[Ethereum] Proof of Stake 의 개념

🌐 Ethereum Consensus Algorithm: Proof of Stake (PoS)

이더리움은 2022년 9월 "머지(The Merge)" 를 통해 Proof of Work (PoW) 에서 Proof of Stake (PoS) 로 전환했다. PoS는 에너지 소모를 줄이고 네트워크의 확장성과 보안을 향상하기 위해 설계된 합의 메커니즘이다.

---

🏦 Ethereum Staking (스테이킹)

• 스테이킹 조건: 이더리움 네트워크에서 검증자(Validator) 가 되려면 최소 32 ETH 를 스테이킹해야 한다.
• 검증자 역할: 블록을 생성하고 네트워크의 거래를 검증하며 블록체인에 블록을 추가한다.
• 보상: 검증자는 정직하게 행동하면 보상으로 추가 ETH를 얻을 수 있으며, 악의적인 행동을 하면 일부 또는 전체 스테이킹된 ETH를 잃을 수 있다 (슬래싱(Slashing)).

---

🔄 Ethereum PoS의 주요 단계: Step 1-6

1. Validator 선택: 무작위로 블록 제안자를 선택한다.
2. 블록 제안(Block Proposal): 선택된 검증자가 블록을 생성하고 제안한다.
3. Attestation (인증): 다른 검증자들이 블록의 유효성을 검증하고 인증한다.
4. Committee (위원회) 배정: 검증자들은 서로 다른 슬롯과 에포크에 따라 그룹으로 나뉜다.
5. Epoch 종료: 한 에포크(32개의 블록)가 종료되면 검증자들이 블록체인의 상태를 확인한다.
6. 합의: 블록이 충분한 인증을 받으면 체인에 포함되며, finality(최종성)을 확보한다.

---

🪢 Fork Choice Rule (포크 선택 규칙)

이더리움 PoS에서 사용되는 포크 선택 규칙은 LMD-GHOST (Latest Message-Driven Greediest Heaviest Observed SubTree)이다.

포크 : 블록체인은 블록이 생성되며 여러 갈래로 갈리는데, 이 각각의 갈래를 일컫는다.

• LMD-GHOST는 검증자들이 보낸 가장 최근 메시지를 기반으로 가장 많은 투표를 받은 블록체인 경로 를 선택한다.
• 이를 통해 네트워크가 일관되게 하나의 체인으로 합의된다.

---

🔒 Finality (최종성)

PoS에서는 블록이 최종성(finality) 을 가지려면 여러 검증자의 확인이 필요하다.

• Casper FFG (Friendly Finality Gadget): 블록이 2개의 연속된 에포크 동안 2/3 이상의 검증자 투표를 받으면 해당 블록은 최종적으로 확정된다.
• 최종성 확보는 블록을 변경할 수 없는 상태로 만든다.

---

⏳ Inevitable Leak (불가피한 누수)

• Inactivity Leak: 검증자가 오랜 시간 활동하지 않으면 스테이킹된 ETH가 서서히 줄어들어 네트워크에 다시 참여하도록 유도한다.
• 이는 "장기 비활성 검증자" 가 네트워크에 악영향을 주지 않도록 설계된 안전 장치다.

---

🛡️ Crypto-Economic Security of PoS (암호 경제적 보안)

PoS의 보안은 경제적 인센티브와 페널티에 기반합니다:

1. 스테이킹된 자산: 검증자는 32 ETH를 스테이킹하며, 이는 잘못된 행동 시 손실될 수 있다.
2. 슬래싱(Slashing): 악의적인 행동(예: 이중 서명)은 스테이킹된 자산 일부 또는 전부를 소각한다.
3. 경제적 비용: 네트워크 공격 시, 성공하기 위해서는 엄청난 양의 ETH를 보유하고 스테이킹해야 하므로 경제적으로 매우 부담이 크다.

---

🔐 Proof of Stake와 보안

보안 장점:

1. 에너지 효율성: PoW보다 훨씬 낮은 에너지 소비.
2. 중앙화 저항: 많은 ETH를 소유한 개인이더라도 네트워크 전체를 장악하기 어렵다.
3. 빠른 합의: PoS는 PoW보다 더 빠르게 합의 및 최종성을 달성한다.

잠재적 리스크:

1. Long-Range Attack: 초기 블록부터 재구성하는 공격 (해결책: 체크포인트와 최종성).
2. Validator Centralization: 소수의 대형 검증자가 네트워크를 장악할 가능성.
3. Slashing Risk: 검증자가 실수로 잘못된 블록을 인증하면 슬래싱당할 수 있다.

이러한 메커니즘을 통해 이더리움의 PoS는 안정적이고 안전한 네트워크를 유지한다.