Lecture 17–18. 확장성과 롤업: Optimistic · ZK Rollup

blockchain
공개

2026년 5월 11일

  • 블록체인은 왜 느린가? 블록체인 트릴레마 (Trilemma) 란 무엇인가?
  • 롤업 (Rollup) 은 어떤 아이디어로 확장성 문제를 해결하는가?
  • Optimistic Rollup 과 ZK (Validity) Rollup 의 작동 방식과 트레이드오프는?
  • 데이터 가용성 (Data Availability) 이란 무엇이고 왜 중요한가?

1. 블록체인의 확장성 문제

TPS

Transactions Per Second: 단위 시간 내 처리 가능한 트랜잭션 수

  • DeFi 성장으로 이더리움 네트워크가 과부하 → 가스비 폭등, 처리 지연 문제 발생. 이를 해결하기 위한 솔루션이 롤업 (Rollup) 이다.
  • 확장성 (Scalability): 단위 시간 내 처리할 수 있는 트랜잭션 수 → TPS (Transactions Per Second) 로 측정.
  • Block size가 클수록, Block time이 작을수록 확장성 증가
시스템 TPS
비트코인 ~7
솔라나 800~1000
Visa (중앙화) ~수만
이더리움 롤업 수천~수만

블록체인 트릴레마 (Blockchain Trilemma)

블록체인은 세 가지 특성을 동시에 달성하기 어렵다 — 하나를 올리면 나머지 둘 중 하나를 포기해야 한다.

graph TD
    T["블록체인 트릴레마"]
    T --> D["탈중화\n(Decentralization)\n노드가 많고 고르게 분포"]
    T --> S["보안\n(Security)\n공격에 저항"]
    T --> SC["확장성\n(Scalability)\nTPS, 처리 속도"]
    style T fill:#f0f0f0

  • 블록체인 (비트코인·이더리움): 탈중화 + 보안 ✓ / 확장성 ✗ (포기)
  • 중앙화 시스템 (Visa 등): 보안 + 확장성 ✓ / 탈중화 ✗ (포기)

왜 이더리움은 느린가

모든 밸리데이터 노드가 모든 트랜잭션을 각자 실행·검증해야 한다.

  • 100명의 노드가 100개의 트랜잭션을 처리 → 총 연산 횟수 = 10,000번. 극도로 비효율적.
  • 블록 타임은 가장 성능이 낮은 노드를 기준으로 설정해야 한다 (그래야 모두 동일한 합의 가능).
  • 이더리움의 병목 지점: 트랜잭션 실행 시간 (EVM 코드 실행). 비트코인은 단순 송금이라 블록 전파가 병목.

2. 롤업 핵심 아이디어

Rollup 핵심

트랜잭션 실행을 L1 밖에서 하고 결과만 L1에 올림

아이디어: 트랜잭션 실행을 이더리움(L1) 밖에서 하고, 실행 결과만 이더리움에 올린다.

graph LR
    U["사용자"] --> R["롤업 (L2)\n트랜잭션 처리"]
    R --> |"결과 + 원본 데이터\n압축해서 올림"| L1["이더리움 (L1)\n검증·보안 보장"]
    L1 --> |"브릿지를 통해\n자금 이동"| R

자금 흐름 (브릿지): 이더리움에서 롤업 컨트랙트로 ETH를 보내면 → 컨트랙트가 잠금 → 롤업(L2)에서 같은 금액이 사용 가능해진다. (이더리움으로 다시 출금도 가능)

  1. rollup chain에 deposit한 user들이 rollup chain에서 transaction을 생성
  2. rollup 운영자(소수)가 트랜잭션 실행시키고 rollup 블록에 포함.
  3. operator가 일정 주기 간격으로 데이터를 압축해서 이더리움에 올림

롤업 운영자가 이더리움에 올리는 것:

  1. 트랜잭션 원본 (압축된 형태)
  2. 이전 상태 (Previous State)
  3. 새로운 상태 (New State): 트랜잭션들을 실행한 결과

이더리움은 이걸 받아 일단 믿거나 (Optimistic) / 수학적으로 검증하거나 (ZK) 한다.

3. Optimistic Rollup

Optimistic

“낙관적으로 믿자” 문제가 생기면 나중에 처리 (사기 증명)

“낙관적으로 믿는다” — 운영자가 올린 New State가 맞겠지, 하고 일단 받아들인다. 대신 문제가 생기면 이의를 제기할 수 있다.

작동 방식:

  1. 운영자가 트랜잭션 묶음 + New State를 이더리움에 올림 → 이더리움은 그냥 믿음.
  2. 챌린지 기간 (7~10일): 누구나 “이 결과가 틀렸다”고 이의 제기 가능.
  3. 챌린지가 들어오면 이더리움이 해당 트랜잭션을 직접 재실행해 심판.
  4. 틀린 운영자의 담보(stake)를 슬래싱(몰수) — 악의적 행동 억제.

핵심 가정: 롤업을 감시하는 사람이 최소 한 명은 있어야 한다 (“1-of-N 정직한 감시자”).

부연 설명 — Optimistic Rollup 대표 프로젝트

Optimism, Arbitrum 등이 Optimistic Rollup을 사용한다. 대부분의 스테이블코인 결제, DeFi 트랜잭션은 이 레이어 위에서 처리된다. 출처: L2BEAT — Layer 2 Analytics

단점: 출금(L2→L1) 시 챌린지 기간(7~10일) 동안 기다려야 한다.

4. ZK Rollup (Validity Rollup)

ZK Rollup

영지식 증명으로 실행 결과의 정확성을 수학적으로 증명 → 즉시 검증

영지식 증명 (Zero-Knowledge Proof) 을 활용해 트랜잭션 실행 결과가 맞다는 것을 수학적으로 증명한다.

비유: 24시간 동영상(=모든 트랜잭션 실행)을 보여주지 않고, 음주 측정기 결과값 하나로 술을 마셨음을 증명하는 것. 짧고 강력한 증거.

Optimistic vs ZK 비교:

Optimistic Rollup ZK (Validity) Rollup
증명 방식 사기 증명 (Fraud Proof) 영지식 증명 (ZK Proof)
보안 감시자 필요 (1-of-N) 수학적 보증 (즉시 검증)
출금 속도 7~10일 (챌린지 기간 대기) 즉시
연산 비용 낮음 (실행 생략) 높음 (증명 생성 비용↑)
현재 상태 Arbitrum, Optimism 주류 zkSync, Starknet 성장 중 

sequenceDiagram
    participant R as 롤업 운영자
    participant L1 as 이더리움(L1)
    participant U as 감시자/사용자
    Note over R,L1: Optimistic Rollup
    R->>L1: 트랜잭션 묶음 + New State 제출
    L1->>L1: 일단 믿음 (검증 생략)
    U->>L1: 챌린지 제기 (7~10일 이내)
    L1->>L1: 재실행 후 심판
    Note over R,L1: ZK Rollup
    R->>L1: 트랜잭션 묶음 + New State + ZK Proof 제출
    L1->>L1: ZK Proof 검증 (즉시)
    L1->>U: 즉시 출금 허용

5. 데이터 가용성 (Data Availability, DA)

롤업이 의미를 갖기 위한 필수 조건: 트랜잭션 원본 데이터가 이더리움(L1)에 올라와야 한다.

  • 누가 분쟁을 제기할 때 트랜잭션 원본을 누구나 접근할 수 있어야 재실행·검증이 가능하다.
  • 원본 데이터를 L1에 올리지 않으면 롤업은 그냥 일반 중앙화 체인과 같다.

데이터 가용성 (DA): 모든 데이터가 누구에게나 가용(available) 한지의 속성. 롤업이 L1의 보안을 상속받는 핵심 메커니즘.

부연 설명 — EIP-4844 (Proto-Danksharding)

이더리움은 롤업의 데이터를 더 싸고 효율적으로 저장할 수 있도록 EIP-4844 업그레이드 (일명 Dencun 업그레이드, 2024.3)를 진행했다. “Blob” 이라는 새로운 데이터 구조를 도입해 롤업의 데이터 비용을 대폭 절감. 이더리움이 실행(execution)보다 DA(데이터 가용성) 레이어로서의 역할이 강화되는 방향. 출처: EIP-4844 — Ethereum.org

이더리움 역할의 변화: 원래는 모든 트랜잭션을 직접 실행했지만, 롤업 시대에는 데이터를 저장하고 시큐리티를 보장해주는 기반 레이어로 진화.

6. 롤업 vs 독립 L1 체인 (Solana·BNB)

롤업 (L2) 독립 L1 (Solana·BNB)
속도 빠름 빠름
보안 이더리움 보안 상속 자체 보안만
탈중화 중간 (시퀀서 중앙화) 자체 수준
비용 저렴 저렴

롤업의 차별점: 이더리움의 보안을 상속받는다. Solana·BNB는 독자적인 보안 모델이므로 이더리움 수준의 보안 보장이 없다.

개념 연결

  • 13강 Black Thursday: 가스비 폭등 → 청산 실패. 바로 이 확장성 부족이 근본 원인이었다.
  • 롤업이 활성화되면서 스테이블코인 결제, DeFi 트랜잭션 대부분이 L2에서 처리 → 14강에서 다룬 Stripe 스테이블코인 결제 인프라의 기반.
  • EIP-4844는 슬라이드 타임라인에서 2024년 위치 → 이더리움 생태계 발전의 핵심 이정표.
  • 블록체인 트릴레마: 탈중화·보안·확장성 셋을 동시에 달성 불가. 이더리움은 확장성을 희생.
  • 롤업: 트랜잭션 실행을 L2에서 처리하고 결과만 L1에 올림 → TPS 대폭 향상.
  • Optimistic Rollup: 낙관적으로 믿고 → 챌린지(7~10일) → 사기 증명으로 검증. 비용 낮음, 출금 느림.
  • ZK Rollup: 영지식 증명으로 실행 결과를 수학적으로 증명 → 즉시 검증, 즉시 출금. 비용 높음.
  • 데이터 가용성 (DA): 트랜잭션 원본을 L1에 올려야 롤업의 보안 상속이 가능. EIP-4844가 이 비용을 절감.
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