하이퍼레저 패브릭을 위한 ZK 롤업 아키텍처와 성능 평가

초록

본 논문은 허가형 블록체인인 하이퍼레저 패브릭에 ZK‑Rollup을 도입해 오프체인 시퀀서를 통해 트랜잭션을 즉시 수락하고 32개씩 배치해 Merkle 트리와 PLONK 기반 영지식 증명을 생성한다. 이를 통해 기존 57 TPS, 4 초 지연에서 70100 TPS, 0.7~1 초 지연으로 향상시켰으며, 보안·프라이버시를 유지하면서 확장성을 크게 개선한다.

상세 분석

이 연구는 하이퍼레저 패브릭의 기존 구조가 endorsement‑ordering‑validation 3단계 흐름 때문에 처리량이 제한되는 문제를 정확히 짚어낸다. 특히 RAFT 합의와 체인코드 실행이 모든 트랜잭션에 대해 동기화된 검증을 요구함으로써 5~7 TPS 수준에 머무는 점을 지적하고, 이를 레이어‑2 설계로 탈피한다는 접근은 매우 혁신적이다. 제안된 오프체인 시퀀서는 클라이언트 요청을 Redis 큐에 즉시 적재하고, 32개의 트랜잭션을 하나의 배치로 묶는다. 배치 구성 시 Poseidon 해시 함수를 이용한 5‑레벨 Merkle 트리를 구축하고, PLONK 기반 ZK‑SNARK 회로로 Merkle 루트의 정당성을 증명한다. 이때 배치 크기를 고정하기 위해 부족한 트랜잭션은 더미 데이터로 패딩하는 전략은 회로 크기와 증명 생성 시간을 일정하게 유지하는 데 핵심적이다.

증명 생성 과정은 현재 CPU 기반 테스트 환경에서 배치당 35~45 초가 소요되지만, 논문은 GPU·FPGA 가속을 통해 1 초 이하로 단축 가능하다고 전망한다. 이는 실제 운영 환경에서 증명 생성이 병목이 되지 않도록 설계된 점을 의미한다. 또한 IPFS에 배치 데이터를 저장하고 CID를 체인코드에 기록함으로써 온체인 상태 증가를 최소화하고, 데이터 무결성을 외부 스토리지에 위임한다. 이는 허가형 블록체인의 프라이버시 요구와 동시에 데이터 가용성을 확보하는 실용적인 방법이다.

보안 측면에서, ZK‑Rollup은 온체인에 Merkle 루트와 증명만을 기록하므로 개별 트랜잭션 내용이 노출되지 않는다. 하이퍼레저 패브릭의 endorsement 정책과 연계해 증명 검증을 체인코드 내에서 수행하도록 함으로써 기존 허가형 네트워크의 신뢰 모델을 그대로 유지한다. 즉, 피어들은 여전히 인증서를 통해 신원을 확인하고 TLS로 통신하지만, 추가적인 암호학적 검증을 통해 배치 전체의 일관성을 보장한다.

성능 평가에서는 k6 로드 테스트를 활용해 베이스라인(직접 온체인)과 제안 시스템을 비교한다. 베이스라인은 20명의 가상 사용자가 30 초 동안 동시 요청을 보내며, 평균 4 초 지연과 57 TPS를 기록한다. 반면 ZK‑Rollup은 50명의 가상 사용자를 통해 30 초 동안 70100 TPS, 0.3~0.4 초 지연을 달성한다. 특히 클라이언트가 202 Accepted 응답을 받는 순간을 “수락”으로 정의함으로써 사용자 체감 지연을 크게 낮춘 점이 주목할 만하다.

한계점으로는 현재 실험 환경이 제한된 CPU와 메모리(8 CPU, 8 GB)이며, 증명 생성 시간이 여전히 배치당 수십 초에 머무른다. 또한 배치 크기(32)와 Merkle 트리 깊이(5)가 고정돼 있어 트래픽 급증 시 동적 조정 메커니즘이 필요하다. 향후 연구에서는 배치 크기 자동 조정, 멀티‑GPU 증명 파이프라인, 그리고 다른 ZK‑SNARK 라이브러리(예: Groth16, Halo2)와의 비교 분석이 기대된다.

전체적으로 이 논문은 허가형 블록체인에 ZK‑Rollup을 적용함으로써 확장성과 프라이버시를 동시에 달성할 수 있음을 실증적으로 보여준다. 하이퍼레저 패브릭의 모듈식 아키텍처와 잘 맞는 레이어‑2 설계는 기업용 블록체인 솔루션에서 트랜잭션 병목을 해소하고, 실시간 응용 프로그램(예: 메타버스, 공급망 추적)으로의 확장을 가능하게 한다.