라이트닝 네트워크는 어떻게 작동하나요(1)?

출처: Byte$ CKB

비트코인 블록체인 위에 구축된 P2P 네트워크인 라이트닝 네트워크는 비트코인의 '느리고 비싼' 문제를 효과적으로 해결할 뿐만 아니라 암호화폐 결제 분야에서 다른 솔루션과 비교할 수 없는 장점을 가지고 있으며 P2P 경제를 실현할 기반이 될 것입니다.

오늘날 Web5 네트워크는 P2P 경제의 토대이자 우리가 꿈꾸는 Web5 세상의 중요한 부분입니다.

오늘 포스팅에서는 라이트닝 네트워크에 대한 소개를 이어가며 라이트닝 네트워크의 작동 방식과 관련 기술에 대해 자세히 알아보겠습니다.

라이트닝 네트워크의 초석: 결제 채널

라이트닝 네트워크는 본질적으로 정교한 결제 채널 시스템입니다. 앨리스와 밥 사이의 거래를 예로 들면, 라이트닝 네트워크를 사용하여 거래를 결제할 때 채널이 열리고, 거래가 이루어지고, 채널이 닫히는 세 가지 주요 단계를 거치게 됩니다.

1. 채널 열기: 신뢰의 다리 구축

채널을 여는 것은 기본적으로 두 참가자가 공동으로 관리하는 다중 서명 지갑을 생성하고 이 지갑에 자금을 주입하는 것입니다. 이 지갑이 받은 자금의 총액은 이 채널의 잔액입니다.

앨리스와 밥이 각각 100,000개의 사토시 BTC를 보유하고 있다고 가정해 보겠습니다. 먼저, 두 사람은 채널 생성을 위한 서약으로 두 사람이 공동으로 관리하는 다중 서명 지갑 주소로 각각 100,000개의 사토시를 전송해야 합니다. "자금 조달 거래" 또는 "앵커 거래"로 알려진 이 거래는 네트워크에 브로드캐스트되고 비트코인 블록체인에 기록되어야 합니다. 채널의 공식적인 개설을 나타냅니다. 이 예시에서 앨리스와 밥을 연결하는 결제 채널은 기본적으로 200,000 사토시의 잔액을 포함하는 일반적인 2대2 다중 서명 지갑입니다(간단하게 설명하기 위해 채널을 열기 위해 지불해야 하는 채굴자 수수료는 무시하겠습니다).

2. 거래 시작: 오프체인 거래의 기술

채널이 켜진 후에는 관련된 두 당사자 간의 후속 거래가 비트코인 블록체인 외부에서 진행되어 효율적인 오프체인 결제를 가능하게 합니다. 앨리스와 밥 사이에 다음 세 가지 트랜잭션이 발생한다고 가정해 보겠습니다.

1. 앨리스가 밥에게 10,000 사토시를 전송하고, 이 시점에서 앨리스는 90,000 사토시를, 밥은 110,000 사토시를 보유하게 됩니다.

2. 앨리스가 계속해서 밥에게 20,000 사토시를 전송하면 이 시점에서 앨리스는 70,000 사토시를, 밥은 130,000 사토시를 보유하게 됩니다.

3. 밥이 앨리스에게 10,000 사토시를 전송하면 이제 앨리스는 80,000 사토시를, 밥은 120,000 사토시를 보유하게 됩니다.

위 예시를 통해 앨리스와 밥 사이에 얼마나 많은 전송이 이루어지더라도 두 사람 사이의 채널 잔액은 200,000 사토시로 동일하게 유지된다는 것을 알 수 있습니다.

앨리스와 밥이 트랜잭션을 수행할 때마다 양 당사자는 채널 내 각자의 잔액을 업데이트하고 서명한 커미트먼트 트랜잭션을 교환해야 합니다. 이러한 트랜잭션은 그 자체로 유효하며 언제든지 비트코인 네트워크로 전송할 수 있지만, 양 당사자는 채널을 닫을 의도가 아니라면 보통 이를 브로드캐스트하지 않고 저장합니다. 이러한 방식으로 채널 내 앨리스와 밥의 잔액 상태는 문제 없이 초당 수십, 수백 번 바뀔 수 있으며, 업데이트 속도는 두 당사자가 커밋된 트랜잭션을 생성, 서명하고 서로에게 전송할 수 있는 속도에 의해서만 제한됩니다.

3. 채널 닫기: 최종 정산의 순간

채널을 닫는 방법은 두 가지가 있습니다: 먼저, 양측이 채널 폐쇄에 동의하고 정산(Settlement. 트랜잭션)을 비트코인 네트워크에 전송하거나, 한 당사자가 마지막 커밋 트랜잭션을 비트코인 네트워크에 전송하여 채널을 닫기로 결정합니다. 후자는 한 당사자가 오프라인 상태가 되어 상대방의 채널 잔고가 잠기는 상황을 방지하기 위해 고안되었습니다.

앨리스와 밥의 경우, 세 번의 트랜잭션 후 채널을 닫기로 결정합니다. 채널 폐쇄 후 앨리스는 80,000사토시를, 밥은 120,000사토시를 돌려받게 됩니다(설명의 편의를 위해 채널 폐쇄 시 발생하는 채굴자 수수료는 고려하지 않았습니다).

양방향 결제 채널의 보안: 엘투에서 다릭까지

위와 같이 채널 폐쇄는 상호 합의 또는 단일 당사자에 의해 이루어질 수 있습니다. 만장일치 합의로 채널을 폐쇄하거나 일방적인 결정으로 채널을 폐쇄할 수 있습니다. 그렇다면 양방향 결제 채널에서 한 쪽 당사자가 사기를 저지르는 것을 어떻게 방지할 수 있을까요? 예를 들어, 위의 예시에서 밥이 세 번째 약정 거래가 아닌 두 번째 약정 거래로 채널을 닫는 것을 어떻게 방지할 수 있을까요? 두 번째 약속 트랜잭션으로 채널이 닫히면 밥은 앨리스에게 10,000 사토시를 최종적으로 지급하지 않을 수 있으며, 이는 분명 매우 유혹적으로 보일 것입니다.

비트코인 라이트닝 네트워크는 한 당사자가 채널 폐쇄를 위해 오래되었지만 유리한 상태를 체인 위로 전송하는 것을 방지하기 위해 LN-페널티 메커니즘을 도입했습니다. LN-페널티는 "비대칭 커밋 트랜잭션"과 "취소 키"와 같은 복잡한 기술을 사용하여 밥이 오래된 커밋 트랜잭션으로 채널을 닫으려고 하면 앨리스가 채널의 모든 자금인 200,000 사토시를 받을 자격을 갖도록 보장합니다. 앨리스는 채널의 전체 자금인 200,000 사토시를 받을 수 있습니다. 이 페널티 메커니즘은 잠재적인 사기를 효과적으로 억제합니다.

그러나 LN-페널티는 그 자체의 복잡성 외에도 사용자가 채널의 모든 과거 업데이트를 저장해야 하는 스토리지 부담이 있으며, 실수로 정직한 사용자에게 불이익을 주는 경우가 드물게 발생할 수 있다는 단점도 있습니다.

이러한 단점을 극복하기 위해 2018년 비트코인 커뮤니티는 저장 공간 부담과 실수로 인한 처벌의 위험을 없애기 위해 "엘투"라는 솔루션을 고안해냈습니다. 이 솔루션에서 사용자는 가장 최근에 커밋된 트랜잭션과 그 결제 트랜잭션만 저장하면 됩니다. 그러나 이 솔루션을 구현하려면 새로운 유형의 서명된 해시인 SIGHASH_ANYPREVOUT을 도입하는 비트코인 소프트 포크가 필요하기 때문에 지금까지는 사용할 수 없었습니다.

Nervos CKB, 라이트닝을 출시하다. 네트워크 파이버 네트워크는 2022년에 제안된 다릭 솔루션을 선택했으며, 이는 엘투를 기반으로 하여 워치타워의 비용과 보안 문제를 효과적으로 해결합니다. 워치타워는 별도의 컴퓨터와 네트워크에서 실행되는 라이트닝 네트워크 노드로, 결제 채널을 모니터링하고 악의적인 행위가 감지되면 몰수 거래를 실행하여 사용자 자금을 보호합니다. 노드 운영자는 일반적으로 노드를 보호하기 위해 자체적으로 워치타워를 운영합니다.

결론

비트코인 확장 솔루션으로서 라이트닝 네트워크의 핵심은 영리하게 설계된 결제 채널 시스템입니다. 채널 열기, 오프체인 거래, 채널 닫기의 3단계로 구성된 라이트닝 네트워크는 거래 속도를 획기적으로 높이고 비용을 절감합니다.

양방향 결제 채널의 보안을 보장하기 위해 라이트닝 네트워크는 LN-페널티 메커니즘을 사용하며, 비트코인 커뮤니티는 잠재적인 사기를 효과적으로 방지하기 위해 엘투와 다릭과 같은 더 나은 보안 메커니즘을 고안해냈습니다.

이러한 혁신 덕분에 라이트닝 네트워크는 보안을 유지하면서 비트코인 네트워크의 성능을 크게 개선하여 빠르고 저렴한 소액 결제를 위한 기반을 마련할 수 있었습니다.