 수수료를 징수합니다.
제네시스 블록은 PoS 블록체인의 초기 블록이며 프로그램에도 하드코딩됩니다. 블록체인에 업로드된 후속 블록은 항상 이전 블록을 다시 참조하며 완전하고 업데이트된 원장 사본을 포함합니다.
PoS 네트워크에서 채굴자들은 블록을 추가할 권리를 놓고 경쟁하지 않습니다. 블록은 채굴이 아니라 종종 "발행" 또는 "위조"라고 합니다.
PoS 블록체인은 PoW 블록체인과 달리 에너지 사용량에 따라 블록을 제안할 수 있는 사람을 제한하지 않습니다. PoW 블록체인의 높은 에너지 요구 사항에도 불구하고 지분 증명과 같은 새로운 합의 메커니즘은 채굴의 필요성을 제거합니다.
지분 증명 시스템은 채굴 블록이 많은 에너지를 사용하지 않기 때문에 더 큰 에너지 효율성을 포함하여 작업 증명 방식보다 몇 가지 장점이 있습니다. 또한 새 블록을 만드는 데 최신 기술이 필요하지 않습니다. 지분 증명은 네트워크에서 더 많은 노드를 갖게 됩니다.
네트워크의 더 많은 노드는 중앙 집중화에 대한 더 강력한 내성을 제공하는 거버넌스 규범을 개발하는 데 도움이 됩니다. PoS 시스템에서 이것은 더 높은 수준의 하드웨어 독립성을 통해 가능합니다. 결과적으로 지분 증명은 네트워크 중앙 집중화로 이어질 가능성이 가장 낮은 합의 알고리즘으로 자주 간주됩니다.
PoS 블록체인에 블록을 추가하는 과정에 포함되는 것으로 간주되기를 원하는 사용자는 고유한 계약에서 네트워크 암호화폐의 특정 금액을 스테이킹하거나 잠가야 합니다. 다음 블록 생산자로 선택될 확률은 그들이 스테이킹한 암호화 자산의 양에 따라 결정됩니다. 사용자가 악의적인 행동을 할 경우 해당 행동으로 인해 지분을 잃을 수 있습니다.
PoS에는 노드가 돈을 스테이킹한 기간과 순수한 무작위화를 포함하여 가장 부유한 노드에 항상 이익이 되는 것은 아닌 다른 결정 요소가 포함될 수 있습니다. PoS에서 블록 보상은 PoW 메커니즘과 유사하게 유효한 블록을 제출한 사람에게 블록체인이 부여하는 네트워크 수수료를 말합니다.
PoS에서 블록 선택은 코인 소유권을 기반으로 합니다. 따라서 스테이킹 서비스는 사용자가 보다 일관된 보상을 받는 대가로 암호화폐를 스테이킹할 수 있도록 하는 거래소에서 제공됩니다. 여러 이해 관계자가 스테이킹 풀에 가입하여 컴퓨팅 리소스를 풀링하고 보상 기회를 극대화할 수 있습니다. 다시 말해서, 그들은 블록 보상을 받을 확률을 최대화하기 위해 새로운 블록을 검증하고 검증하는 동안 자신의 스테이킹 파워를 풀링합니다.
많은 양의 에너지 자원 낭비 문제는 PoS에서 해결되었습니다. 또한 PoS 기반 시스템은 PoW 기반 시스템보다 훨씬 확장성이 뛰어나고 트랜잭션 승인이 훨씬 더 빠릅니다. 확장성이란 시스템의 매개변수를 변경하거나 합의 메커니즘을 변경하여 시스템이 특정 현재 시스템보다 더 높은 TPS(초당 트랜잭션)를 달성한다는 것을 의미합니다.
PoS 네트워크는 블록이 구성되기 전에 합의를 설정하여 확장성을 달성하므로 밀리초 미만의 대기 시간 스파이크로 초당 수천 개의 요청을 처리할 수 있습니다.
반면에 지분 증명에는 고유한 어려움이 있습니다. 예를 들어, 네트워크는 여전히 가장 중요한 토큰 보유자의 지배를 받고 있습니다. 이는 얼리 어답터와 가장 많은 돈을 가진 사람들에게 더 많은 권한을 제공합니다.
이 개념은 아직 비교적 새롭기 때문에 암호 커뮤니티에 아직 명확하지 않은 단점이 있을 수 있습니다. 이 패러다임은 작업 증명과 달리 성능에 대한 기록이 없습니다. 또한, 포크는 증명 시스템에 의해 자동으로 억제되지 않습니다. 검증인은 블록체인이 분할될 때 새로 분기된 블록체인에서 지분의 사본을 받게 됩니다.
검증인이 포크의 양쪽에서 서명하여 잠재적으로 코인을 두 배로 사용하고 두 배의 거래 수수료를 수익으로 징수할 때 "위험한 것이 없음" 딜레마가 발생합니다.
앞의 설명에서 두 합의 메커니즘 모두 장단점이 있음이 분명합니다. 그들은 모두 위에 나열된 것과 같은 본질적인 목표를 가지고 있지만 그것을 달성하기 위해 다른 방법을 사용합니다.
다양한 합의 메커니즘 간의 중요한 차이점은 트랜잭션 검증을 위임하고 보상하는 방법입니다. 다른 차이점은 아래 표에 설명되어 있습니다.
컨센서스 메커니즘은 블록체인 네트워크의 분산 설계에 매우 중요합니다. 이는 트랜잭션 검증을 담당하는 엔티티의 중앙 집중화를 줄이기 때문입니다. 블록체인 네트워크의 불변, 무신뢰 및 분산 특성을 유지하려면 완벽하게 작동하는 합의 메커니즘이 필요합니다.
필요한 합의 유형은 네트워크의 필요에 따라 다릅니다. 예를 들어, 네트워크에서 사기 방지, 보안 및 신뢰 구축을 위해서는 작업 증명이 필요합니다. PoW가 제공하는 보호 기능으로 인해 채굴자(또는 독립 데이터 프로세서)는 거래에 대해 오도될 수 없습니다. 작업 증명은 시간이 지남에 따라 데이터를 변경하는 어려움을 증가시키면서 암호화 자산의 거래 내역을 보호하는 방법입니다.
작업이 완료되고 제출되었음을 입증하는 참여 노드의 요구 사항은 블록체인에 새 트랜잭션을 추가할 수 있는 자격을 부여하여 악의적인 활동을 보호합니다.
네트워크에 블록체인 사본이 많은 경우 작업 증명은 가장 합법적인 사본을 식별하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로 작업 증명은 채굴자가 일관된 운영 속도를 유지하면서 네트워크에 자유롭게 출입할 수 있도록 하는 분산 시계를 구축하는 데 필수적입니다.
마찬가지로 네트워크 성능과 보안은 PoS 기반 메커니즘을 사용할 때 중요한 결과입니다. PoS는 초당 온체인 트랜잭션 및 실제 네트워크 전송 정산을 위해 높은 트랜잭션 속도가 필요한 경우에 활용됩니다. 또한 검증인은 상당한 양의 네트워크 토큰을 소유할 가능성이 높기 때문에 체인을 안전하게 유지하도록 재정적으로 인센티브를 제공합니다.
그러나 위협에 대한 PoS 및 PoW 보안의 강도에 대해서는 약간의 의구심이 있습니다. 따라서 트랜잭션을 안전하게 검증하기 위해 공간 증명 또는 (Chia 프로젝트)라는 검증 메커니즘이 생성됩니다. Chia는 PoW 및 PoS 블록체인을 괴롭히는 일부 중앙 집중화 문제를 해결하기 위해 공간 증명 및 시간 증명 합의 메커니즘을 사용합니다.