요약

암호화폐 스테이킹이 주요 투자 수단으로 부상하면서, 다수의 암호화폐 거래소가 스테이킹 서비스를 제공하기 시작했습니다. 다양한 지분증명(Proof of Stake, PoS) 기반 암호화폐 중에서도 이더리움은 특히 주목받는 투자 대상으로 자리잡았습니다.

그러나 이더리움의 복잡한 아키텍처로 인해, 거래소들은 안전하고 효율적인 스테이킹 시스템 구축 및 운영에 있어 여러 난관에 직면해 있습니다. 본 연구에서는 이더리움의 솔로 스테이킹 메커니즘을 분석하고, 거래소가 직면하는 네 가지 주요 과제를 도출했습니다: 지갑 아키텍처 설계, 검증자 키 보안 관리, 안정적인 검증자 노드 운영, 그리고 수익성 확보입니다.

이러한 과제들에 대한 해결책으로, 고객 자산 보호를 위한 다층 지갑 아키텍처 구현과 클라우드 플랫폼 기반의 검증자 노드 운영 방안을 제시합니다. 제안된 방법론 중 일부를 클라우드 환경에서 구현하여 홀스키(Holesky) 테스트넷을 통해 안정적인 운영이 가능함을 검증했습니다. 아울러 향후 추가 연구가 필요한 과제들을 식별하고, 이에 대한 연구 방향을 제시합니다.

1. 서론

암호화폐 스테이킹은 2017년경 지분증명(Proof of Stake, PoS) 기반 암호화폐의 등장과 함께, 보유 코인을 통한 수익 창출 방식으로 암호화폐 커뮤니티에서 처음 주목받기 시작했습니다.

이제는 하드웨어 지갑을 비롯한 다양한 수단을 통해 일반 투자자들도 쉽게 참여할 수 있게 되었으며, 주요 암호화폐 거래소들이 금융 서비스의 일환으로 스테이킹을 제공하면서 투자자들에게 새로운 수익 창출 기회로 자리잡았습니다.

거래소 역시 이를 통해 수익을 얻을 수 있는데, 관할권과 보유 라이선스에 따라 다음과 같은 서비스 구조를 채택할 수 있습니다. 고객의 위험 노출도를 기준으로 정리하면 다음과 같습니다:

1. 커스터디(Custody): 은행의 저축 계좌와 유사한 형태로, 거래소가 고객 자산을 안전하게 보관하며 비교적 낮은 이율을 제공합니다. 원금이 보장되는 것이 특징입니다.
2. 대출(Lending): 고객이 사전 약정된 이율로 거래소에 암호화폐를 대여합니다. 보관 계약 대비 높은 이율을 제공하는 것이 일반적이며, 거래소는 해당 자산을 자유롭게 운용할 수 있으나 만기 시점에 이자와 함께 원금을 반환해야 합니다.
3. 투자(Investment): 거래소가 고객을 대신해 자산을 투자하고 관리 수수료를 수취합니다. 높은 수익 가능성과 함께 원금 손실 위험도 존재하며, 금융 기관들은 대체로 고객 자산을 활용한 고위험 재투자에 대해 규제를 받거나 제한됩니다.

암호화폐 스테이킹은 디파이i(Decentralized Finance) 생태계의 토큰 스왑이나 대출 서비스에 비해 상대적으로 안정적인 투자 방식으로 인식되어 주목받고 있습니다. 예를 들어, 거래소들은 테조스(Tezos), 아발란체(Avalanche), 솔라나(Solana)에서 스테이킹을 통해 블록 생성 보상을 얻을 수 있습니다.

특히 이더리움은 비트코인에 이어 시가총액 2위를 기록하고 있는 대표적인 지분증명 암호화폐입니다. 다만 스테이킹된 이더리움의 고정 기간 잠금과 페널티 발생 가능성, 자산 손실 위험 등으로 인해 거래소들은 다음과 같은 핵심 요구사항들을 고려해야 합니다:

• 암호화 키 관리를 포함한 고객 자산의 안전한 스테이킹 운영
• 고객 출금 요청에 즉각 대응하기 위한 유동성 관리 및 예비 이더리움 물량 조절 능력
• 수익성 확보 및 고객 유치를 위한 경쟁력 있는 수익률 달성

이러한 목표 달성을 위해서는 거래소들이 이더리움의 합의 메커니즘, 암호화 키 관리, 지갑 아키텍처에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 이와 관련된 선행 연구가 부족한 점에 주목하여, 본 연구에서는 각 주제에 대한 포괄적인 분석과 함께 최적의 아키텍처를 제안하고 심도 있는 통찰을 제공하고자 합니다.

본 연구의 주요 기여는 다음과 같습니다:

• 이더리움 스테이킹의 핵심 과제들을 체계적으로 분석하고 기존 연구의 간극을 보완
• 이더리움 스테이킹의 안정성과 효율성 향상을 위한 실용적 기술 솔루션 제시
• 테스트넷 기반의 실험 및 성능 평가를 통한 실증적 검증
• 새로운 미해결 과제 발굴 및 후속 연구 방향 제시

본 논문의 구성은 다음과 같습니다:

2장에서는 현재의 이더리움에 이르기까지 발전해 온 합의 알고리즘의 연구 및 개발 과정을 검토합니다.

3장에서는 후속 논의의 토대가 되는 이더리움 아키텍처와 스테이킹의 기본 개념을 설명합니다.

4장에서는 거래소들이 스테이킹 운영 과정에서 직면할 수 있는 주요 과제들을 식별하고, 5장에서는 이에 대한 기술적 해결 방안을 제시합니다.

6장에서는 Holesky 테스트넷에서 진행한 실험 환경과 성능 평가 결과를 소개하며, 7장에서는 실험 과정에서 새롭게 발견된 문제점들을 논의합니다.

마지막 8장에서는 본 연구의 제안 내용을 종합하고, 실험을 통해 도출된 주요 시사점을 정리하며, 효율적인 스테이킹 구현을 위한 향후 연구 과제를 제시합니다.

2. 관련 연구

암호화폐 거래는 블록체인에 기록되는 것이 일반적입니다. 특히 무허가(permissionless) 블록체인에서는 네트워크 참여자들 간의 거래 블록 추가에 대한 합의가 필수적입니다. Bano et al.은 다양한 합의 알고리즘에 대한 포괄적인 분석을 제시했습니다. 투표 방식이 합의 도출의 간단한 해결책으로 보일 수 있으나, 허가 없는 환경에서는 Sybil 공격에 취약하다는 한계가 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 비트코인을 비롯한 여러 암호화폐들은 작업증명(Proof of Work, PoW) 메커니즘을 도입했습니다. 이 방식에서는 채굴자(miner)라 불리는 네트워크 참여자들이 컴퓨팅 자원을 활용해 블록체인 유지를 위한 경쟁을 수행합니다.

연산 퍼즐을 통한 검증 방식을 사용하는 이 아키텍처는 해시캐시에서 그 기원을 찾을 수 있습니다. 그러나 PoW 블록체인은 전체 해시파워의 51% 이상을 보유한 주체에 의한 이기적 채굴과 같은 보안 위험성과 높은 에너지 소비로 인한 환경 문제 등 여러 한계점이 지적되고 있습니다.

이러한 과제들에도 불구하고 PoW는 여전히 비트코인을 비롯한 다수의 암호화폐에서 활용되고 있으며, 지속적인 연구가 이루어지고 있습니다.

지분증명(Proof of Stake)은 작업증명(Proof of Work)의 대안으로 오랫동안 주목받아 왔습니다. 초기 지분증명 알고리즘은 참여자가 보유한 암호화폐의 수량, 즉 지분을 기준으로 작업증명 연산 퍼즐의 난이도를 조정하는 방식을 채택했습니다.

이후 발전된 지분증명 알고리즘은 블록 생성 권한의 효율적 분배를 통해 컴퓨팅 파워 기반의 경쟁을 완전히 제거함으로써, 더욱 친환경적인 합의 메커니즘을 실현했습니다.

그러나 일부 지분증명 알고리즘은 무위험(nothing-at-stake) 문제로 인한 체인 분기와 초기 블록에서 발생하는 장거리 공격(long-range attack) 등의 취약점을 보였습니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 엉클 블록(uncle block), 슬래싱(slashing), 체크포인트(checkpoint) 등 다양한 보완책이 제시되었습니다.

한편 무허가(permissionless) 블록체인과 달리, 허가형(permissioned) 블록체인은 사전에 정의된 참여자들에게만 투표권을 부여하면 되므로, 팩소스(Paxos), 실용적 비잔틴 장애 허용(PBFT) 등 검증된 합의 알고리즘을 활용할 수 있었습니다. 이는 텐더민트(Tendermint), 허니배저BFT(HoneyBadgerBFT) 등 다양한 프로토콜로 발전되었습니다.

이더리움은 '더 머지(The Merge)'라는 과정을 통해 작업증명(Proof of Work)에서 지분증명(Proof of Stake)으로 전환된 대표적인 암호화폐입니다. 이는 이더리움의 확장성 문제를 해결하기 위한 핵심 전환점이었으며, 현재는 예치 계약(deposit contract)이라는 특수 스마트 컨트랙트를 통해 스테이킹 참여가 이루어지고 있습니다. Park et al.은 이 예치 계약에 대한 형식 검증을 수행했습니다.

머지 이후 지분증명 이더리움에서는 채굴을 대체하는 새로운 보상 체계가 도입되었습니다. 특히 블록 제안자가 획득할 수 있는 주요 보상 중 하나인 채굴자 추출 가능 가치(Miner Extractable Value, MEV)는 지속적인 연구 대상이 되어왔습니다.

Buterin et al.은 차익거래를 노린 샌드위치 공격과 같은 악의적 착취를 방지하기 위해 프로포저-빌더 분리(Proposer-Builder Separation, PBS) 개념을 제시했습니다.

현재는 스테이킹 생태계에 중대한 영향을 미칠 것으로 예상되는 EIP-7251을 비롯해, 다양한 프로토콜 개선안들이 이더리움 개선 제안(Ethereum Improvement Proposals, EIP)을 통해 논의되고 있습니다.

3. 이더리움 스테이킹 배경

그림 1은 2024년 기준 이더리움의 기본 아키텍처를 보여줍니다. 이더리움은 그 발전 과정에서 형성된 두 개의 상호 연계된 하위 시스템으로 구성됩니다:

• 합의 계층(Consensus Layer, CL)은 참여자들 간 투표를 통해 거래 기록을 확정하고 체크포인트를 생성하는 역할을 수행합니다.
• 실행 계층(Execution Layer, EL)은 이더 전송과 스마트 컨트랙트 실행을 위한 거래를 처리하며, 최신 블록까지의 상태를 유지합니다.

이더리움의 이론적 토대는 가스퍼(Gasper)라는 지분증명 합의 알고리즘에 기반하고 있습니다. 이는 최신 메시지 기반(Latest Message Driven, LMD) GHOST 체인 선택 규칙과 Casper FFG를 결합한 방식입니다.

합의 계층의 참여자인 검증자들은 에포크 단위로 구성됩니다. 하나의 에포크는 12초 간격으로 발생하는 32개의 슬롯으로 구성된 시간 단위입니다. 검증자 집합은 활성화 및 종료 대기열을 통해 지속적으로 갱신됩니다. 검증자들은 스테이킹을 통해 다음 두 가지 주요 역할을 수행하며 보상을 얻을 수 있습니다:

• 지정된 슬롯에 새로운 실행 계층 블록을 제안
• 할당받은 슬롯의 제안 블록에 대한 검증 수행

검증자가 투표 의무를 이행하지 못할 경우, 보상 대신 검증 실패(attestation failure)에 따른 페널티가 부과됩니다. 또한 합의 과정의 건전성을 보장하기 위해, 이중 블록 제안이나 이중 투표와 같은 행위는 내부고발자에 의해 적발될 경우 슬래싱(slashing)이라는 퇴출 페널티가 적용됩니다.

대규모 네트워크 장애로 인한 체인 분리가 발생할 경우, 합의 계층에서는 비활성 노드의 지분이 비활성 유출(inactivity leak) 페널티에 의해 자동으로 감소하며, 결과적으로 해당 검증자는 집합에서 제외됩니다.

이러한 설계는 CAP 정리의 관점에서 분할 내성보다 가용성을 우선하는 방식이며, Pavloff et al.의 분석에 따르면 이로 인해 체인의 보안성이 일부 타협되는 특성을 보입니다.

종합하면, 페널티는 다음 세 가지 유형으로 구분됩니다:

• 검증 실패 또는 부정확한 투표에 대한 경미한 페널티
• 다중 제안이나 투표와 같은 프로토콜 위반 행위에 대한 중대 페널티 및 슬래싱(slashing)
• 네트워크 분할 상황에서 발생하는 비활성 유출(inactivity leak)

그림 2는 검증자에게 필요한 최소한의 소프트웨어 구성을 보여줍니다. 합의 계층은 계정 식별을 위해 BLS 암호화 방식을 사용하며, 운영자는 각 검증자별로 고유한 BLS 키 쌍(pk, sk)을 생성해야 합니다.

검증자가 활성화되어 검증자 집합에 포함되기 위해서는, 운영자가 32 ETH를 실행 계층의 보상 수신 주소(a2)와 함께 전송하는 거래를 발행하고, 그림 3과 같이 검증자의 공개 키(pk)와 서명을 제공해야 합니다.

검증자가 모든 지분을 회수하고 출금하려면, 합의 계층의 검증자가 자신의 키(sk)로 서명한 자발적 종료 메시지를 네트워크에 전파해야 합니다. 이 메시지가 처리되면 검증자는 종료 대기열에 진입하게 됩니다. 슬래싱 위반 후 즉각적인 종료를 방지하기 위한 프로토콜 설계에 따라, 잔액은 최소 256 에포크의 대기 기간이 지난 후에야 보상 수신 주소(a2)로 이체됩니다.

4. 거래소의 과제들

본 연구의 첫 번째 기여로서, 암호화폐 거래소들이 직면하는 주요 과제들을 다음과 같이 도출했습니다:

과제 1: 자산 유동성 부족

거래소는 고객의 출금 요청에 대응하기 위해 적정 수준의 미스테이킹 이더를 보유해야 합니다. 앞서 설명한 바와 같이, 거래소가 자발적 종료를 통해 언스테이킹을 실행할 경우 자금 해제까지 최소 27시간이 소요될 수 있습니다. 스테이킹된 이더의 즉각적인 고객 환불이 불가능하므로, 거래소는 일정 수준의 준비금을 항시 유지해야 하는 상황에 직면합니다.

과제 2: 검증자 키 보안 위험

합의 계층의 모든 메시지는 검증자 키로 서명되어야 합니다. 검증자 키와 관련된 보안 위험은 유출과 분실이라는 두 가지 유형으로 구분되며, 거래소는 특히 키 분실 방지에 중점을 두고 검증자 키를 안전하게 관리해야 합니다. 이와 관련된 잠재적 결과는 다음과 같습니다:

• 키 유출: 악의적 공격자가 탈취한 키를 이용해 의도적으로 검증자의 슬래싱을 유발할 수 있습니다.
• 키 분실: 검증자가 검증 의무 수행과 언스테이킹이 모두 불가능한 상황에 직면할 수 있습니다.

키 유출은 그림 2에 제시된 소프트웨어의 취약점이나 백도어, 또는 운영자의 부정행위로 인해 발생할 수 있습니다. 악의적 공격자는 유출된 키로 이중 투표를 시도할 수 있으며, 이는 슬래싱으로 이어져 1 ETH의 예치금이 차감되고 잔여 자금이 수주간 동결됩니다.

키 분실은 장비 고장이나 운영 오류 등으로 발생할 수 있으며, 이 경우 검증자는 합의 계층에서 어떠한 메시지도 서명할 수 없게 됩니다. 최악의 경우, 종료 절차 자체가 불가능해질 수 있습니다. 검증자는 페널티로 인해 잔액이 16 ETH 미만으로 떨어지면 합의 계층에서 강제 퇴출되나, 단순 검증 실패만으로는 이러한 상황에 도달하기까지 수십 년이 소요될 수 있습니다.

이러한 두 가지 유형의 위험은 암호화 키의 고유한 특성에서 기인하는 것으로 잘 알려져 있습니다. Blakley가 지적한 바와 같이, 이에 대한 대응책인 '엄격한 보호'와 '중복성'은 때로 상충관계를 보입니다. 우리의 선행 연구에서는 거래소의 키 관리에 관한 포괄적인 위험 분석을 제시한 바 있습니다.

과제 3: 검증자 안정적 운영

거래소는 검증자 노드를 최소한의 중단 없이 안전하고 안정적으로 운영해야 합니다. 이더리움 프로토콜은 하드 포크를 통해 정기적으로 업그레이드되며, 이때마다 검증자, 합의 계층, 실행 계층 클라이언트의 사전 업데이트가 필요합니다. 또한 기반 시스템의 보안 취약점도 지속적으로 관리되어야 합니다.

검증자가 운영 중단을 겪으면 에포크마다 투표 실패에 대한 페널티가 부과되어, 384초마다 약 7,000 gwei의 손실이 발생합니다. 또한 유지보수 과정에서 검증자 키가 실수로 여러 시스템에서 동시에 사용될 경우, 이중 투표로 인한 슬래싱이 발생할 위험이 있습니다.

과제 4: 수익 증대

거래소들은 스테이킹을 통한 수익 최대화를 추구하지만, 다음과 같은 수익성 저해 요인들에 직면할 수 있습니다:

• 검증자의 비효율적인 투표 전파로 인해 보상이 감소하거나 페널티가 부과될 수 있습니다.
• 메모리 풀 내 수익성 있는 거래의 부재로 블록 제안 시 수수료 수입이 감소할 수 있습니다.
• 운영 비용이 수익을 상회할 수 있으며, 예치금 납입 후 실제 수익 창출까지는 활성화 대기열에서 일정 기간을 소요해야 합니다.

5. 제안된 기술들

본 연구의 핵심 기여로서, 앞서 제시한 과제들을 해결하거나 완화하기 위한 일련의 기술적 방안들을 제안합니다.

5.1. 지갑 관리

과제 1에서 언급한 스테이킹 중인 고객 자산의 유동성 제약 문제를 해결하기 위해, 그림 4와 같은 거래소용 지갑 구성을 제안합니다. 거래소들은 보안 강화를 위해 일반적으로 콜드 월렛을 활용하고 있습니다.

본 제안에서는 스테이킹 작업을 콜드 월렛에서 수행하며, 발생하는 보상 역시 콜드 월렛으로 귀속시킵니다. 또한 유동성 확보를 위해 거래소는 유동성 공급자(Liquidity Provider, LP)를 활용할 필요가 있습니다.

고객 예치금 총액을 X ETH로 가정할 때, 핫 월렛과 콜드 월렛의 최적 잔액 설정을 위해 거래소는 다음과 같은 매개변수들을 고려해야 합니다:

그림 5는 phot = 0.1과 pstake = 0.75인 경우의 지갑 할당 예시를 보여줍니다. 우스트호크(Oosthoek) 등이 조사한 바와 같이 핫 월렛과 관련된 보안 사고들이 있어왔으며, 보안을 강화하기 위해서는 phot를 낮게 유지하는 것이 바람직합니다. 일부 관할권에서는 최대 한도를 설정하게 됩니다.

수익성을 높이기 위해서는 pstake를 가능한 한 크게 설정하는 것이 바람직하지만, 언스테이킹 없이 출금 가능한 최대 금액은 X(1 - pstake) ETH로 제한됩니다. 실제로는 pstake를 일반적인 추세에서 T 기간 내 고객 출금 총액의 평균을 기반으로 결정해야 합니다.

T의 선택은 운영 비용, 거래 수수료, 회계의 용이성, 비즈니스 요구사항과 같은 요소들을 고려해야 합니다. 실제 운영에서는 T = 24시간이 현실적이라고 판단됩니다.

급격한 시장 변동 상황에서 대규모 고객 출금으로 인해 핫 월렛과 콜드 월렛이 모두 고갈되는 비상 상황이 발생할 경우, 거래소는 유동성 공급자(Liquidity Provider, LP)를 통한 추가 이더 수급이 불가피합니다.

5.2. 보안 소프트웨어와 유틸리티

과제 2에서 언급했듯이, 검증자 운영의 연속성 확보를 위해서는 검증자 키의 안전한 관리와 운용이 핵심입니다. 이러한 과제들에 대한 포괄적 해결책으로서, 스테이킹용 시스템 아키텍처 구축 시 다음과 같은 보안 조치들의 도입을 제안합니다:

• 소프트웨어 감사 보고서 검토 및 개발자·사용자 커뮤니티 활동성 평가
• 디지털 서명 검증을 통한 소프트웨어 무결성 확인
• 의존성 패키지의 취약점 점검 및 고위험 CVSS 사례 조사
• 핵심 도구의 소스 코드 정밀 검사 및 필요시 자체 빌드 수행

합의 계층과 실행 계층의 코드베이스는 일반적으로 방대하며 온라인 환경에서 운영되므로, 거래소는 네트워크와 전체 시스템 스택에 대해 심층 방어 전략 기반의 보안 체계를 구축해야 합니다.

또한 서명 위반을 방지하기 위해 슬래싱 보호 등 추가 안전장치의 도입이 권장됩니다. 이러한 도구들은 노드 이전이나 장애 복구 상황에서도 안정적인 보호를 제공할 수 있도록 적절히 구성되고 활성화되어야 합니다.

5.3. 클라우드 환경 활용

과제 2에서 4까지의 해결방안으로 클라우드 기반의 검증자 운영을 제안합니다. 이는 운영 자동화를 통한 비용 절감 효과뿐만 아니라 다음과 같은 세 가지 주요 이점을 제공합니다:

• 안전한 검증자 키 관리: 대부분의 클라우드 서비스 제공자들은 중요 정보를 바이너리 객체 형태로 안전하게 보관할 수 있는 시크릿 매니저 서비스를 제공하며, 일부는 지리적 중복 저장도 지원합니다. 거래소는 이러한 시크릿 매니저에 BLS 키 쌍을 보관함으로써 자연재해나 장비 고장으로 인한 키 분실 위험을 방지할 수 있습니다.
• 간소화된 노드 재구성: 가스퍼의 체크포인트 기능을 통해 노드들은 수 시간 내에 최신 상태 동기화가 가능합니다. 따라서 노드 장애 발생 시에도 키가 안전하게 보관되어 있다면, 운영자는 클라우드 환경에서 신규 노드를 신속하게 구축하여 검증자를 재가동할 수 있습니다. 또한 이는 특정 소프트웨어 장애를 회피할 수 있는 다양한 유형의 노드 구성을 가능하게 합니다. 일반적으로 네트워크 시스템에서 클라이언트 다양성 확보는 전체 시스템의 복원력 향상에 기여하며, 이는 이더리움 네트워크에도 동일하게 적용됩니다.
• 빠르고 안정적인 네트워크: 통신 안정성은 과제 4 해결에 있어 핵심 요소입니다. 보상 최대화를 위해서는 검증자의 투표와 제안이 인접 검증자들에게 신속하게 전달되어야 합니다. 클라우드 기반 검증자 운영을 통해 거래소는 고성능 네트워크 인프라의 이점을 활용할 수 있습니다.

5.4. MEV 부스팅

거래소와 같은 대규모 노드 운영자들에게는 블록 제안을 통한 수익 증대가 핵심 과제입니다. 3장에서 언급한 바와 같이, MEV를 통한 블록 내 거래 최적화로 스테이킹 수익을 향상시킬 수 있습니다.

MEV-부스트는 프로토콜 외 PBS를 지원하며 블록 제안 시 검증자 클라이언트와 연동되는 소프트웨어입니다. 다만 MEV-부스트 장애에 대비하여, 검증자 클라이언트가 합의 계층 클라이언트로부터 블록 제안을 받을 수 있는 대체 경로를 항상 유지하는 것이 중요합니다.

5.5. 스테이킹 풀 활용

스테이킹 풀은 사용자들의 소액 예치금을 모아 집단 스테이킹을 수행하는 디파이(DeFi) 플랫폼입니다. 거래소가 스테이킹 풀을 활용할 경우, 일반 스테이킹(솔로 스테이킹)에서 요구되는 32 ETH 단위의 고정 예치 대신, 더 적은 금액으로도 유연한 스테이킹 운영이 가능하다는 장점이 있습니다.

많은 스테이킹 풀은 예치금에 대한 대가로 유동 스테이킹 파생상품(Liquid Staking Derivatives, LSD)이라는 ERC-20 토큰을 발행합니다. 이 LSD 토큰은 별도의 투자 담보로 활용될 수 있는 가치를 지닙니다.

이러한 LSD를 활용한 재투자 방식을 리스테이킹(restaking)이라 하며, 이는 디파이(DeFi) 생태계의 새로운 트렌드로 떠오르고 있습니다. 다만 LSD를 통한 재투자는 시스템 전반의 위험도를 크게 증가시킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

6. 실험 및 평가

5.3절에서 제안한 기술의 효과를 검증하기 위해 홀스키(Holesky) 테스트넷에서 실험을 진행했습니다.

6.1. 설정

마이크로소프트 애저(Microsoft Azure) 클라우드의 미국 동부 리전에 D4as_v5 클래스(4 vCPU, 16 GiB 메모리) 가상 머신 2대를 각각 512 GiB SSD와 함께 구축했습니다(VM1, VM2).

그림 6은 상세 아키텍처를 보여줍니다. 성능 비교를 위해 VM1에는 4개, VM2에는 16개의 검증자 키를 설정했습니다.

보안 확보를 위해 다음과 같은 설정 작업을 수행했습니다:

• 스테이킹 예치 CLI의 코드 검사를 통한 난수 생성기 적정성 확인
• 시드 니모닉으로부터 키 생성 후 5.2절에 따른 키 볼트 업로드
• Web3Signer와 PostgreSQL 백엔드를 활용한 합의 계층 메시지 서명 및 슬래싱 방지 체계 구축

프로젝트 제약으로 인해 고객 예치금 시뮬레이션, 지갑 구성, MEV-부스트, 스테이킹 풀 관련 실험은 제외되었습니다.

6.2. 결과 및 평가

VM 리소스 사용량

표 1은 수집된 VM 메트릭을 요약하여 보여줍니다. VM1과 VM2 간 리소스 사용량에 유의미한 차이가 발견되지 않았으며, 이는 해당 아키텍처가 검증자 수와 무관하게 확장 가능함을 시사합니다.

결과를 상세히 살펴보면, CPU 활용도는 특정 패턴 없이 전체 실험 기간 동안 안정적으로 유지되었습니다. 실행 계층 클라이언트, 합의 계층 클라이언트, 검증자들의 활동이 CPU 사용량에 미치는 영향은 미미했습니다.

스토리지 측면에서는, 실행 계층 클라이언트가 초기 구동 시 전체 블록체인 데이터(약 80 GiB)를 동기화했으며, 이후 실행 계층과 합의 계층 클라이언트 모두 지속적인 스토리지 사용량 증가를 보였습니다. 또한 실험 전반에 걸쳐 스토리지 IO와 네트워크 대역폭이 일정한 수준으로 유지되었습니다.

이러한 메트릭 분석을 토대로, 클라우드 환경에서의 솔로 스테이킹은 검증자나 BLS 키 수에 관계없이 0.5 vCPU와 16 GiB 메모리를 갖춘 표준급 VM으로 충분한 것으로 판단됩니다. 단, 메인넷 실행 계층의 블록체인 데이터 규모를 고려할 때 운영 초기부터 1 TiB 이상의 스토리지가 필요할 것으로 예상됩니다.

노드 마이그레이션 및 업데이트

유지보수 시나리오 검증을 위해 1주일간의 실험 기간 중 두 VM에 대한 재부팅을 실시했습니다. 진행 절차는 다음과 같습니다: (1) OS 소프트웨어 업데이트, (2) 노드 클라이언트 종료, (3) VM 재부팅, (4) 소프트웨어 순차적 재시작. 모든 절차는 양쪽 VM에서 8분 이내에 완료되었습니다.

각 검증자는 최대 2회의 검증 실패 후 정상 운영을 재개했으며, 일부 검증자는 실패 없이 복구되었습니다. 실행 계층과 합의 계층 클라이언트는 재부팅 후 약 1분 내에 최신 상태 동기화를 완료했습니다.

5.3절의 노드 재구성 시나리오 검증을 위해 검증자들을 서유럽 리전으로 마이그레이션하는 실험을 진행했습니다. 절차는 다음과 같습니다: (1) 신규 VM을 구동하여 기존 VM 운영 중에 실행/합의 계층 클라이언트 동기화 완료, (2) 기존 검증자 운영 중단, (3) 이중 투표 방지를 위해 최소 1 에포크 대기 후 신규 VM에서 서명 재개.

실험 결과, 최대 2회의 검증 실패는 발생했으나 슬래싱 위반은 관찰되지 않았습니다. 이는 노드 운영자가 단기 중단 후 신속한 검증자 운영 복구가 가능하며, 장기 중단 시에도 신규 VM을 통해 최근 체크포인트와의 동기화가 가능함을 입증합니다.

수익성 분석 결과, 인프라 운영에 일일 11.0 USD의 비용이 소요되었으며, 검증자당 일평균 0.00146 ETH의 수익이 발생했습니다. 검증 성공률은 약 99%를 기록했으며, 각 검증자는 하루 평균 1.3회의 검증을 누락했습니다.

2024년 6월 기준, 메인넷의 검증자 수는 100만 개로 테스트넷의 150만 개 대비 적어, 메인넷에서 약 1.5배 높은 보상이 예상됩니다.

이번 실험에서는 실험 참여 검증자들에게 제안자 역할이 할당되지 않았습니다. 현재 메인넷의 제안자 보상은 약 0.0440 ETH이며, 검증자들이 12초마다 동일한 확률로 슬롯을 배정받는다고 가정할 때 연간 약 2.6회의 보상 기회가 있을 것으로 예상됩니다.

메인넷의 비용 및 예상 수익은 표 2에 정리되어 있으며, 다음 변수들을 기준으로 산출했습니다:

• VM당 일일 운영 비용: x USD
• 검증자당 일일 스테이킹 보상: y ETH
• ETH/USD 환율: z
• VM당 검증자 수: n

이를 통해 연간 수익률 A는 다음과 같이 계산됩니다:

표 2의 x, y 값과 VM당 검증자 수 n=16, ETH 시세 3,300 USD를 적용할 때, 예상 연간 수익률은 약 2.84%입니다. 단, MEV-부스트가 적절히 구현되면 이보다 높은 수익률 달성이 가능할 것으로 예상됩니다.

보안 및 운영 시사점

클라우드 인프라가 제공하는 네트워크 보안, 세분화된 접근 제어, 감사 로그 등의 보안 기능을 활용하여 아키텍처를 효율적으로 구축할 수 있었습니다. 다만 키 볼트와 같은 특정 서비스와의 통합을 위해서는 맞춤형 스크립트나 설정이 필요했으며, 이는 다른 플랫폼이나 온프레미스 환경으로의 이식성을 제한하는 요인이 될 수 있습니다.

운영 측면에서는 시스템 복원력 확보를 위한 지리적 분산과 멀티 클라우드 전략의 중요성을 확인했습니다. 특히 저비용 VM 인스턴스 사용 시 자동 제한이나 강제 종료로 인한 검증 작업 중단 가능성이 있음을 파악했습니다.

또한 데이터센터의 전면적 장애나 재해 발생 시 암호화 키 손실 위험이 존재함을 인지했습니다. 이러한 발견들은 수익성과 안정적인 인프라 유지 비용 간의 균형점 확보가 중요함을 시사합니다.

7. 미해결 과제

실험을 통해 향후 개선이 필요한 다음과 같은 과제들을 도출했습니다.

검증 실패 감소

검증자들이 전반적으로 안정적인 운영을 보였음에도, 로그나 네트워크 활동상의 특이점 없이 간헐적인 검증 실패가 발생했습니다. 본 연구에서는 정확한 원인 규명에는 이르지 못했으나, 2024년 6월 30일 기준 활성 검증자들의 오프라인 비율을 분석한 결과, 이는 이웃 합의 계층 노드들의 연결성이나 성능 문제에서 기인했을 것으로 추정됩니다:

• 테스트넷: 8.3% (전체 1,518,332 중 126,003 오프라인)
• 메인넷: 0.2% (전체 1,027,448 중 2,339 오프라인)

궁극적으로는 메인넷 대상으로 정식 테스트가 필요하나, 테스트넷 환경에서도 합의 계층 클라이언트 수를 증가시키면 검증 전파 성능이 개선될 것으로 예상됩니다. 이를 검증하기 위해 시뮬레이션을 통한 합의 계층 가십 프로토콜 연구 및 네트워크 안정성에 따른 성능 비교 분석을 계획하고 있습니다.

다른 인프라 옵션과의 비교

본 연구에서는 검증자 운영을 위한 클라우드 환경으로 애저(Azure)를 선택했습니다. 이는 검증자 키의 보안 강화와 안정적인 네트워크 및 컴퓨팅 인프라를 경제적으로 활용하기 위한 결정이었습니다. 하지만 거래소들은 다음과 같은 요소들을 추가로 고려할 필요가 있습니다:

• 시스템 이식성 확보를 위해 특정 클라우드 서비스에 대한 과도한 의존도 방지
• 검증자 수 증가에 따른 온프레미스 운영의 비용 효율성 검토

이러한 맥락에서 다양한 클라우드 사업자들의 서비스를 비교 검토할 필요가 있습니다. 예를 들어, GCP(Google Cloud Platform)는 합의 계층과 실행 계층 클라이언트 운영을 모두 지원하는 블록체인 노드 전용 컴퓨팅 상품을 제공하고 있습니다.

따라서 거래소들은 비용 효율성, 보안성, 안정성, 장애 허용성 등을 종합적으로 평가하여 최적의 인프라 구성을 선택해야 할 것입니다.

AWS는 보안 엔클레이브 기능이 탑재된 VM 인스턴스를 통해 기밀 컴퓨팅을 지원하며, 이를 활용하여 엔클레이브 내에서 Web3Signer를 실행함으로써 BLS 키 처리의 보안성을 강화할 수 있습니다.

한편, 라즈베리 파이나 FPGA를 활용한 블록체인 노드 운영과 같은 비가상화 구성 방식도 대안이 될 수 있습니다.

메인넷 트렌드를 활용한 최적의 지갑 할당

본 연구에서는 전체 고객 자금의 70%를 스테이킹에 할당하는 방안(pstake)을 제시했으나, 이는 저자의 경험에 기반한 임의의 수치로 현 단계에서는 정량적 분석이 수반되지 않았습니다. 최적의 지갑 할당 비율 산정을 위해서는 실제 거래소 운영 데이터의 통계적 분석이 필수적입니다.

블록체인 분석을 통해 각 거래소의 역사적 예치금과 출금 패턴을 파악할 수 있으며, 이를 시장 동향과 연계하면 고객 출금과 시장 변동성 또는 디플레이션 간의 연관성을 도출할 수 있습니다. 이는 최적의 지갑 할당을 위한 수리 모델 구축에 활용될 수 있습니다. 또한 LSD와 이더 가격 분석을 통해 솔로 스테이킹과 스테이킹 풀 중 적합한 방식을 선정하는 데 도움을 받을 수 있습니다.

8. 결론

본 연구에서는 이더리움의 솔로 스테이킹 기술과 암호화폐 거래소들의 당면 과제를 분석했습니다. 특히 고객 예치금의 운영 예비금 확보, 검증자 키 보안 강화, 노드 운영 효율화, 수익성 제고라는 핵심 문제에 초점을 맞추었습니다.

이러한 과제 해결을 위해 예비금 규모를 체계화한 다층 지갑 구조를 제안했으며, 클라우드 환경에 적합한 보안 조치와 운영 전략을 제시했습니다. 또한 MEV 최적화를 위한 부가 소프트웨어 활용과 수익 증대를 위한 스테이킹 풀 도입 방안을 검토했습니다.

홀스키 테스트넷 실험을 통해 클라우드 환경에서 다수 검증자의 성공적 운영이 가능함을 입증했으며, 검증자 수와 무관한 아키텍처의 확장성을 확인했습니다. 아울러 실험 과정에서 수익성 개선을 위한 새로운 과제들도 도출했습니다.

향후 과제로는 지갑별 자금 배분 최적화와 운영 효율화가 필요하며, 대체 장비 활용을 통한 비용 절감 가능성도 검토해야 합니다. 또한 네트워크 동작과 기타 요인 분석을 통해 검증 실패율을 낮추는 방안도 연구되어야 할 것입니다.

• 원문: https://ieeexplore.ieee.org/document/10664361

본 콘텐츠는 2024년 8월에 발행된 "Effective Ethereum Staking in Cryptocurrency Exchanges" 논문을 번역한 것입니다.

저는 전문 번역가가 아니기 때문에 오역이 있을 수 있습니다. 또한 본 글은 원저작자의 요청에 따라 불시에 삭제될 수 있습니다. 감사합니다.