합의 알고리즘 유형

작업 증명은 블록체인 네트워크에서 새로운 블록을 생성하고 거래를 검증하기 위해 참여자들이 복잡한 수학적 퍼즐을 푸는 과정을 필요로 하는 방식이다. 이 퍼즐을 푸는 행위를 '채굴'이라고 하며, 채굴에 성공한 노드는 새로운 블록을 네트워크에 제안할 권리를 얻는다. 네트워크의 다른 노드들은 제안된 블록과 그 안에 포함된 거래 내역의 유효성을 쉽게 검증할 수 있다. 이 과정은 많은 계산 자원과 전력을 소모하지만, 악의적인 공격자가 체인을 조작하려면 네트워크 전체의 51% 이상의 계산력을 확보해야 하므로 경제적으로 매우 비효율적이게 만든다.

지분 증명은 채굴자가 보유한 암호화폐의 양, 즉 '지분'을 기반으로 새로운 블록을 생성할 권리를 부여하는 방식이다. 노드는 자신이 소유한 코인을 '스테이킹'하여 일종의 담보로 잠그고, 이 지분의 크기와 기간 등에 따라 블록 생성자로 선택될 확률이 결정된다. 선택된 검증자는 새로운 블록을 생성하고 제안하며, 다른 검증자들은 이를 검증한다. 악의적인 행위를 할 경우 스테이킹한 담보가 몰수되는 '슬래싱' 페널티를 받게 되어 공격을 억제한다. 이 방식은 복잡한 계산을 필요로 하지 않아 작업 증명 대비 에너지 소비가 극히 적다.

위임 지분 증명은 지분 증명의 변형으로, 모든 지분 보유자들이 투표를 통해 소수의 '대표자' 또는 '증인' 노드를 선출한다. 선출된 이 대표자들만이 블록 생성과 네트워크 거버넌스에 참여할 권한을 가진다. 블록 생성은 일반적으로 라운드 로빈 방식으로 순차적으로 이루어지며, 대표자들은 정기적인 투표를 통해 교체될 수 있다. 이 구조는 블록 생성자를 미리 알 수 있게 하고, 소수의 노드가 합의에 참여함으로써 거래 처리 속도를 크게 높인다. 그러나 네트워크의 권력이 소수의 대표자에게 집중될 수 있다는 비판이 있다.

실용 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 주로 허가형 블록체인에서 사용되며, 미리 신원이 확인된 제한된 수의 노드들 사이에서 합의를 이루는 방식이다. 합의 과정은 '요청', '예비', '확정' 단계를 거치는 명시적인 투표 프로토콜을 따른다. 한 노드가 주장을 제안하면, 다른 노드들은 이를 검증하고 메시지를 교환하며 다수결 원칙에 따라 최종 결정에 도달한다. 이 알고리즘은 비잔틴 장애 허용 문제를 해결하며, 신뢰할 수 없는 환경에서도 정직한 노드들이 일관된 결정을 내릴 수 있도록 보장한다. 사전 승인된 노드들만 참여하기 때문에 처리 속도가 빠르지만, 완전히 탈중앙화된 네트워크에는 적합하지 않다.

비트코인은 2009년 사토시 나카모토에 의해 창시된 최초의 암호화폐이자 블록체인 네트워크로서, 작업 증명 합의 알고리즘을 채택한 가장 대표적인 사례이다. 비트코인의 핵심 설계 철학은 탈중앙화와 검열 저항성에 있으며, PoW는 이를 실현하는 근간이 되었다. 네트워크의 모든 참여자(노드)는 동등한 권한을 가지며, 특정 기관의 허가 없이 누구나 채굴에 참여하여 새로운 블록을 생성하고 거래를 검증할 수 있다.

비트코인 네트워크에서 채굴자들은 평균 10분 간격으로 새로운 블록을 생성하기 위해 경쟁한다. 이 과정에서 채굴자들은 난이도 조절 메커니즘에 따라 주기적으로 변경되는 목표값 이하의 해시 값을 찾기 위해 반복적인 계산 작업을 수행한다. 최초로 정답을 찾은 채굴자는 새 블록을 체인에 추가할 권리를 얻고, 블록 보상(신규 발행된 비트코인)과 해당 블록 내 거래의 수수료를 획득한다. 이렇게 생성된 블록은 네트워크의 다른 노드들에게 전파되어 검증을 받고, 가장 긴 체인을 구성하는 블록들의 집합이 올바른 장부로 인정받는다.

비트코인의 PoW 구현은 네트워크의 보안과 무결성을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다. 악의적인 공격자가 거래 기록을 변경하려면, 해당 블록 이후의 모든 블록을 재채굴해야 하며, 이는 정직한 네트워크의 전체 연산력보다 많은 계산 능력을 필요로 한다. 이러한 경제적 비용이 공격을 사실상 불가능하게 만드는 핵심 메커니즘이지만, 동시에 막대한 전력 소비라는 주요 비판을 받는 원인이기도 하다. 비트코인의 성공은 PoW 모델의 실용성을 입증했으며, 이후 수많은 암호화폐와 블록체인 프로젝트의 기본 설계 모델이 되었다.

작업 증명의 가장 큰 장점은 높은 보안성이다. 복잡한 수학적 퍼즐을 풀어야 하므로 공격자가 블록체인을 조작하려면 네트워크 전체 연산력의 51% 이상을 장악해야 하는데, 이는 막대한 하드웨어와 전력 비용을 필요로 하여 현실적으로 매우 어렵다. 또한 개방형 참여 구조로 누구나 마이닝에 참여할 수 있어 탈중앙화 정도가 높다는 점도 강점이다. 그러나 엄청난 전력 소모로 인한 환경 부담이 가장 큰 단점으로 지적된다. 또한 처리 속도가 느리고 트랜잭션 당 확인 시간이 길어 확장성에 한계가 있다. 마이닝 장비에 대한 집중화 현상이 발생할 위험도 존재한다.

지분 증명은 에너지 효율성에서 큰 장점을 가진다. 경쟁적인 계산 작업이 필요 없어 작업 증명 대비 전력 소비가 극히 적다. 또한 코인을 보유한 검증자들이 네트워크 보안에 경제적 이해관계를 가지도록 설계되어, 악의적인 행위 시 자신의 지분을 잃을 위험에 처하게 된다. 처리 속도와 에너지 효율 측면에서 더 나은 확장성을 제공한다. 단점으로는 '아무것도 위험하지 않음' 문제가 있을 수 있다. 검증자가 동시에 여러 포크에서 블록을 생성해도 패널티가 미미할 경우 네트워크 보안이 약화될 수 있다. 또한 초기 코인 보유자에게 유리한 '부익부' 구조가 강화될 가능성과, 검증을 위해 코인을 예치해야 하므로 참여 진입 장벽이 존재한다는 점도 지적된다.

작업 증명은 블록 생성 권한을 얻기 위해 참여자들이 복잡한 수학적 퍼즐을 푸는 경쟁을 한다. 이 퍼즐을 가장 먼저 푼 참여자(채굴자)가 새로운 블록을 생성하고 네트워크에 제안할 권리를 얻는다. 블록이 검증되면 채굴자는 블록 보상을 받는다. 이 과정은 많은 계산 자원을 소모하므로, 공격자가 네트워크를 조작하려면 막대한 비용을 지불해야 한다. 이는 51% 공격을 경제적으로 비실현 가능하게 만드는 핵심 원리이다.

지분 증명은 참여자가 네트워크 내 암호화폐를 얼마나 많이 '예치' 또는 '스테이킹'했는지에 따라 블록 생성 권한이 결정된다. 검증자는 자신이 보유한 지분을 담보로 잠그고, 알고리즘에 의해 무작위로 선택되어 새로운 블록을 생성하거나 검증한다. 악의적인 행동을 할 경우, 담보로 잠긴 지분의 일부 또는 전부가 몰수되는 슬래싱 페널티를 받는다. 따라서 시스템의 보안은 계산력이 아닌 경제적 담보에 기반한다.

위임 지분 증명은 지분 보유자들이 투표를 통해 소수의 '대표' 또는 '증인'을 선출한다. 선출된 대표자들만이 블록 생성과 네트워크 거버넌스에 참여할 권한을 가진다. 이는 블록 생성자를 사전에 알고 있는 소수 그룹으로 제한함으로써 합의 도달 속도를 크게 높인다. 그러나 이는 네트워크의 탈중앙화 정도가 상대적으로 낮아질 수 있는 절충안을 만든다.

실용 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 사전에 선정된 검증자 노드들 사이에서 다단계 메시지 교환을 통해 합의를 도달한다. 일반적으로 '제안', '응답', '확인'의 단계를 거쳐 모든 정직한 노드가 동일한 순서로 트랜잭션에 동의하게 된다. 이 방식은 악의적인 노드(비잔틴 노드)가 전체 노드의 3분의 1 미만일 때 안전성을 보장한다. 합의 과정이 빠르고 에너지 소비가 적지만, 참여 노드의 신원이 알려져 있어야 하므로 주로 허가형 블록체인에 적용된다.

이더리움 네트워크는 2022년 9월 메인넷 병합(The Merge)을 통해 작업 증명에서 지분 증명 기반의 이더리움 2.0 아키텍처로 전환을 완료했다. 이 전환의 핵심은 새로운 합의 계층인 비콘 체인의 도입이었다.

이더리움 2.0의 지분 증명 모델에서는 검증자(Validator)가 되기 위해 네트워크에 최소 32 ETH를 예치(Staking)해야 한다. 검증자는 제안자(Proposer)와 증명자(Attester)의 역할을 수행하며, 블록을 제안하거나 다른 검증자가 제안한 블록에 대한 유효성을 증명(Attestation)한다. 합의는 캐스퍼 FFG 최종성 장치와 LMD-GHOST 포크 선택 규칙을 결합한 가스퍼 합의 프로토콜을 통해 이루어진다. 검증자는 정직하게 행동하면 예치금에 대한 이자를 보상받지만, 악의적인 행위나 무단 오프라인 상태를 유지하면 예치금의 일부가 삭감(Slashing)되는 페널티를 받는다.

이 모델은 이더리움의 확장성과 지속가능성을 개선하기 위해 설계되었다. 작업 증명에 비해 에너지 소비를 약 99.95% 절감했으며, 샤딩(Sharding)을 통한 처리량 증가와 롤업과 같은 레이어 2 솔루션과의 시너지를 위한 기반을 마련했다. 또한, 검증에 참여하는 최소 ETH 수량이 비교적 낮아(32 ETH) 작업 증명의 채굴 장비 진입 장벽보다 더 많은 참여자를 유인할 수 있는 구조를 지녔다.

작업 증명은 높은 보안성을 제공하는 것이 가장 큰 장점이다. 네트워크를 공격하려면 전체 해시율의 51% 이상을 장악해야 하며, 이는 엄청난 하드웨어와 전력 비용을 필요로 한다. 이는 비트코인 같은 대규모 네트워크에서 실질적으로 불가능에 가깝다. 또한, 누구나 채굴 장비를 구매하여 네트워크에 참여할 수 있어 진입 장벽이 상대적으로 낮고, 탈중앙화 정도가 높은 편이다.

반면, 가장 큰 단점은 막대한 에너지 소비이다. 경쟁적인 채굴 과정에서 수많은 컴퓨터가 동시에 복잡한 계산을 수행하므로 전력 소모가 극심하다. 이는 환경에 대한 부정적 영향으로 지속적으로 비판받는다. 또한, 트랜잭션 처리 속도가 느리고 확장성에 한계가 있다. 블록 생성 시간이 길고 처리량이 제한적이어서 소규모 결제나 실시간 처리가 필요한 서비스에는 적합하지 않을 수 있다.

작업 증명은 블록체인 네트워크에서 새로운 블록을 생성할 권리를 얻기 위해 참여자들이 복잡한 수학적 퍼즐을 푸는 경쟁을 하는 방식이다. 이 퍼즐을 풀어 유효한 해시 값을 찾는 과정을 '채굴'이라고 한다. 가장 먼저 정답을 찾은 채굴자는 새로운 블록을 네트워크에 제안할 권리를 얻고, 다른 노드들은 그 블록의 유효성을 검증한다. 검증이 완료되면 해당 블록이 체인에 추가되고 채굴자는 보상을 받는다. 이 과정에서 퍼즐의 난이도는 네트워크의 전체 해시파워에 따라 주기적으로 조정되어 평균 블록 생성 시간을 일정하게 유지한다.

지분 증명은 채굴자 대신 '검증자'가 블록을 생성하고 검증하는 방식이다. 검증자가 되려면 네트워크의 기본 암호화폐를 특별한 계약에 예치, 즉 '스테이킹'해야 한다. 새로운 블록을 생성할 검증자는 예치된 지분의 크기, 예치 기간, 무작위성 등의 요소를 조합한 알고리즘을 통해 선택된다. 선택된 검증자는 블록을 제안하고, 다른 검증자들은 그 제안에 대한 투표를 통해 합의에 도달한다. 악의적인 행위를 할 경우 예치한 지분의 일부 또는 전부가 삭감되는 '슬래싱' 페널티를 받게 되어 보안이 유지된다.

위임 지분 증명은 지분 증명의 변형으로, 토큰 보유자들이 투표를 통해 소수의 '대표' 노드를 선출하여 블록 생성과 네트워크 거버넌스를 위임하는 구조이다. 일반 노드들은 자신의 투표권을 위임함으로써 직접 검증에 참여하지 않아도 된다. 선출된 대표 노드들은 순차적으로 또는 특정 규칙에 따라 블록 생성을 담당하며, 그들끼리 합의를 이루어 블록을 최종 결정한다. 이 구조는 소수의 신뢰받는 노드가 핵심 작업을 수행하기 때문에 처리 속도가 빠르고 효율적이다.

실용 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 주로 허가형 블록체인에서 사용되며, 미리 정해진 노드들 사이에서 다수의 합의를 통해 트랜잭션의 최종성을 확보한다. 동작 방식은 일반적으로 '요청', '예비', '확약'의 세 단계를 거친다. 주 노드가 클라이언트의 요청을 받아 다른 노드들에 제안하면, 각 노드는 이를 검증하고 메시지를 교환한다. 네트워크 내 노드 총수(N)와 장애 허용 노드 수(f) 사이의 관계(보통 N ≥ 3f + 1)를 만족할 때, 정직한 노드들이 일정 수 이상 동의하면 트랜잭션이 최종 확정된다. 이 과정은 메시지 교환에 기반하므로 매우 빠른 확정이 가능하다.

EOS는 블록체인 플랫폼으로, 21명의 블록 생산자가 순차적으로 블록을 생성하는 위임 지분 증명 방식을 채택했다. EOS 네트워크의 토큰 보유자는 투표를 통해 블록 생산자를 선출하며, 이들은 거래 검증과 네트워크 운영의 책임을 진다. 블록 생산자는 순환 방식으로 블록을 생성하며, 잘못된 행동을 할 경우 투표로 교체될 수 있다. 이 구조는 높은 트랜잭션 처리량을 목표로 설계되었다.

TRON 네트워크도 27명의 슈퍼 대표로 불리는 검증자 집단을 통해 운영된다. 토큰 보유자는 TRX 토큰을 스테이킹하여 투표권을 얻고, 슈퍼 대표를 선출한다. 선출된 슈퍼 대표는 약 3초마다 번갈아 가며 블록을 생성한다. 네트워크는 슈퍼 대표와 슈퍼 파트너로 구성된 위원회가 주요 의사 결정을 담당한다.

두 플랫폼의 공통점은 제한된 수의 검증자 집단을 통해 빠른 합의를 이루려 한다는 점이다. 이는 수천 개의 노드가 참여하는 작업 증명 방식에 비해 훨씬 빠른 확정 시간과 높은 처리량을 가능하게 한다. 그러나 이는 동시에 탈중앙화 정도가 상대적으로 낮아질 수 있는 절충점을 내포한다.

이러한 구조는 분산 애플리케이션이 대량의 트랜잭션을 빠르게 처리해야 하는 환경, 예를 들어 게임이나 소셜 미디어 플랫폼과 같은 서비스에 적합하다고 평가된다.

작업 증명은 블록체인 네트워크에서 새로운 블록을 생성할 권리를 얻기 위해 참여자들이 복잡한 수학적 퍼즐을 푸는 경쟁을 하는 방식이다. 이 퍼즐을 푸는 과정을 '채굴'이라고 하며, 채굴자들은 특수한 하드웨어를 사용해 가능한 많은 계산을 수행한다. 가장 먼저 정답을 찾아내고 다른 노드들에게 검증받은 채굴자가 새로운 블록을 생성할 권리와 보상을 얻는다. 이 방식의 핵심은 유효한 블록을 생성하는 데 상당한 계산 자원을 소모하게 함으로써, 악의적인 공격자가 체인을 조작하는 데 드는 비용을 매우 높게 만드는 데 있다.

지분 증명은 채굴자 대신 '검증자'가 블록을 생성하고 검증하는 방식이다. 검증자가 되기 위해서는 네트워크의 기본 암호화폐를 일정량 예치, 즉 '스테이킹'해야 한다. 다음 블록 생성자는 일반적으로 검증자의 스테이킹 양, 스테이킹 기간, 무작위성 등의 요소를 조합한 알고리즘을 통해 선정된다. 블록을 제안하거나 검증에 참여하면 보상을 받지만, 규칙을 위반하거나 이중 서명과 같은 악의적인 행위를 할 경우 예치한 자산의 일부 또는 전부가 삭감되는 '슬래싱' 페널티를 받는다. 이는 경제적 인센티브를 통해 네트워크의 안전성을 유지한다.

위임 지분 증명은 지분 증명의 변형으로, 토큰 보유자들이 투표를 통해 소수의 '대표' 또는 '증인'을 선출하여 블록 생성과 네트워크 거버넌스 권한을 위임하는 구조이다. 선출된 대표자들이 번갈아 가며 블록을 생성하므로, 합의에 참여하는 노드 수가 제한되어 처리 속도가 빠르고 확장성이 높아진다. 이 모델은 보유자의 투표권이 지분에 비례하며, 대표자들은 네트워크 운영에 대한 보상을 받는다. 대표자에 대한 투표는 지속적으로 이루어지므로, 성과가 좋지 않은 대표는 교체될 수 있다.

실용 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 주로 허가형 블록체인에서 사용되며, 미리 정해진 노드들 사이에서 다수결 원칙에 기반한 합의를 이루는 방식이다. 합의 과정은 크게 '요청', '예비', '확약'의 세 단계를 거쳐 진행된다. 리더 노드가 제안을 브로드캐스트하면, 다른 노드들은 이를 검증하고 메시지를 서로 교환하며 다수의 동의를 확인한다. 네트워크 내 악의적인 노드(비잔틴 장애)가 전체 노드의 3분의 1 미만일 때만 안전한 합의가 보장된다. 모든 노드가 합의 과정에 적극적으로 메시지를 교환해야 하므로, 참여 노드 수가 제한될 때 효율적으로 작동한다.

실용 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 네트워크 참여 노드가 사전에 허가된, 즉 신원이 알려진 엔터티로 구성되는 허가형 블록체인 환경에 적합한 합의 메커니즘이다. 이는 누구나 익명으로 참여할 수 있는 퍼블릭 블록체인과는 대조적이다.

PBFT는 신뢰할 수 있지만 잠재적으로 결함이 있거나 악의적인 노드(비잔틴 장애)가 존재할 수 있는 환경에서 합의를 달성한다. 네트워크는 일반적으로 소규모의 알려진 검증자 노드 집합으로 운영되며, 이들은 라운드 로빈 방식으로 리더(주장자)를 선출한다. 합의 과정은 메시지 교환 단계(예: 요청, 준비, 커밋)를 거쳐 최소 2/3 이상의 정직한 노드가 특정 트랜잭션 순서에 동의하면 완료된다. 이는 작업 증명이나 지분 증명에 비해 매우 빠른 최종성을 제공한다.

허가형 환경에서 PBFT의 적용은 몇 가지 명확한 장점을 가진다. 첫째, 신원이 확인된 참여자들로 구성되므로 시빌 공격이나 무분별한 참여로 인한 네트워크 부하 문제가 크게 완화된다. 둘째, 에너지 집약적인 연산이 필요 없어 매우 높은 에너지 효율성을 보인다. 셋째, 노드 수가 제한적이기 때문에 처리 속도가 빠르고 초당 트랜잭션 처리량이 높아 기업용 애플케이션에 적합하다. 대표적인 적용 사례로는 하이퍼레저 패브릭의 초기 합의 옵션으로 채택된 것이 있다.

그러나 PBFT 기반 허가형 블록체인은 탈중앙화 정도가 상대적으로 낮다는 한계를 가진다. 네트워크의 보안과 무결성은 참여 조직들의 신뢰성에 크게 의존한다. 또한, 노드 수가 증가함에 따라 필요한 통신 오버헤드가 기하급수적으로 늘어나 확장성에 제약이 생길 수 있다[3]. 따라서 컨소시엄 블록체인이나 특정 기업 연합 내의 프라이빗 네트워크와 같은 신뢰 기반 모델에서 주로 활용된다.

LPoS는 위임 지분 증명(DPoS)의 변형 모델로, 특히 코스모스(Cosmos) 네트워크의 합의 알고리즘으로 알려져 있다. 이 모델은 토큰 보유자가 직접 검증인(Validator) 노드를 운영하지 않고도 자신의 지분(Stake)을 신뢰하는 검증인에게 '위임(Delegation)'할 수 있게 하며, 이 위임 행위를 유동적(Liquid)으로 처리하는 것이 핵심 특징이다. 위임자는 자신의 토큰 소유권을 포기하지 않은 채 보상 획득에 참여할 수 있고, 필요시 위임을 철회하거나 다른 검증인으로 재위임하는 것이 비교적 자유롭다.

LPoS의 동작 방식은 다음과 같다. 네트워크에는 제한된 수의 검증인 세트가 존재하며, 이들은 블록 생성과 네트워크 보안 유지의 책임을 진다. 일반 토큰 보유자는 자신의 토큰을 이 검증인 중 하나에게 위임하여 '위임자(Delegator)'가 된다. 검증인은 블록 보상을 받으면, 미리 설정한 수수료율만큼을 자신의 수익으로 남기고 나머지 보상을 위임자들에게 지분 비율에 따라 분배한다. 위임된 토큰은 검증인의 '본딩(Bonding)'된 지분에 합산되어 해당 검증인의 총 투표권과 네트워크 내 영향력을 결정한다.

이 모델의 주요 장점은 참여 장벽을 낮추고 네트워크의 보안을 분산시키는 데 있다. 소규모 토큰 보유자도 검증인 노드 운영이라는 복잡하고 비용이 드는 과정 없이 스테이킹 보상을 얻을 수 있어 참여 유인을 높인다. 또한, 위임자들이 잘못 행동하거나 성능이 낮은 검증인으로부터 쉽게 지분을 이동시킬 수 있기 때문에, 검증인들 사이에 건강한 경쟁을 유발하고 네트워크의 전반적인 탈중앙화 수준을 유지하는 데 기여한다[5].

반면, LPoS는 '부익부 빈익빈' 현상과 검증인 간 담합 가능성이라는 도전 과제에 직면할 수 있다. 가장 많은 지분을 위임받은 상위 검증인 그룹이 네트워크의 실질적인 통제력을 지속적으로 확보할 위험이 있다. 또한, 주요 검증인들이 서로 담합하여 수수료율을 협약하거나 네트워크 거버넌스를 좌우할 가능성도 이 모델의 보안성을 위협하는 요소로 지적된다.

권위 증명은 신뢰할 수 있는 사전 승인된 검증자들에 의해 블록 생성과 네트워크 합의가 이루어지는 합의 알고리즘이다. 검증자 노드는 신원이 공개되어 있으며, 평판과 신뢰성을 바탕으로 선정된다. 이들은 블록을 생성하고 검증하는 권한을 부여받으며, 악의적인 행위를 할 경우 그 신원이 알려져 있어 법적, 평판적 제재를 받게 된다는 점이 주요한 억제 장치로 작용한다니다.

PoA의 동작 방식은 비교적 단순하다. 미리 정해진 검증자 목록이 존재하며, 이들은 순차적으로 또는 무작위로 블록 생성 권한을 얻는다. 블록을 제안한 검증자는 다른 검증자들에게 블록을 전파하고, 다른 검증자들은 해당 블록의 유효성을 검증한 후 체인에 추가한다. 네트워크의 모든 참여자가 모든 트랜잭션을 검증하는 작업 증명이나 지분 증명과 달리, 합의 과정은 소수의 승인된 검증자들 사이에서만 이루어진다. 이로 인해 매우 빠른 트랜잭션 처리 속도와 높은 처리량을 달성할 수 있다.

PoA는 주로 허가형 블록체인이나 사설 네트워크에서 널리 사용된다. 대표적인 적용 사례로는 이더리움의 테스트넷인 Kovan과 Rinkeby, 그리고 기업용 블록체인 플랫폼인 VeChain이 있다. 이 네트워크들은 신원이 확인된 소수의 검증자 노드를 운영하여 빠르고 효율적인 트랜잭션 처리를 보장한다.

이 모델의 가장 큰 약점은 탈중앙화 정도가 낮다는 점이다. 네트워크의 보안과 무결성이 소수의 검증자 집단에 의존하기 때문에, 이들이 공모할 경우 시스템을 조작할 위험이 존재한다. 따라서 공개적이고 무허가형인 메인넷보다는 특정 조직이나 컨소시엄이 운영하는 폐쇄적 네트워크에 더 적합한 알고리즘으로 평가받는다.

작업 증명과 지분 증명을 결합한 하이브리드 모델은 각 알고리즘의 단점을 상호 보완하고 장점을 극대화하기 위해 설계되었다. 일반적으로 블록 생성 과정에 PoW를, 블록 최종 확정 과정에 PoS를 적용하는 방식이 사용된다. 이는 PoW의 강력한 보안성을 블록 생성 단계에 유지하면서, PoS의 에너지 효율성을 통해 블록 확정 속도를 높이고 최종성을 개선하는 것을 목표로 한다.

대표적인 사례로 Decred 프로젝트가 있다. Decred의 합의 과정은 두 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계에서 PoW 채굴자는 새로운 블록을 생성하고 제안한다. 그러나 이 블록은 아직 네트워크에 확정되지 않은 상태이다. 두 번째 단계에서 PoS 투표자들은 자신이 보유한 DCR 토큰을 스테이킹하여 티켓을 구매하고, 생성된 블록에 대한 투표 권한을 얻는다. 제안된 블록은 PoS 투표자들의 투표를 통해 최종 승인되거나 거부된다. 이 시스템은 PoW 채굴자의 독점적 권한을 제한하고, 지분 보유자들에게 거버넌스 참여 및 검증 권한을 부여한다.

다른 접근법으로는 초기 블록 생성을 PoW에 의존하다가, 네트워크가 안정화된 후 점진적으로 PoS로 전환하는 모델도 존재한다. 이는 네트워크 초기 단계에서 PoW를 통해 공정한 토큰 분배와 강력한 보안 기반을 마련한 뒤, 운영 효율성을 위해 PoS로 이행하는 전략이다. 이러한 모델은 순수 PoW 시스템의 높은 에너지 소비 문제를 장기적으로 해결하려는 시도이다.

PoW/PoS 혼합 모델의 주요 장점은 공격에 대한 저항력을 높이는 것이다. 공격자가 네트워크를 장악하려면 엄청난 연산력(PoW)과 동시에 대량의 토큰(PoS)을 모두 확보해야 하므로 비용이 매우 커진다. 그러나 두 가지 복잡한 메커니즘을 동시에 운영해야 하므로 프로토콜 설계가 복잡해지고, 참여자들에게 더 높은 이해를 요구한다는 단점도 있다.

하이브리드 합의 알고리즘은 단일 알고리즘의 한계를 보완하기 위해 두 가지 이상의 방식을 결합한 접근법이다. 작업 증명(PoW)과 지분 증명(PoS)의 혼합 모델 외에도, 다양한 조합이 연구되고 실제 네트워크에 적용되었다.

한 가지 대표적인 사례는 지분 증명(PoS)과 위임 지분 증명(DPoS)의 요소를 결합한 방식이다. 예를 들어, 코스모스(Cosmos) 네트워크의 텐더민트 합의(Tendermint Core)는 검증인(Validator) 집합이 지분 증명을 통해 선출되지만, 블록 생성 권한은 라운드 로빈 방식으로 빠르게 순환한다. 이는 지분 증명의 보안성과 위임 지분 증명의 빠른 처리 속도를 융합한 형태로 볼 수 있다. 또 다른 조합으로는 지분 증명과 실용 비잔틴 장애 허용(PBFT)을 결합한 방식이 있다. 일부 허가형 블록체인 플랫폼은 네트워크 참여 노드의 신원을 지분 증명으로 확인한 후, 실제 합의 과정에서는 PBFT와 같은 메커니즘을 사용하여 빠른 최종성(Finality)을 달성한다.

이러한 다양한 조합은 특정 사용 사례에 맞춰 확장성, 보안, 탈중앙화 수준, 에너지 효율성 등의 요소를 균형 있게 최적화하려는 목적을 가진다. 예를 들어, 데이터 무결성 검증이 중요한 엔터프라이즈 환경에서는 권위 증명(PoA)과 PBFT를 결합한 설계가, 높은 트랜잭션 처리량(TPS)이 필요한 분산 금융(DeFi) 애플리케이션에서는 지분 증명 기반의 빠른 BFT 계열 알고리즘이 선호되는 경향이 있다.

합의 알고리즘의 보안성은 51% 공격과 같은 악의적인 공격에 얼마나 강인한지를 평가하는 핵심 요소이다. 각 알고리즘은 서로 다른 보안 모델과 공격 벡터를 가지며, 이는 해당 블록체인 네트워크의 신뢰 수준을 결정한다.

작업 증명은 높은 해시 파워를 요구하는 계산 작업을 통해 공격 비용을 극대화한다. 공격자가 네트워크를 장악하려면 전체 네트워크 연산력의 51% 이상을 소유해야 하며, 이는 막대한 하드웨어 투자와 에너지 비용을 수반한다. 그러나 충분한 자본을 가진 대규모 공격자나 채굴 풀의 담합 위협에 취약할 수 있다. 반면, 지분 증명은 암호화폐를 네트워크에 예치(스테이킹)하는 방식을 사용한다. 악의적인 행위를 시도할 경우, 공격자 본인의 예치금이 몰수(슬래싱)되는 경제적 페널티가 부과된다. 이는 공격에 따른 경제적 비용을 직접적으로 부과하여 억제하는 메커니즘이다.

다른 알고리즘들의 보안성은 다음과 같이 비교할 수 있다.

하이브리드 합의 알고리즘은 여러 방식을 결합하여 단일 알고리즘의 취약점을 보완하려 시도한다. 예를 들어, 작업 증명과 지분 증명을 혼합하면 단기 공격은 작업 증명의 높은 비용으로, 장기 공격은 지분 증명의 경제적 페널티로 방어할 수 있다. 결국, 보안성은 단순히 기술적 강도뿐만 아니라 공격의 경제적 비용, 참여자들의 인센티브 구조, 그리고 네트워크의 분산화 정도에 의해 종합적으로 결정된다.

확장성은 블록체인 네트워크가 증가하는 트랜잭션 처리 요구를 수용할 수 있는 능력을 의미한다. 이는 주로 초당 처리 가능한 트랜잭션 수(TPS)와 네트워크 참여자 수가 증가할 때의 성능 저하 문제로 측정된다. 작업 증명 기반의 비트코인과 같은 초기 블록체인은 보안성을 우선시한 설계로 인해 블록 생성 시간과 크기에 제약이 있어 확장성에 한계를 보였다.

다양한 합의 알고리즘은 이러한 확장성 문제를 해결하기 위해 다른 접근법을 취한다. 지분 증명은 에너지 소모가 큰 계산 경쟁을 제거하여 블록 생성 속도를 높일 수 있는 잠재력을 가진다. 위임 지분 증명은 소수의 대표 노드가 합의에 참여하도록 함으로써 통신 오버헤드를 크게 줄이고 TPS를 극적으로 향상시킨다. 실용 비잔틴 장애 허용과 같은 알고리즘은 허가된 네트워크 내에서 매우 빠른 합의를 가능하게 하지만, 노드 수가 증가함에 따라 네트워크 통신량이 기하급수적으로 늘어나는 단점이 있다.

확장성을 높이기 위한 노력은 종종 탈중앙화나 보안성과의 트레이드오프 관계를 만든다. 예를 들어, 매우 높은 TPS를 제공하는 알고리즘은 소수의 노드가 네트워크를 통제하는 경향이 있다. 따라서 하이브리드 합의 알고리즘이나 샤딩, 레이어 2 솔루션과 같은 부가적인 기술이 확장성 문제를 해결하는 핵심 방안으로 연구되고 있다.

작업 증명은 높은 연산 경쟁을 통해 보안을 확보하지만, 이 과정에서 막대한 전력이 소비됩니다. 비트코인 네트워크의 연간 전력 소비량은 일부 중소국가의 총 전력 사용량을 초과할 정도입니다[8]. 이는 환경적 지속가능성에 대한 주요 비판점으로 작용합니다.

반면, 지분 증명은 블록 생성자를 선정하기 위해 복잡한 수학 문제를 푸는 과정이 필요 없습니다. 대신 코인 보유량과 기간에 기반하여 검증자가 선택되므로, 에너지 소비가 작업 증명 대비 극적으로 낮습니다. 이더리움의 더 머지 업그레이드는 네트워크의 에너지 소비를 약 99.95% 감소시켰다고 보고됩니다.

다른 알고리즘들의 에너지 효율성은 다음과 같이 비교할 수 있습니다.

하이브리드 합의 알고리즘은 에너지 효율성을 개선하기 위한 접근법 중 하나입니다. 예를 들어, 작업 증명과 지분 증명을 결합한 모델에서는 주 네트워크 보안에는 에너지 소비가 적은 방식을, 특정 체크포인트에는 에너지 소비가 높지만 검증이 강력한 방식을 사용하는 등 시너지를 추구합니다. 전체적으로, 새로운 합의 알고리즘 개발의 주요 동력 중 하나는 보안과 분산성을 유지하면서 에너지 효율성을 극대화하는 것입니다.

분산 금융은 합의 알고리즘을 기반으로 구축된 블록체인 네트워크 위에서 운영되는 금융 생태계이다. 중앙 기관 없이 스마트 계약을 통해 대출, 거래, 보험, 파생상품 등 전통적인 금융 서비스를 제공하는 것이 핵심 목표이다. 합의 알고리즘은 모든 거래의 무결성과 순서를 보장하며, 탈중앙화된 환경에서 신뢰를 형성하는 근간이 된다.

사용되는 합의 메커니즘에 따라 DeFi 플랫폼의 성능과 특성이 결정된다. 높은 보안성을 중시하는 작업 증명 기반 네트워크의 DeFi는 결제 최종성[9]이 강하지만, 거래 처리 속도와 비용 측면에서 한계를 보인다. 반면, 지분 증명이나 위임 지분 증명을 채택한 네트워크는 더 빠른 블록 생성 속도와 낮은 수수료를 바탕으로 복잡한 금융 상품과 높은 거래 빈도를 요구하는 서비스를 구현하는 데 유리하다.

다양한 합의 알고리즘은 서로 다른 DeFi 요구 사항을 충족시킨다. 예를 들어, 실용 비잔틴 장애 허용 방식은 허가형 컨소시엄 블록체인에서 기관 간 금융 결제나 자산 토큰화와 같은 사례에 적합하다. 한편, 하이브리드 합의 알고리즘은 보안과 처리량을 동시에 확보하려는 시도로, 더욱 복잡하고 안정적인 금융 프로토콜을 가능하게 한다.

데이터 무결성 검증은 블록체인과 합의 알고리즘이 데이터 분야에서 핵심적인 가치를 발휘하는 영역이다. 이는 단순히 데이터를 저장하는 것을 넘어, 데이터가 생성된 이후 변경되거나 훼손되지 않았음을 분산된 네트워크를 통해 검증하고 보장하는 과정을 의미한다. 작업 증명이나 지분 증명과 같은 합의 메커니즘은 네트워크 참여자들이 데이터 블록의 순서와 내용에 대해 동의함으로써, 일단 기록된 데이터는 변경이 사실상 불가능한 불변의 성질을 부여한다. 이러한 특성은 감사 추적, 문서 보관, 공급망 관리 등 다양한 분야에 적용된다.

구체적인 적용 사례로는 중요한 문서나 디지털 자산의 해시값을 블록체인에 타임스탬프와 함께 기록하는 방식이 있다. 원본 데이터는 오프체인에 저장하더라도, 그 해시값을 블록체인에 안전하게 저장하면 이후 해당 데이터의 무결성을 쉽게 검증할 수 있다. 데이터가 단 한 글자라도 변경되면 해시값이 완전히 달라지기 때문에, 블록체인에 저장된 원본 해시값과 비교함으로써 변조 여부를 즉시 확인할 수 있다. 이는 학위 증명서, 계약서, 의료 기록, 지적 재산권 증명 등의 분야에서 활용된다.

또한, 분산 원장 기술을 기반으로 한 데이터 공유 플랫폼에서 합의 알고리즘은 중요한 역할을 한다. 여러 기관이 참여하는 데이터 협업 네트워크에서, 참여자들은 누가 어떤 데이터를 추가했는지, 그 순서는 어떠했는지에 대한 신뢰할 수 있는 단일 버전의 기록을 필요로 한다. 실용 비잔틴 장애 허용과 같은 허가형 합의 알고리즘은 이러한 환경에서 신원이 알려진 검증자들 간에 효율적으로 데이터 상태에 대한 합의를 이루어내며, 데이터의 출처와 변경 이력을 투명하게 관리하는 기반을 제공한다.

이러한 데이터 무결성 검증의 적용은 기존의 중앙화된 검증 기관에 의존하던 방식을 탈피하여, 검증 비용을 낮추고 신뢰의 수준을 높이는 데 기여한다. 데이터의 생명주기 전반에 걸쳐 투명성과 책임성을 부여함으로써, 디지털 사회의 근간이 되는 정보의 신뢰성을 확보하는 중요한 수단이 되고 있다.