합의 없이도 가능한 분산 자산 전송: AT2 프로토콜

초록

본 논문은 자산 전송 시스템에서 이중 지불 방지를 위해 전체 순서(합의)가 반드시 필요하지 않음을 증명한다. 공유 메모리 모델에서는 AT2_SM 알고리즘을 통해 자산 전송 객체의 합의 번호가 1임을 보이고, 비잔틴 메시지 전달 모델에서는 AT2_MP 프레임워크 위에 결정적(AT2_D)과 확률적(AT2_P) 두 종류의 안전 브로드캐스트를 구축하여 고성능, 저지연 전송을 구현한다.

상세 분석

AT2 논문은 기존 블록체인 설계에서 “전체 순서가 없으면 이중 지불을 방지할 수 없다”는 통념을 근본적으로 뒤집는다. 핵심 아이디어는 자산 전송 연산이 대부분 서로 커뮤팅한다는 점에 착안해, 전체 순서 대신 인과 관계(causality) 만을 보장하면 충분하다는 것이다. 이를 위해 저자들은 두 가지 모델을 단계적으로 분석한다.

첫 번째는 공유 메모리(crash‑stop) 모델이다. 여기서는 각 계정이 단일 소유자에게만 할당된 경우, 계정별로 발생하는 모든 출금 연산이 한 프로세스에 집중되므로, 모든 프로세스가 공유하는 원자 스냅샷(atomic snapshot) 객체에 각 프로세스가 수행한 성공적인 전송 리스트만 기록하면 된다. 읽기 연산은 스냅샷을 취해 초기 잔액에 모든 입금과 출금을 합산함으로써 즉시 선형화 가능하고, 전송 연산은 소유자 프로세스가 자신의 로컬 리스트에 원자적으로 추가하는 방식으로 구현된다. 이 구현은 wait‑free이며, 읽기·쓰기 레지스터만 사용하므로 합의 번호가 1인 객체임을 증명한다. 즉, 자산 전송은 합의보다 약한 동기화 원시만으로도 구현 가능하다.

두 번째는 비잔틴 메시지 전달 모델이다. 여기서는 악의적인 노드가 존재할 수 있기 때문에, 전송 메시지의 무결성과 인과 관계를 보장하는 안전 브로드캐스트(safe broadcast) 가 필요하다. 저자들은 AT2_MP라는 추상 프레임워크를 정의하고, 이를 두 가지 구체적인 브로드캐스트 구현에 매핑한다.

1. AT2_D (Deterministic) – 결정적 안전 브로드캐스트를 사용한다. 이 구현은 모든 정당 노드가 동일한 순서로 메시지를 수신하도록 보장하며, 전송 의존성을 정확히 추적한다. 복제 수가 수백 개 수준일 때도 높은 처리량(1.5×~6×)과 낮은 지연(최대 2× 감소)을 달성한다. 구현은 전통적인 BFT 합의 프로토콜(예: PBFT)보다 훨씬 단순하고, 메시지 복잡도는 O(n²) 수준이지만 실제 실험에서는 충분히 효율적이다.

2. AT2_P (Probabilistic) – 확률적 안전 브로드캐스트를 사용한다. 여기서는 Erdős‑Rényi gossip와 Probabilistic Double‑Echo 같은 무작위 전파 메커니즘을 활용해, 메시지 전파 비용을 O(log n)으로 축소한다. 확률적 보장은 “대다수(>2/3) 정당 노드가 동일한 메시지를 수신한다”는 형태이며, 전송 완료 시간은 수백 밀리초 수준으로 전 세계 규모(수만 노드)에서도 실현 가능하다. 이 설계는 네트워크 파티션이나 지연 변동에 강인하며, 블록체인 시스템에서 흔히 요구되는 “최종성(finality)”을 확률적으로 제공한다.

두 구현 모두 인과 관계 기반 순서만을 강제한다. 즉, 동일 계정에 대한 연속 출금·입금은 원본 출금이 먼저 브로드캐스트되고 확증될 때만 후속 연산이 허용된다. 서로 다른 계정 간 전송은 완전히 독립적으로 처리되어 병렬성을 극대화한다. 결과적으로 전체 합의를 요구하는 전통적인 블록체인 체인(예: Bitcoin, Ethereum)과 비교해, AT2는 성능·확장성·에너지 효율 측면에서 큰 이점을 제공한다.

또한 논문은 k‑shared 계정(k개의 프로세스가 동일 계정을 공유) 경우 합의 번호가 k가 됨을 증명함으로써, 계정 소유 구조에 따라 필요한 동기화 강도가 달라질 수 있음을 명시한다. 이는 향후 다중 서명 계정이나 공동 관리형 지갑 등에 적용 가능한 이론적 토대를 제공한다.

전반적으로 AT2는 “합의는 필요하지만, 전체 순서는 필요 없다”는 기존 패러다임을 뒤집고, 인과 관계 기반 비동기 전송이라는 새로운 설계 원칙을 제시한다. 이는 블록체인 및 분산 원장 기술이 직면한 확장성 병목을 근본적으로 해소할 수 있는 길을 열어준다.