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블록체인 아키텍처에서 가장 기본적인 뿌리라고 할 수 있는 레이어1 블록체인은 탈중앙화 애플리케이션(dApp)이 작동할 수 있는 인프라 환경을 제공한다. 지난해 5월 메인넷을 출시한 수이 역시 레이어1 블록체인으로서 인프라 기능을 개선하기 위한 개발 작업을 꾸준히 진행하고 있다. 이더리움(ETH), 솔라나(SOL), 트론(TRX) 등 업계 내 주요 레이어1들과 비교해 수이가 가진 강점은 단연 속도다. 4월 기준 수이는 트랜잭션 완결성 달성 시간을 480ms까지 단축했고, 초당 트랜잭션 수는 최대 29.7만개까지 확장된 것으로 나타났다.

속도와 개발 편의성 등을 강점으로 내세운 수이가 최근 자체 개발 합의 프로토콜 ‘미스티세티’(Mysticeti)를 테스트넷 상에서 출시했다. 이를 토대로 수이만의 강점을 한 단계 더 끌어올리려 한다. 이번 코인니스 오리지널에서는 올 여름 수이 메인넷에 새로 도입될 미스티세티(Mysticeti) 합의 프로토콜에 대해 알아보고자 한다.

1. 미스티세티란?

수이는 자체 개발 프로그래밍 언어인 무브(Move)를 기반으로 보다 빠르고 경량의 블록체인을 구현했다. 수이 블록체인은 나왈(Narwhal)-불샤크(Bullshark) 합의 알고리즘과 단축 경로(fast path)를 결합하고, 소유 객체(owned objects, 소유자가 서명한 트랜잭션에서만 읽기 및 쓰기 가능)와 공유 오브젝트(shared objects, 모든 트랜잭션에서 읽기 및 쓰기 가능)의 처리 작업을 구분하도록 설계됐다. 블록체인이 트랜잭션을 커밋할 때 소유 객체의 경우 단축 경로를 통해 처리되고, 공유 오브젝트는 합의 경로로 향한다. 이러한 메커니즘은 2023년 기준 수이 블록체인의 일평균 5,414 TPS와 6,500만 건의 트랜잭션 처리량을 가능하도록 만들었다.

하지만 블록체인의 진정한 매스어답션(대규모 채택)을 위해서는 웹2 환경과 견줄 수 있는 트랜잭션 처리 속도와 확장성이 필요하다. 이에 수이는 방향성 비순환 그래프(DAG, Direct Acyclic Graph) 기반 비잔틴 장애 허용(BFT, Byzantine Fault Tolerant) 합의 프로토콜인 미스티세티를 도입, 트랜잭션 완결성과 처리까지 걸리는 지연 속도를 웹2 인프라와 견줄 수 있는 수준까지 줄이려 한다.

미스티세티는 시스템에서 지연 시간을 발생시키는 특정 문제점을 해결해 나왈-불샤크 합의 알고리즘을 개선했다. 테스트 결과 광역 네트워크(WAN) 환경에서 미스티세티 프로토콜은 합의에 도달하는 데 500ms, 단일 소유자 트랜잭션의 경우 처리까지 250ms가 소요됐으며, 트랜잭션 처리량도 상대적으로 높은 수준을 유지할 수 있었다. 수이 블록체인에 최적화된 미스티세티는 단일 소유자 오브젝트 트랜잭션, 단축 경로, 공유 오브젝트 트랜잭션을 모두 지원하며, 수이 네트워크의 CPU 비용과 복잡성을 획기적으로 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

2. 미스티세티의 지연 시간 단축 원리

미스티세티는 시스템에서 지연 시간을 발생시키는 특정 문제점을 해결해 나왈-불샤크 합의 알고리즘을 개선했다. 테스트 결과 광역 네트워크(WAN) 환경에서 미스티세티 프로토콜은 합의에 도달하는 데 500ms, 단일 소유자 트랜잭션의 경우 처리까지 250ms가 소요됐으며, 트랜잭션 처리량도 상대적으로 높은 수준을 유지할 수 있었다. 수이 블록체인에 최적화된 미스티세티는 단일 소유자 오브젝트 트랜잭션, 단축 경로, 공유 오브젝트 트랜잭션을 모두 지원하며, 수이 네트워크의 CPU 비용과 복잡성을 획기적으로 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

컨센서스 재설계

(기존 수이 컨센서스 알고리즘과 미스티세티 알고리즘 비교)

나왈, 터스크(Tusk)와 마찬가지로 미스티세티 역시 DAG 기반 컨센서스 알고리즘을 사용한다. 즉 각 밸리데이터가 이전 블록들과 연결되는 트랜잭션이 담긴 블록들을 제안하는 방식이다.

나왈-터스크 합의 알고리즘은 DAG 구조에서 발생할 수 있는 지연 시간을 트랜잭션 처리량과 분리하고 네트워크 및 노드 장애가 발생하더라도 상당한 처리량을 유지할 수 있음을 입증했다. 하지만 나왈-터스크 알고리즘에서도 커밋 지연 시간이 발생했는데, 특정 환경에서는 메타의 디엠(Diem) 프로젝트가 채택했던 졸테온-디토 모델보다 높은 지연 시간을 기록하기도 했다. 하지만 미스티세티는 기존 나왈-터스크가 안고 있는 지연 시간 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

1) 나왈은 블록을 모두와 공유하기 전 매 라운드마다 정족수의 밸리데이터의 서명을 거쳐야 하므로 블록을 개별적으로 인증한다고 볼 수 있다. 이 과정에서 각 라운드가 진행되는 동안 블록에 대해 왕복 1.5회의 지연 시간이 발생한다. 불샤크에서는 커밋에 두 라운드가 소요되므로, 블록을 커밋하려면 총 세 번의 라운드가 필요하다. 대신 미스티세티 밸리데이터는 블록에 서명하고 공유하기만 하면 되기에 한 라운드 동안 각 블록에 대해 절반의 지연 시간을 달성할 수 있다. 이러한 변화로 블록 커밋에 필요한 왕복 검증 횟수가 50% 감소하며, 이는 현존 DAG 기반 합의 알고리즘 중 가장 적은 왕복 횟수다.

2) 나왈-터스크 합의 시스템은 각 밸리데이터의 프라이머리-워커를 구분하며 처리량을 증가시키지만, 이 프로세스로 인해 지연 시간이 늘어날 수 있다. 워커는 헤더(header)에 포함할 해시를 프라이머리와 공유하기 전에 충분한 수의 다른 워커가 블록을 수신했는지 확인해야 한다. 즉 최악의 경우 한 차례의 왕복 횟수가 추가돼 지연 시간을 증가시킨다. 미스티세티는 기존 프라이머리-워커 아키텍처에서 벗어나 프라이머리 블록 내 트랜잭션을 인라인 방식으로 처리해 10만 TPS 이상의 높은 처리량을 지원한다.

3) 백서에 명시된 대로 불샤크와 터스크는 각각 두 개 라운드와 약 3라운드마다 커밋 작업을 완료하며, 리더 블록에 의해 연결된 하위 DAG만 커밋한다. 해당 주기에 맞춰 커밋된 블록 직후에 포함되지 않은 트랜잭션은 최종적으로 처리될 때까지 기존의 두 배에 달하는 라운드를 기다리거나, 다음 리더 블록에도 연결되지 않으면 지연 시간은 그만큼 늘어난다. 하지만 미스티세티의 새로운 커밋 규칙은 매 라운드마다 다수의 리더를 지정해 낙오된 트랜잭션이 보다 일찍 커밋될 수 있도록 지원한다. 이는 트랜잭션 커밋 지연 시간을 줄이는 데 미스티세티가 가진 가장 큰 강점이라고 할 수 있다.

(미스티세티 적용 후 컨센서스 달성 지연시간 단축 예시)

위와 같은 변화의 결과로 미스티세티는 광역 네트워크(WAN) 테스트 환경에서 약 500ms로 환산되는 3회의 메시지 지연 시간 내에 커밋을 달성했다. 상대적으로 낮은 지연 시간을 유지하며 50,000 TPS 이상의 처리량을 유지할 수 있으며, 약 1초의 지연 시간 기준 100,000 TPS 이상의 처리량을 보장한다. 장애 허용성, 검열 저항성, 체인 퀄리티, 높은 처리량, 밸리데이터 전반의 네트워크 리소스 최적화 등 DAG 기반 합의 프로토콜의 장점도 그대로 유지할 수 있다.

(미스티세티 적용 후 트랜잭션 처리 방식)

또한 수이 블록체인이 소유 오브젝트 트랜잭션에 적용하는 '단축 경로'는 이상적인 시나리오에서 두 번의 왕복 검증 후 트랜잭션 완결성을 달성하며, 이는 WAN 환경에서 약 250ms를 소요한다. 이 같은 장점을 유지하기 위해 미스티세티도 단축 경로를 사용한다. 즉 밸리데이터는 소유 오브젝트 트랜잭션을 포함해 검증 작업을 진행하고, 다른 검증자는 추가 서명 없이 미스티세티 DAG를 통해 트랜잭션 완결성에 투표할 수 있다. 블록 내에서 트랜잭션을 인라인 처리하는 방식으로 이러한 프로세스가 구현된다. 결과적으로 미스티세티 합의 알고리즘은 대량의 서명 생성 및 검증 없이 트랜잭션을 검증할 수 있으며, 동일한 CPU 환경에서 5~10배 빠른 단축 경로 트랜잭션을 처리할 수 있다.

3. 마치며

블록체인 기술에는 트릴레마(Trilemma)가 존재한다. 블록체인의 핵심 가치이기도 한 탈중앙화(Decentralization), 보안성(Security), 확장성(Scalability) 등 세 가지 방면을 동시에 커버할 수 없다. 즉 해당 세 가지 문제 중 두 가지를 동시에 해결할 수 있다면, 반드시 한 가지 요소는 포기해야 한다는 의미다.

수이는 블록체인 트릴레마를 해결하는 동시에 웹2 인프라에 버금가는 속도를 구현하기 위해 DAG 기반 합의 알고리즘을 채택하고 있다. 또 이를 개선한 프로토콜인 미스티세티를 통해 이러한 비전을 이어가고자 한다.

현재 미스티세티는 테스트넷에서 전방위적인 검증을 거치고 있으며, 데이터를 통해 뚜렷한 성과와 가능성을 증명해가고 있는 과정이다. 올 여름 메인넷 적용이 예정된 미스티세티의 데뷔가 수이 블록체인의 포지션을 레이어1 다크호스에서 기술 혁신의 진정한 선구자로 끌어올릴 수 있을지 귀추가 주목된다.