PoA Consensus Mechanism and Validator

16 min readAug 5, 2024

사전 고지: 본 글은 단순 정보 제공을 위해 작성 되었고 투자, 법률, 자문 등 어떤 부분에서도 책임을 지지 않습니다. 특정 자산에 대한 투자를 추천하는 것이 아님을 밝히며, 본문의 내용만을 바탕으로 투자에 대한 의사결정을 내리지 마십시오.

Author : XRPL Korea & 임희원

Abstract

본 리서치는 블록체인 기술의 핵심 요소인 컨센서스 메커니즘과 밸리데이터에 대해 심층적으로 분석합니다. 먼저, 컨센서스 메커니즘을 사회의 선거 제도에 비유하여 그 기본 개념을 이해하기 쉽게 설명합니다. 따라서 이러한 기본 개념을 토대로 컨센서스 메커니즘과 밸리데이터의 작동 원리 및 중요성을 상세히 분석하고 이를 통해 블록체인 기술의 근본적인 구조와 의의를 파악하고자 합니다.

본문

컨센서스 메커니즘이란?

블록체인의 컨센서스 메커니즘이란 사회의 선거 제도와 유사한 원리로 작동합니다. 선거에서 국민들이 투표를 통해 의사를 표현하고 최종 당선자를 결정하듯이, 블록체인에서도 참여자들이 네트워크 규칙에 따라 거래를 제안하고 이를 검증 및 승인하는 과정을 통해 최종적인 합의 결과를 도출합니다. 이 과정은 중앙화된 주체 없이 이루어지며, 이를 통해 분산 네트워크의 모든 참여자가 동일한 데이터를 보유하게 되는 것이 블록체인의 특징적인 점입니다. 이러한 컨센서스 메커니즘은 블록체인의 일관성과 신뢰성을 보장하는 핵심 기술로 작용합니다.

대표적인 컨센서스 메커니즘의 예시는 다음과 같습니다.

작업 증명(Proof of Work, PoW):

대표적인 예: 비트코인
작동 방식: 참여자들이 복잡한 수학 문제를 풀어 블록을 생성합니다.
특징: 높은 보안성을 제공하지만, 에너지 소비가 많고 처리 속도가 느립니다.

2. 지분 증명(Proof of Stake, PoS):

대표적인 예: 이더리움 2.0, 카르다노
작동 방식: 코인을 많이 보유한(지분이 높은) 참여자에게 블록 생성 권한을 부여합니다.
특징: 에너지 효율적이며, PoW보다 빠른 처리 속도를 제공합니다.

3. 권한 증명(Proof of Association, PoA):

대표적인 예: XRPL
작동 원리: 신뢰할 수 있는 검증인(validators) 목록을 유지하고, 이들 간의 반복적인 합의 과정을 통해 거래를 확정합니다.
특징:
매우 빠른 거래 확정 시간 (3–5초)
높은 처리량 (1,500 transaction / sec 이상)
낮은 에너지 소비량
부분적으로 중앙화된 구조 (검증인 선택에 의존하기 때문에)

컨센서스 메커니즘은 블록체인 네트워크의 일관성 유지, 이중 지불 문제 해결, 악의적 행위 방지를 주요 목적으로 하며, 각 블록체인은 그 특성에 맞는 메커니즘을 채택합니다. 이 중 XRPL의 독특한 합의 알고리즘인 Proof of Association은 전통적인 작업증명(PoW)이나 지분증명(PoS)과 달리, 신뢰할 수 있는 검증인(validators) 목록을 유지하고 이들 간의 반복적인 합의 과정을 통해 거래를 확정합니다. 이 시스템은 3–5초의 빠른 거래 확정 시간, 초당 1,500건 이상의 높은 처리량, 낮은 에너지 소비라는 장점을 제공하지만, 검증인 선택 과정에서 일정 수준의 중앙화가 수반된다는 특징이 있습니다. 이는 Ripple Protocol Consensus Algorithm(RPCA) 기반으로 되어 있고 아래에서 자세히 살펴보겠습니다. XRPL만의 합의 알고리즘만의 이러한 특성은 XRPL이 금융 기관 간 국제 송금 시스템으로 활용되는 데 적합한 환경을 제공하며, 빠른 처리 속도와 확장성을 요구하는 기업용 블록체인 솔루션에 적합한 모델을 제시합니다.

벨리데이터란?

블록체인 네트워크의 핵심 구성요소인 밸리데이터(validator)는 중앙선거관리위원회와 유사한 역할을 수행하며, 네트워크의 무결성을 유지하는 주체입니다.

밸리데이터의 주요 역할은 새로운 트랜잭션을 검증하고, 검증된 트랜잭션들을 모아 새로운 블록을 생성하여 블록체인에 추가하는 것입니다. 이 과정에서 네트워크의 컨센서스 메커니즘에 따라 다른 밸리데이터들과 상호작용하며 최종 합의에 도달합니다. 또한 악의적인 행위를 감지하고 방지하여 네트워크의 보안을 유지하며, 블록이 온체인상의 프로토콜을 준수하는지 검증하여 네트워크의 일관성을 유지합니다.

밸리데이터의 존재와 활동은 블록체인의 핵심 가치인 탈중앙화, 보안, 투명성을 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 다수의 독립적인 밸리데이터들은 네트워크를 중추로써 중앙화된 권력 구조를 방지하고 네트워크의 신뢰성과 효율성을 보장하는 중요한 구성요소입니다. 그러나 일부 블록체인에서는 소수의 대형 밸리데이터들이 과도한 영향력을 가질 수도 있다는 위험이 있습니다. 따라서 밸리데이터들의 정직한 행동을 장려하고 악의적인 의도를 배제하기 위한 적절한 인센티브 구조가 필요합니다.

밸리데이터의 선정과 운영 방식은 각 블록체인의 특성에 따라 다릅니다. 예를 들어, 비트코인에서는 채굴자들이 밸리데이터 역할을 수행하고, 이더리움 2.0에서는 일정량의 ETH를 스테이킹한 참여자들이 밸리데이터가 됩니다. XRPL의 경우, 신뢰할 수 있는 노드들의 목록에 포함된 노드들(UNL)이 밸리데이터 역할을 맡습니다 (RCPA). 또한 네트워크 요구사항에 따라서 노드를 운영하기 위해서는 높은 수준의 기술적 지식과 자원이 필요할 수 있습니다.

Unique Node List (UNL)

XRPL은 POA(Proof of Association)라는 방식을 기반으로 하고 있는데 이는 블록체인에서 사용되는 합의 알고리즘 중 하나로, 블록을 생성하고 검증하는 권한이 특정한 신뢰 가능한 인증자 또는 권한 있는 노드에게 위임되는 방식입니다.

https://xrpscan.com/validators

XRPL은 Unique Node List (UNL) 라는 신뢰할 수 있는 몇개에 검증자들을 선정해서 해당 검증자들끼리 거래의 유효성을 검증하는 방식을 채택하고 있습니다. UNL에 참여하는 기관들은 다양한 유형이 있으며, 그 종류는 다음과 같습니다:

금융 기관

국제 송금 및 결제를 처리하기 위해 XRPL을 채택한 은행들이나 핀테크 기업들이 포함됩니다.

2. 암호화폐 거래소

XRP을 포함한 암호화폐의 거래 및 XRPL을 활용하여 사용자 간 직접 거래를 지원하는 중앙화거래소(CEX)들이나 탈중앙화 거래소 (DEX)들도 포함됩니다.

3. IT 기술 및 테크 기업

XRPL을 기반으로 네트워크에 참여하는 블록체인 테크 기업들도 포함될 수 있습니다.
XRPL의 UNL에 참여하는 기관들 중에는 대형 IT 기업들도 있습니다. 대형 IT 기업의 대표적인 예로는 마이크로소프트가 있습니다.

4. 학술 및 연구 기관

블록체인 기술, 분산 시스템 및 암호화폐 경제에 대한 연구를 수행하는 학술 기관들입니다. 블록체인과 관련된 다양한 기술적 연구를 진행하는 기관들도 UNL에 참여할 수 있습니다.

5. 리플 자체 노드

리플이 직접 운영하는 노드들도 UNL에 포함됩니다.

XRPL은 상대적으로 폐쇄적인 합의 알고리즘 때문에 비판을 받아왔습니다. 각 노드들은 XRP 소유량과 관련없이 한 노드당 하나의 의결권을 행사한다는 특징이 있습니다. 초기 XRP의 거래에 막대한 영향력을 끼치는 UNL의 노드수는 14개로 시작을 했습니다. 그 중 5개가 리플 소유 노드였고 9개가 마이크로소프트와 같은 외부 소유 노드였습니다. 초창기 리플은 전체 노드의 20%이상을 갖고 있었기 때문에, 중앙화된 블록체인이라는 비판에 직면했습니다. 또 외부노드들 또한 리플과 우호적인 관계를 갖고 있는 기업들이라면 리플 입맛대로 거래 장부를 조작할 수 있는게 아니냐라는 비판을 받기도 했습니다.

지금은 UNL노드 중에서 4개만 리플이 소유하고 나머지 UNL들을 외부 노드로 만들어 비판을 줄여가고 있습니다. 또 현재는 이 노드들의 거래 검증을 130 개의 검증 노드들이 확인하고 있습니다. 이 숫자도 일반적인 퍼블릭 블록체인에 비하면 현저히 적은 숫자로써 가장 탈중앙화 되어있다는 비트코인의 노드 수는 100만개가 넘습니다.

Ripple Protocol Consensus Algorithm (RPCA)

Ripple Protocol Consensus Algorithm (RPCA)은 XRP Ledger에서 사용되는 합의 프로토콜입니다. 기존의 중앙집중식 결제 시스템에서는 단일 관리자에게 최종 결정 권한이 있지만, 탈중앙화된 시스템에서는 이를 대신할 합의 프로토콜이 필요합니다. RPCA는 분산된 결제 시스템에서 Ledger간의 합의를 달성하기 위해 고안되었습니다. XRP Ledger가 새로운 transaction을 확인하여 블록체인을 형성할 때 네트워크 참여자들이 일련의 State와 그 결과에 대해 동의할 수 있도록 정의된 규칙을 따릅니다.

RPCA의 주요 특징은 다음과 같습니다:

첫째, XRP Ledger를 사용하는 모든 사람은 최신 상태와 어떤 거래가 어떤 순서로 발생했는지에 대해 동의할 수 있습니다.

둘째, 중앙 운영자나 단일 장애 지점 없이 모든 유효한 거래가 처리됩니다.

셋째, 일부 참여자(UNL)의 변동이 있거나 부적절하게 행동하더라도 Ledger는 진전을 이룰 수 있습니다.

넷째, 다수의 참가자가 접근할 수 없거나 부적절하게 행동하면 네트워크는 분열되거나 잘못된 거래를 확인하지 않고 더이상의 진전을 멈춥니다.

마지막으로, 대부분의 다른 블록체인 시스템과 달리 자원을 낭비하거나 경쟁적으로 사용하지 않고 거래를 확인할 수 있습니다.

https://xrpl.org/docs/concepts/consensus-protocol/consensus-structure#consensus

RPCA는 이중 지불 문제를 해결하기 위한 것으로, 누군가가 디지털 화폐를 중복하여 두 번 이상 지불하는 것을 방지하기 위한 알고리즘입니다. 중앙의 제어 없이 두 개 이상의 다른 거래가 거의 동시에 발생했을 때에 어느 거래가 먼저 발생했는지 결정하는 것은 어렵습니다. RPCA의 핵심 원리는 신뢰 기반의 검증입니다. 네트워크의 각 참여자는 합의에 적극적으로 참여하도록 특별히 구성된 목록인 UNL을 신뢰하며 이들은 합의에 적극적으로 참여하는 것은 물론 정직하게 행동할 것으로 예상됩니다.

네트워크가 진전되는 동안 UNL내에서 의견을 종합하여 충분히 많은 밸리데이터가 특정 거래 집합과 원장에 동의하면 합의가 선언됩니다. 만약 합의가 이루어지지 않으면, 밸리데이터들은 여러 라운드에 걸쳐 합의에 도달할 때까지 제안을 수정합니다. 이 시스템에서는 신뢰할 수 없는 검증자가 소수일 경우 합의가 원활하게 진행되지만, 20% 이상의 신뢰할 수 없는 검증자가 존재하면 네트워크는 진전을 멈출 수 있습니다. 80% 이상의 신뢰할 수 없는 검증자가 존재하면 잘못된 거래를 승인할 수 있습니다.

https://xrpl.org/docs/concepts/consensus-protocol/consensus-structure

https://xrpl.org/docs/concepts/ledgers

XRPL의 ledger 구조와 작동 방식은 블록체인의 일반적인 개념을 기반으로 하되, 몇 가지 독특한 특성을 가지고 있습니다. ledger의 버전은 두 가지 식별자를 갖습니다: 순차적으로 증가하는 ‘ledger index’와 레저 내용의 디지털 지문 역할을 하는 ‘ledger hash’입니다. 참여자들이 ledger에 적용할 트랜잭션을 제안하는 과정에서 약간씩 다른 내용을 가진 여러 후보 ledger버전이 생성될 수 있습니다. 이 후보들은 같은 ledger index를 가지지만 서로 다른 ledger hash를 갖게 됩니다. 이 중 오직 하나의 후보만이 검증되어 최종적으로 합의가 되고, 나머지는 폐기됩니다. 결과적으로는 각 ledger index마다 정확히 하나의 검증된 ledger hash만 존재하게 됩니다.

ledger의 상태 변경은 트랜잭션의 결과로 이루어집니다. 트랜잭션의 예로는 지불, 계정 설정 변경, 거래 제안 등이 있습니다. 각 트랜잭션은 ledger에 대한 하나 이상의 변경을 승인하며, 계정 소유자에 의한 서명 과정을 거칩니다. 트랜잭션은 계정을 변경하거나 레저의 다른 요소를 변경할 수 있는 유일한 방법입니다. 각 ledger 버전은 또한 해당 버전에 적용된 트랜잭션 set와 각 트랜잭션들에 대한 메타데이터를 포함합니다. 메타데이터는 이러한 트랜잭션들이 ledger의 상태 데이터에 미친 영향을 기록합니다. 이러한 구조를 통해 XRPL은 높은 처리량과 빠른 거래 확정 시간을 달성하면서도, 모든 거래의 정확성과 투명성을 보장할 수 있습니다.

https://xrpl.org/docs/concepts/consensus-protocol/consensus-structure

Peer-to-Peer (P2P) 방식의 XRPL 네트워크는 여러개의 독립적인 XRPL 서버들로 구성됩니다. 사용자는 클라이언트 어플리케이션에서 트랜잭션을 서명하고 XRPL 서버로 전송하며 서버는 해당 트랜잭션(승인 전)을 처리하기 위해 네트워크 서버들에게 전달합니다. 서버의 종류에는 1. 밸리데이터 서버와 2. 트래킹 서버가 있습니다. 두 서버의 기능은 보통 동일하나, 트래킹 서버가 클라이언트와 통신하고 밸리데이터 서버는 ledger에 기록하는 역할을 중점적으로 수행합니다.

https://xrpl.org/docs/concepts/consensus-protocol/consensus-structure#consensus

RCPA에서의 합의 과정은 크게 합의(Consensus)와 검증(Validation) 두 단계로 나눌 수 있습니다.

합의 단계에서는 네트워크의 서버들이 후보 트랜잭션에 대한 정보를 공유하고, 검증자들이 다음 레저에 포함될 트랜잭션 세트에 대해 합의를 이룹니다. 각 서버는 자신의 신뢰하는 검증자 목록(UNL)의 제안을 평가하며, 이는 네트워크의 일부분을 대표하는 검증자들로 구성됩니다. 합의 과정은 반복적으로 진행되며, 선택된 검증자들의 초다수가 동일한 트랜잭션 세트에 동의할 때까지 계속됩니다.

검증 단계에서는 합의된 트랜잭션 세트를 적용하여 새로운 레저 버전을 계산하고, 그 결과를 네트워크의 다른 참여자들과 비교합니다. 각 서버는 독립적으로 이 과정을 수행하며, 계산된 레저의 해시를 서명된 메시지 형태로 네트워크에 전파합니다. 신뢰하는 검증자들의 초다수가 동일한 검증 해시를 브로드캐스트할 때, 해당 레저 버전이 검증된 것으로 인정됩니다.

이러한 과정을 통해 XRPL은 높은 처리량과 빠른 거래 확정 시간을 달성하면서도, 모든 거래의 정확성과 일관성을 보장합니다. 또한, 네트워크는 트랜잭션 볼륨이나 네트워크 지연에 따라 트랜잭션 비용과 합의 대기 시간을 동적으로 조절하여 시스템의 안정성을 유지합니다.

인센티브가 없는 XRPL 합의 알고리즘

XRPL의 경우, 실제로 밸리데이터들에게 직접적인 금전적 보상을 제공하지 않습니다. 이는 대부분의 다른 블록체인 네트워크와는 다른 접근 방식입니다. 그렇다면 XRPL의 밸리데이터들이 네트워크에 참여하고자 하는 동기는 무엇일까요?

XRPL은 다른 탈중앙화를 추구하는 블록체인들과는 달리 태생부터 국제 금융기관이나 은행들과 상호작용을 위해서 만들어진 체인이기 때문에 국제간 빠른 송금을 구현하는데 목적이 있었습니다. RPCA 컨센서스 알고리즘은 좀 더 중앙화된 네트워크를 통해 거래를 컨트롤하기 쉽고 수 많은 노드들의 검증으로부터 발생하는 시간을 줄여 전통적인 블록체인 시스템과 중앙화된 금융 시스템 사이의 균형을 찾으려는 시도로 볼 수 있습니다. 일반적으로 트랜잭션이 3–5초 내에 확정되어, 비트코인이나 이더리움과 같은 다른 주요 암호화폐에 비해 훨씬 빠른 속도를 보입니다. 덕분에 XRP Ledger는 초당 1,500개 이상의 트랜잭션을 처리할 수 있어, 대규모 금융 거래에 적합한 성능을 보여줍니다.

기관들이 XRPL에서 밸리데이터(Validator)로 참여하는 이유는 여러 가지가 있습니다. 고유 노드 목록(UNL)에 밸리데이터로 등록함으로써 각 기관들은 네트워크의 새로운 기능 및 개발에 관한 투표 결정에 영향력을 행사하는 것을 목표로 합니다. XRPL을 채택함으로써 국제 송금과 결제에서 발생하는 수수료를 절감할 수 있으며, 이를 통해 비용 효율성을 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 블록체인 기술을 활용한 스마트 계약을 활용한 자동화된 금융 서비스등의 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있습니다. 따라서 밸리데이터로서 XRPL의 새로운 기능과 개발 방향에 대한 중요한 의사결정을 할 수 있으며 밸리데이터 간의 전략적 연계의 측면에서 전체 생태계의 발전을 위한 중요한 협력의 기회를 제공받을 수 있습니다.

따라서 XRPL의 밸리데이터들은 주로 금융 기관, 결제 서비스 제공업체, 거래소 등 XRPL을 사용하거나 그 생태계와 이해관계가 맞물려 있는 조직들입니다. 이들에게 네트워크의 안정성과 신뢰성은 자신들의 직접적인 비즈니스 이익과 연결됩니다. 즉, 네트워크의 건강한 운영 자체가 우리가 일반적으로 생각하는 ‘인센티브’의 개념을 넓혀서 작용할 수 있습니다. 네트워크 참여자들의 장기적이고 전략적인 이익을 고려한 모델인 것입니다. 결론적으로, XRPL의 사례는 블록체인 네트워크의 인센티브 구조가 반드시 직접적인 금전적 보상에만 의존할 필요는 없다는 것을 보여줍니다.

또한, 기관들은 밸리데이터로 참여함으로써 블록체인 기술의 발전과 혁신에 직접적으로 기여할 수 있습니다. 이는 기술 리더십을 강화하고 최신 기술 트렌드에 대한 이해를 높이는 데 도움이 됩니다. 오픈소스 개발자들이 자신의 시간과 노력을 투자하는 이유도 한 것 처럼 기술적 도전에 대한 흥미, 커뮤니티에 대한 소속감, 전문성 향상, 명성 획득 등이 그들의 동기가 됩니다. 이러한 (R&D) 기관들은 노드를 유지함으로써 블록체인과 관련된 연구 개발활동을 지속할 수 있으며 이를 통해 새로운 금융 서비스와 제품을 개발하는 기회를 얻을 수 있습니다.

기관의 이미지와 신뢰도 측면에서도 큰 장점이 있습니다. 블록체인 네트워크의 밸리데이터로 참여하는 것은 투명성과 신뢰성을 강조하는 데 도움이 되며, 이는 기관의 신뢰도 높은 이미지를 형성하는 데 기여합니다. 이는 고객과 투자자들에게 긍정적인 영향을 미칩니다.

XRPL 밸리데이터로 참여하는 것은 전력적 측면에서 많은 이점을 제공하며, 참여자들에게도 다양한 기회를 제공합니다. XRPL의 접근 방식은 이러한 더 넓은 의미의 인센티브 구조를 블록체인 네트워크에 적용한 것으로 볼 수 있습니다. 참여자들의 장기적 이익, 네트워크의 가치, 공동체에 대한 기여 등 다양한 요소가 동기부여가 될 수 있습니다.

결론

XRPL의 컨센서스 메커니즘은 전통적인 블록체인 네트워크와는 다른 접근 방식을 보여줍니다. 직접적인 금전적 인센티브 없이도 네트워크가 안정적으로 유지되는 이유는 참여자들의 장기적인 이해관계와 전략적 가치에 있습니다. 금융 기관, 기업, 연구 기관들은 XRPL 생태계에 참여함으로써 얻는 기술적 혁신, 비즈니스 기회, 의사결정 참여권 등의 간접적 이점을 중요하게 여깁니다. 다양한 밸리데이터들의 XRPL 생태계 참여는 기존 금융 시스템과 블록체인 기술 사이의 가교 역할을 합니다. XRPL은 특히 국제 금융 거래와 기업 간 블록체인 솔루션에 적합한 환경을 제공하며, 빠른 거래 속도와 낮은 수수료를 실현 가능합니다.

XRPL의 사례는 블록체인 네트워크의 지속 가능성이 반드시 직접적인 보상 체계에만 의존하지 않을 수 있음을 보여주며, 이는 향후 다양한 블록체인 프로젝트들에게 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것입니다.