블록체인의 장애물, 데이터 가용성(Data Availability)에 대해 알아보자

데이터 가용성(Data Availability) 문제는 블록체인의 확장성 문제에서 핵심적인 장애물 중 하나입니다. 데이터 가용성이란, 블록에 포함된 트랜잭션 데이터가 모두 올바르게 배포되고, 누구나 이 데이터를 검증할 수 있는지에 관한 문제입니다. 이 문제는 블록체인이 확장됨에 따라 더 중요해졌고, 해결되지 않으면 블록체인의 성능과 효율성에 큰 영향을 미칩니다.

1. 데이터 가용성 문제의 본질

블록체인은 탈중앙화된 네트워크로서, 네트워크에 참여하는 노드들이 모두 동일한 트랜잭션 데이터를 공유하고 검증해야 합니다. 트랜잭션이 발생하면 이 데이터는 블록에 포함되어 네트워크 전체에 전파되며, 참여자들은 블록의 유효성을 확인하기 위해 블록에 포함된 모든 트랜잭션 데이터를 받아야 합니다. 이 과정에서 문제가 되는 것이 데이터 가용성입니다.

왜 데이터 가용성이 중요한가?

• 블록에 포함된 트랜잭션 데이터가 모두 가용하고, 누구나 그 데이터를 확인할 수 있어야 합니다. 만약 일부 데이터가 누락되거나 불완전하게 배포되면, 노드들이 그 블록의 정확성을 검증할 수 없습니다.
• 데이터가 일부 노드에만 제공되거나, 네트워크의 악의적인 참여자가 데이터를 숨기려는 시도를 할 경우, 네트워크의 탈중앙성과 신뢰성이 손상될 수 있습니다.

2. 데이터 가용성 문제의 발생 이유

1) 블록 크기 증가와 네트워크 자원의 한계

블록체인의 트랜잭션 양이 증가할수록 블록 크기가 커지며, 블록에 포함되는 데이터의 양도 증가합니다. 그러나 네트워크에 참여하는 모든 노드가 이 데이터를 다운로드하고 저장해야 하기 때문에 네트워크에 부담이 커집니다.

• 블록 크기와 데이터 전송: 블록의 크기가 커지면 네트워크에서 데이터를 전파하는 시간이 길어지고, 노드들이 데이터를 다운받고 검증하는 데 걸리는 시간이 증가합니다.
• 노드의 저장 및 처리 비용: 블록에 포함된 모든 데이터를 저장하고 처리하는 데 필요한 자원이 증가하여, 네트워크에 참여하는 노드의 부담이 커집니다. 이는 궁극적으로 탈중앙화를 저해할 수 있습니다. 자원이 부족한 노드들은 네트워크에서 빠져나가게 되고, 네트워크의 탈중앙화 수준이 낮아질 수 있습니다.

2) 악의적인 데이터 숨김

악의적인 노드가 블록을 생성하면서 데이터를 고의로 숨기거나 누락시키는 경우가 있을 수 있습니다. 이런 경우, 다른 노드들이 블록을 검증하기 위해 필요한 데이터를 받지 못하면 블록의 유효성을 확인할 수 없고, 네트워크에 신뢰성 문제가 발생합니다. 이 상황을 해결하지 못하면 51% 공격이나 기타 악의적인 행위로 이어질 수 있습니다.

3) 데이터 동기화 문제

블록체인의 노드들이 전 세계적으로 분포되어 있는 상황에서, 모든 노드가 동일한 속도로 데이터를 동기화하는 것은 어렵습니다. 네트워크의 일부 노드가 데이터 동기화에 실패할 경우, 데이터 가용성 문제가 발생하여 일부 노드가 올바른 데이터를 받지 못할 수 있습니다.

3. 데이터 가용성이 블록체인 확장에 미치는 영향

데이터 가용성 문제는 블록체인의 확장성과 밀접하게 관련이 있습니다. 특히, 블록체인이 더 많은 트랜잭션을 처리하려면, 각 블록에 더 많은 트랜잭션이 포함되어야 하고, 그만큼 블록 크기가 커집니다. 이 과정에서 데이터 가용성 문제가 심화됩니다.

1) 블록 전파 시간 증가

블록의 크기가 커질수록 네트워크 내에서 블록을 전파하는 데 걸리는 시간이 길어집니다. 블록이 네트워크의 모든 노드에 도달하기 전에 새로운 블록이 생성되면, 네트워크 내에서 포크가 발생할 수 있습니다. 이는 블록체인 네트워크의 효율성을 떨어뜨리고, 전체적인 처리량을 제한하게 됩니다.

2) 전체 노드 검증 부담 증가

노드들이 블록을 검증하기 위해 모든 데이터를 다운로드하고 검증하는 데 걸리는 시간이 증가합니다. 특히, 풀 노드는 모든 트랜잭션 데이터를 저장하고 검증해야 하기 때문에, 블록체인의 규모가 커질수록 풀 노드를 운영하는 데 필요한 자원과 비용이 크게 증가합니다. 이는 풀 노드 운영을 포기하는 참여자들이 늘어날 수 있어 네트워크의 탈중앙성을 저해할 수 있습니다.

3) 스케일링 솔루션의 한계

레이어 2 솔루션(Rollups, Plasma 등)은 블록체인의 확장성을 높이기 위해 주로 사용됩니다. 이러한 솔루션들은 많은 트랜잭션 데이터를 처리한 후, 이를 요약한 데이터만 레이어 1에 제출합니다. 하지만 이 과정에서 데이터 가용성이 확보되지 않으면, 레이어 2 솔루션이 보안 문제를 일으킬 수 있습니다. 즉, 데이터를 올바르게 저장하고 검증할 수 없는 경우, 전체 네트워크의 안정성과 신뢰성에 큰 문제가 발생할 수 있습니다.

4. 데이터 가용성 문제 해결을 위한 접근 방법

1) 데이터 가용성 샘플링(Data Availability Sampling, DAS)

데이터 가용성 샘플링은 Celestia 같은 모듈러 블록체인에서 데이터 가용성 문제를 해결하기 위해 사용되는 기술입니다. 이 기술은 모든 노드가 전체 블록을 다운로드하지 않고도 데이터가 올바르게 전파되었는지 확인할 수 있도록 합니다.

• 샘플링 방식: 네트워크에 참여하는 노드들이 블록의 데이터를 무작위로 샘플링하여 데이터를 검증합니다. 일정한 수의 노드가 샘플링을 통해 데이터를 확인하면, 데이터의 가용성을 보장할 수 있습니다.
• 효과: 이 방식은 모든 노드가 블록의 모든 데이터를 다운로드하는 부담을 덜어주며, 네트워크의 확장성을 유지할 수 있게 합니다.

2) 블록체인 모듈화

Celestia와 같은 모듈러 블록체인은 데이터 가용성, 합의, 실행을 분리하여 각 모듈이 독립적으로 최적화되도록 설계되었습니다. 특히, 데이터 가용성 문제는 별도의 데이터 가용성 계층에서 처리되기 때문에, 다른 모듈들이 데이터 저장과 관련된 부담에서 벗어나 확장성을 높일 수 있습니다.

• 모듈화의 장점: 블록체인의 각 기능이 모듈로 분리됨으로써, 데이터 가용성 문제는 그 계층에서만 다루고, 다른 모듈들은 성능에 최적화된 방식으로 운영할 수 있습니다.

3) 샤딩(Sharding)

샤딩은 블록체인을 여러 개의 작은 샤드로 나누어, 각 샤드가 독립적으로 트랜잭션을 처리하고 데이터를 저장하도록 하는 방식입니다. 이를 통해 네트워크의 각 노드가 전체 데이터가 아닌 일부 데이터만 관리할 수 있도록 하여 데이터 가용성 문제를 어느 정도 완화할 수 있습니다.

• 샤드 간 데이터 가용성 문제: 하지만 샤딩도 모든 데이터를 검증하지 않기 때문에, 샤드 간에 발생하는 데이터 가용성 문제를 해결해야 하는 도전 과제가 남아 있습니다.

4) 레이어 2 솔루션과 데이터 가용성 보장

레이어 2 확장 솔루션은 블록체인의 확장성을 높이기 위한 주요 방법 중 하나입니다. 하지만 레이어 2에서도 데이터 가용성이 보장되지 않으면, 네트워크의 안전성이 위협받을 수 있습니다. 따라서 Rollups와 같은 레이어 2 솔루션에서도 Celestia와 같은 데이터 가용성 계층을 통합하여 보안을 강화하는 접근이 필요합니다.

5. 데이터 가용성 문제 해결의 중요성

데이터 가용성 문제는 블록체인이 글로벌한 네트워크로서 성장하고 더 많은 트랜잭션을 처리하는 데 필수적으로 해결해야 할 과제입니다. 데이터 가용성이 확보되지 않으면, 네트워크는 악의적인 공격에 취약해지며, 탈중앙화와 보안을 유지하는 데 큰 어려움을 겪게 됩니다. Celestia와 같은 모듈러 블록체인, 데이터 가용성 샘플링 같은 혁신적인 기술은 이 문제를 해결하고 블록체인의 확장성을 높이는 중요한 해결책이 될 수 있습니다.