블록체인 샤딩이란? 동작 원리와 장단점

핵심 인사이트

샤딩은 블록체인을 여러 작은 조각(샤드)으로 나눠 병렬로 거래를 처리하고 네트워크 처리량을 높이는 데이터베이스 확장 기술이에요. 이 방식은 확장성과 효율성을 크게 개선할 수 있지만, 샤드 간 복잡한 통신과 보안 위험(각 샤드가 공격에 더 취약함)이라는 과제도 동반해요. Zilliqa, NEAR, Ethereum 등 다양한 네트워크가 샤딩을 도입하고 있으며, 이러한 한계가 해결된다면 블록체인 트릴레마(확장성·탈중앙성·보안성 동시 달성) 해소에 한 걸음 더 다가설 수 있어요.

데이터베이스 개발자들이 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 확장성이에요. 데이터와 처리량이 늘어날수록 시스템 성능도 함께 개선되어야 하죠.

샤딩은 데이터베이스를 여러 개의 독립된 조각(샤드)으로 분할해 각각 다른 서버에 저장하는 확장 기술이에요.

이 기술을 블록체인에 적용하면, 네트워크가 여러 샤드로 나뉘게 돼요. 각 샤드는 고유한 스마트 컨트랙트와 계정 잔액을 보유하며, 특정 네트워크 노드가 각 샤드에 할당돼요. 

These nodes are responsible for verifying transactions only in their assigned shard rather than for all transactions on the blockchain.

샤딩이 해결하는 문제

프로젝트가 인기를 얻을수록 이용자도 늘고, 그만큼 거래·DApp 실행·네트워크 내 처리량이 증가해요. 이로 인해 거래 속도가 느려지고 수수료가 올라가면서 프로젝트의 성장과 확장에 장애가 생기죠. 네트워크를 샤드로 나누면 블록체인의 처리 용량을 높여 이런 문제를 해결할 수 있어요.

특정 샤드에 일부 노드만 책임을 지게 되면, 전체 네트워크의 모든 노드가 모든 거래를 검증하지 않아도 돼요. 거래 검증이 선형이 아니라 병렬로 이뤄져 네트워크 처리량이 증가하고 확장성 한계도 극복할 수 있어요.

또한, 샤딩을 적용한 블록체인 노드는 부담이 줄어들어 컴퓨팅 파워를 늘리지 않고도 더 효율적으로 작동해요.

샤딩의 동작 원리

블록체인은 수천 대의 컴퓨터가 함께 작동해 분산 원장에 거래를 기록하고, 스마트 컨트랙트 실행·DApp 배포 등을 처리해요. 네트워크가 순차적으로 거래를 처리한다면 각 노드가 모든 거래를 일일이 검증해야 하므로 시간이 오래 걸려요. 예를 들어 Ethereum은 초당 최대 10건 정도만 처리할 수 있어요.

노드를 추가해도 블록체인 성능이 올라가는 게 아니라 검증 체인만 더 길어질 뿐이에요.

샤딩의 핵심은 선형 실행 대신 병렬 구조로 전환하는 거예요. 각 샤드는 일부 계산만 담당하고, 동시에 여러 거래를 처리해요. 일종의 "블록체인 안의 블록체인"처럼 작동하며, 정보를 압축된 형태로 메인 체인에 전달해요.

샤딩의 단점과 한계

샤딩에는 두 가지 주요 문제가 있어요: 샤드 간 통신과 보안. 

1. Communication. 네트워크를 여러 샤드로 나누면 각 샤드는 사실상 별도의 블록체인이 돼요. 한 샤드의 사용자와 DApp이 다른 샤드와 소통하려면 별도의 통신 프로토콜이 필요해요.
    
2. Security. 샤딩된 네트워크에서는 전체 네트워크보다 개별 샤드를 장악하는 게 훨씬 쉬워져요. 예를 들어 Bitcoin 전체 네트워크를 51% 공격하려면 막대한 하드웨어와 전기 비용이 들지만, 하나의 샤드만 노리면 훨씬 저렴하고 간단해요.

샤딩이 만능 해결책은 아니에요. 복잡성과 보안 위험이 따르죠. 해커가 하나의 샤드만 장악해도 네트워크 전체에 악성 거래를 퍼뜨릴 수 있어요.

또한, 샤드마다 서로 다른 노드 그룹이 관리하기 때문에 각 샤드는 사실상 독립 네트워크처럼 동작해요. 샤드 간 원활한 통신을 위한 별도의 메커니즘이 필요해요.

잘못 구현하면 이중지불 같은 문제로 네트워크 보안이 크게 훼손될 수 있고, 기존 블록체인에 샤딩을 도입하는 것도 쉽지 않아요. 네트워크 분할과 데이터 재할당 등 복잡한 과정을 거쳐야 하죠.

Ethereum은 무작위 샘플링 방식을 도입해 이 문제를 해결하고 있어요. 샤드 프로토콜을 무작위로 여러 섹션에 배정해 블록 인증을 분산시키는 방식이에요. 이는 네트워크가 지분증명(PoS) 방식으로 전환하면서 가능해졌어요.

샤딩을 도입한 주요 네트워크

샤딩을 처음 도입한 네트워크는 Zilliqa예요. 샤딩으로 확장성 문제를 해결하는 블록체인 플랫폼을 표방하며, 테스트넷에서 초당 2,828건의 거래를 처리했어요.

NEAR 블록체인도 샤딩 기반 PoS 블록체인임을 내세우며, 저사양 기기에서도 노드를 운영할 수 있을 만큼 샤드가 가볍다고 설명해요.

Ethereum 역시 샤딩 기술 도입을 준비 중이에요. 그 외 Cardano, QuarkChain, Plian 등도 샤딩을 적용하고 있어요.

맺음말

이론적으로 샤딩 기술이 한계만 극복한다면 블록체인 트릴레마(확장성·탈중앙성·보안성 동시 달성)를 해결할 수 있어요. 그렇게 된다면, 탈중앙성과 보안을 희생하지 않고도 블록체인 확장이 가능해질 거예요.