작업증명(PoW) vs 지분증명(PoS), 어느 것이 더 뛰어난가요? [2024년]

암호화폐 세계에서는 많은 합의 알고리즘이 있지만 두 가지가 중심입니다. 하나는 비트코인을 통해 대중화된 작업증명(PoW), 또 다른 하나는 이더리움이 전환한 지분증명(PoS)입니다. 이 두 가지 방식은 네트워크의 보안을 유지하고 거래를 검증하는 역할을 하지만, 그 접근 방식은 완전히 다릅니다. 그렇다면, 어느 것이 더 우수할까요? 이번 글에서 자세히 살펴보겠습니다.

작업 증명(PoW)이란 무엇인가요?

작업 증명은 채굴자가 계산 능력을 사용해 복잡한 수학적 퍼즐을 풀고, 블록체인에서 트랜잭션을 검증하는 합의 메커니즘입니다. 이 과정은 채굴자 간의 경쟁을 통해 네트워크의 보안과 탈중앙화를 보장합니다.

참여자 수천 명이 세계에서 가장 어려운 퍼즐을 풀기 위해 경쟁한다고 상상해 보겠습니다. 가장 먼저 퍼즐을 완성한 참여자는 자신의 솔루션을 장부(블록체인)에 추가하고 보상을 받습니다. 다른 참여자는 다음 퍼즐을 위해 다시 경쟁합니다. 참여자들은 이 경쟁에서 이기기 위해 자원을 투입합니다. 네트워크는 이를 통해 부정 행위를 방지합니다.

작업 증명의 주요 특징

• 채굴 기반 검증: 채굴자는 암호화 퍼즐을 풀기 위해 경쟁하며, 승자가 블록을 검증하고 보상을 받습니다.
• 에너지 집약적: 거대한 퍼즐 대회에 에너지가 필요한 것처럼, 작업 증명은 많은 계산 능력을 사용하므로 에너지 집약적입니다.
• 난이도를 통한 보안: 퍼즐의 복잡성으로 인해 누구도 네트워크를 조작하기가 매우 어렵습니다. 변경하려면 이전의 모든 퍼즐을 다시 풀어야 하는데, 이는 사실상 불가능합니다.

작업 증명으로 보안과 탈중앙화를 보장하는 방법

작업 증명은 네트워크를 공격하거나 조작하는 데 엄청난 비용이 들게 함으로써 보안을 강화합니다. 속임수를 쓰는 데 필요한 자원이 너무 많이 들기 때문에 시도하지 못하도록 합니다. 동시에, 작업 증명은 적절한 하드웨어만 있으면 누구나 채굴에 참여할 수 있어 특정 주체가 네트워크를 통제하지 못하도록 합니다.

그렇다면 작업 증명은 에너지를 얼마나 소모할까요? 쉽게 설명하자면, 2024년 현재 기준, 비트코인 채굴자들은 아르헨티나 전체 에너지 소비량에 해당하는 약 140테라와트시(TWh)의 전력을 소모했습니다.

작업 증명 채택한 블록체인

• 비트코인: 작업 증명을 구현한 최초의 암호화폐인 비트코인의 탈중앙화 네트워크는 채굴자에게 의존하여 블록체인을 보호합니다.
• 라이트코인: 비트코인의 포크인 라이트코인은 작업 증명을 사용하지만 거래 시간이 더 빠르기 때문에 일상적인 소규모 거래에 더 적합합니다.

지분 증명(PoS)이란 무엇인가요?

지분 증명(PoS)은 검증자가 보유하고 있는 암호화폐의 양에 따라 새로운 블록을 생성하고, 이를 담보로 스테이킹할 의향이 있는 검증자를 선택하는 합의 메커니즘입니다. 이 방식은 에너지 집약적인 계산의 필요성을 줄이고 네트워크 효율성을 높입니다.

쉽게 말해, 아파트 단지에서 관리 회의를 열어 중요한 결정을 내려야 한다고 가정해봅시다. 이 회의에 참여할 수 있는 사람은 아파트에 거주하고 있는 주민들뿐입니다. 그런데, 단순히 참석만 하는 것이 아니라, 자신이 소유한 아파트 면적에 따라 투표권의 크기가 달라집니다. 예를 들어, 더 큰 아파트를 소유하고 있는 사람은 더 많은 투표권을 가지고 있습니다. 왜냐하면 더 많은 자산을 가지고 있는 사람일수록, 아파트 단지의 운영에 더 큰 이해관계를 가지고 있기 때문입니다.

지분 증명(PoS)에서는 블록체인의 관리 회의에 해당하는 ‘블록 검증’에 참여할 때, 암호화폐를 많이 소유하고 있고 이를 스테이킹한 사람이 더 큰 검증권을 갖습니다. 이렇게 함으로써 네트워크가 잘 운영될 수 있도록 책임감을 가지고 행동할 가능성이 높은 사람들이 참여하도록 하는 것입니다.

지분 증명의 주요 특징

• 스테이킹이 채굴을 대체합니다: 지분 증명은 채굴자 대신 블록을 검증할 기회를 얻기 위해 코인을 잠그는(또는 스테이킹하는) 검증자를 사용합니다.
• 에너지 효율성: 지분 증명은 과중한 연산에 의존하지 않기 때문에 작업 증명보다 훨씬 적은 에너지를 소비합니다.
• 지분 기반 검증자 선택: 검증자는 얼마나 많은 코인을 스테이킹했는지에 따라 선택되며, 이는 네트워크 보유와 보안에 인센티브를 제공합니다.

스테이킹과 검증자 선정 과정

지분 증명에서 검증자는 암호화폐의 일부를 담보로 묶어둡니다. 검증자로 선정되면 새로운 트랜잭션을 검증하고 블록체인에 추가하는 역할을 수행합니다. 검증자가 부정직한 행동을 하면 스테이킹한 코인을 잃을 수 있습니다. 이 때문에 검증자는 규칙을 준수해야 합니다. 이 시스템은 지분을 많이 보유한 사람에게 유리하지만, 소액 보유자도 참여할 수 있습니다.

이더리움은 2022년 더머지(The Merge)를 통해 합의 알고리즘을 작업 증명에서 지분 증명으로 전환했습니다. 이를 통해 에너지 소비를 99% 이상 줄였습니다. 이는 암호화폐 역사에서도 중요한 사건이었습니다.

지분 증명을 채택한 블록체인

• 이더리움: 2022년 작업 증명에서 지분 증명으로 전환한 이더리움은 현재 에너지 효율성과 확장성을 크게 향상시킨 지분 증명을 사용하고 있습니다.
• 카르다노: 연구 중심 접근 방식으로 유명한 선도적인 지분 증명 블록체인인 카르다노는 스테이킹을 통해 보안과 지속 가능성을 강조합니다.

작업 증명(PoW) vs 지분 증명(PoS)

다음은 두 알고리즘을 비교한 표입니다. 어떤 차이점이 있는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

특징	작업증명(PoW)	지분증명(PoS)
에너지 소비	높음	낮음
처리 속도	느림	빠름
보안성	보안성이 높지만 채굴 풀의 중앙 집중화 위험이 있음	안전하지만 부의 집중으로 인한 중앙 집중화 위험이 있음
경제 모델	채굴 기반 보상	스테이킹 기반 보상

작업 증명(PoW)은 마라톤 경기와 비슷하다고 생각하면 됩니다. 가장 빨리 결승선을 통과한 주자만 승리의 트로피를 가질 수 있습니다. 반면, 지분 증명은 복권과 비슷합니다. 더 많은 티켓을 구매할수록(또는 더 많은 코인을 스테이킹할수록) 당첨 확률이 높아집니다. 두 방법 모두로 목적을 달성할 수 있지만, 하나는 더 많은 물리적 자원이 필요하고 다른 하나는 참여량과 운이 필요합니다.

작업 증명의 향후 과제

작업 증명은 보안과 탈중앙화로 널리 인정받고 있지만, 상당한 과제를 안고 있습니다. 높은 에너지 소비와 중앙 집중화 위험, 느린 트랜잭션 속도가 확장성을 제한하고 있습니다.

쉽게 설명해 보겠습니다. 엄청난 양의 전기가 필요한 공장이 운영된다고 가정해 보겠습니다. 전기세가 계속 올라가면서, 공장을 계속 운영하는 기업이 점차 줄어듭니다. 시간이 지남에 따라, 자본과 역량이 있는 대기업(이 경우 채굴자)만 살아 남았습니다. 결국, 몇개 기업만이 시장에서 살아남게 되고, 이는 결국 시장의 중앙 집중화로 귀결됩니다. 채굴 산업에서도 마찬가지 현상이 벌어지고 있습니다.

높은 에너지 소비

작업 증명(PoW)의 가장 큰 단점 중 하나는 환경에 미치는 영향입니다. 채굴기업이 암호학적 퍼즐을 푸는 데 막대한 에너지를 소비합니다. 이 때문에 작업 증명 알고리즘이 지속 가능한 시스템인지 우려를 낳고 있습니다.

비트코인의 엄청난 거래외 신뢰성, 보안 이점은 합의 알고리즘의 자원 집약적 구조로 인해 상쇄되고 있습니다. 이는 기후에 의존해 살아가고 있는 우리의 삶에 해가 되고 있습니다.

트루비, 제이(Truby, J.) 비트코인 탈탄소화(2018): 사이언스 다이렉트

가령, 2024년 비트코인의 채굴 에너지 소비량은 네덜란드와 같은 국가 전체의 연간 전력 사용량을 넘어섰습니다. 이러한 점 때문에 일부 전문가는 채굴의 지속 가능성에 대해 의문을 제기하고 있습니다.

아래 차트는 이더리움의 에너지 소비량 변화를 나타냅니다. 이더리움은 합의 알고리즘을 작업 증명에서 지분 증명으로 전환한 뒤, 에너지 소비량이 크게 줄었습니다.

마이닝 풀로 인한 중앙 집중화 위험

채굴의 경쟁이 치열해지고 하드웨어 집약적으로 변하면서 소규모 채굴자들은 경쟁에 어려움을 겪고 있습니다. 이로 인해 자원을 결합하여 함께 퍼즐을 푸는 채굴자 그룹인 마이닝 풀이 등장하게 되었습니다.

이는 채굴의 효율성을 높여주지만, 소수의 대규모 풀에 권력이 집중되어 작업 증명 방식의 탈중앙화 원칙을 훼손할 수 있는 위험도 있습니다.

느린 트랜잭션 시간

비트코인과 같은 작업 증명 네트워크는 최신 합의 메커니즘에 비해 트랜잭션을 느린 속도로 처리합니다. 채굴자가 각 퍼즐을 푸는 데 시간이 필요하기 때문에 블록 생성이 더 오래 걸릴 수 있으며, 특히 네트워크 트래픽이 많은 기간에는 트랜잭션 검증이 지연될 수 있습니다.

지분 증명의 향후 과제

지분 증명(PoS)은 에너지 효율적이고 확장성이 뛰어나다는 평가를 받고 있습니다. 하지만 나름의 도전 과제에 직면해 있습니다. 다음과 같습니다.

• 중앙 집중화의 위험
• 잠재적인 보안 취약성
• 스테이킹의 복잡성

쉽게 설명해, 지분 증명은 플레이어가 테이블에 앉기 위해 돈(지분)을 투자해야 하는 보드 게임이라고 생각하시면 됩니다. 지분 증명은 작업 증명보다 더 많은 참여자를 허용하지만, 시간이 지남에 따라 가장 부유한 플레이어가 더 많은 영향력을 갖게 되어 일부 플레이어가 게임을 지배할 수 있습니다. 소수의 독점화 우려가 있는 것이죠.

부의 집중으로 인한 중앙 집중화 위험

지분 증명에서는 더 많은 양의 암호화폐를 스테이킹한 검증자가 블록을 검증하도록 선택될 확률이 높습니다. 이는 소수의 부유한 참여자가 네트워크의 상당 부분을 통제하는 상황으로 이어질 수 있습니다. 이는 중앙 집중화를 의미합니다.

한편, 카르다노는 2023년 소규모 보유자가 지분을 모으고 보상을 공유할 수 있는 시스템을 도입하여 지분 증명 시스템의 중앙화 위험을 줄였습니다. 이러한 발전은 더 많은 참여를 장려하지만, 부의 집중은 여전히 우려되는 부분입니다.

보안 문제

지분 증명(PoS)는 일반적으로 안전한 것으로 간주되지만, 자체적인 취약점이 있습니다. 그러한 위험 중 하나는 공격자가 블록체인의 먼 과거부터 기록을 다시 작성하는 장거리 공격(long-range attacks)입니다.

지분 증명은 이를 예방하기 위해 정직하지 않게 행동하는 검증자에 대해 페널티를 줍니다. 그러나 정직한 검증자가 시스템 실수로 불이익을 받을 수도 있습니다. 이 경우 스테이킹한 코인을 잃습니다.

스테이킹 과정의 복잡성

스테이킹은 특히 초보자에게는 복잡할 수 있습니다. 검증자는 네트워크에서 자신의 역할을 유지하기 위해 얼마나 스테이킹해야 하는지 이해하고, 슬래싱의 위험(slashing risks)을 관리하며, 온라인 상태를 유지해야 합니다.

이러한 복잡성 때문에, 소규모 보유자의 참여가 저해될 수 있으며, 잠재적으로 경험이 많거나 부유한 사용자의 손에 시스템이 맡겨질 수 있습니다.

2024년 암호화폐 산업계에서는 작업 증명과 지분 증명 두 가지를 결합한 하이브리드 모델이 구현되고 있습니다. 예를 들어, 카데나(Kadena)와 같은 프로젝트는 보안과 에너지 효율성 사이의 균형을 맞추기 위해 보안에는 작업 증명 방식을, 거버넌스에는 지분 증명 방식을 사용합니다.

지분 증명과 작업 증명 중 어느 것이 더 뛰어난가요?

작업 증명과 지분 증명에 대한 논의에서 명확한 승자는 없습니다. 다만, 사용 사례에 따라 장단점이 있습니다. 에너지 효율성과 환경 문제를 고려한다면 지분 증명이 더 적합할 수 있고, 보안성과 오랜 시간 검증된 신뢰성을 중시한다면 작업 증명이 더 나을 수 있습니다.

최근 새로운 블록체인의 경우, 친환경적인 지분 증명 알고리즘을 추구하고 있습니다. 하지만, 원조이자 가장 인기 있는 블록체인인 비트코인이 채택하고 있는 작업 증명도 여전히 영향력이 큽니다. 이밖에 이 두 가지 알고리즘을 혼합한 하이브리드 방식과 제3의 알고리즘도 활발히 개발, 활용되고 있습니다.

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