1985년, 제로 지식 증명(ZKP)에 대한 초기 개념이 “상호작용적 증명 시스템의 지식 복잡도”라는 제목의 동료 심사를 거친 학술 논문을 통해 처음 제시되었으며, 이는 암호학 분야의 획기적인 발전을 가져왔습니다. 연구자 샤피 골드와세르(Shafi Goldwasser), 실비오 미칼리(Silvio Micali), 찰스 래코프(Charles Rackoff)는 데이터 자체 외에는 어떠한 정보도 공개하지 않고도 해당 데이터가 유효하다는 것을 증명할 수 있는지 탐구했습니다. 약 40년이 지난 지금, ZKP는 많은 블록체인의 핵심 구성 요소로 자리 잡았으며, 향상된 개인정보 보호 및 보안을 통해 사용자에게 힘을 실어주고 있습니다.
다음 주제에 대해 더 자세히 알아보려면 계속 읽어보세요:
- 제로 지식 증명(ZKP)이란 무엇인가요?
- 제로 지식 증명의 구성 요소
- 제로 지식 증명은 어떻게 작동하나요?
- 제로 지식 증명의 유형
- 제로 지식 증명 애플리케이션 및 활용 사례
- 제로 지식 증명 도입의 과제
제로 지식 증명(ZKP)이란 무엇인가요?
제로 지식 증명(ZKP)은 여러 당사자가 진술 자체 이외의 정보를 공개하지 않고도 해당 진술의 진실성을 검증할 수 있게 해주는 암호화 기법입니다. 많은 블록체인이 ZKP를 활용하여 민감한 데이터가 포함된 상호작용의 보안을 강화하고 있습니다. 결과적으로, ZKP를 도입한 블록체인의 참여자들은 개인정보가 유출되거나 악의적인 행위자에 의해 악용될 가능성이 낮아지므로, 보다 안심하고 상호작용할 수 있습니다.
제로 지식 증명의 구성 요소
ZKP는 각 상호작용마다 최소 두 당사자가 필요합니다: 증명자 와 검증자입니다. 증명자는 진술의 타당성을 검증자에게 납득시키기 위해 실제 수학적 증명을 제시할 책임이 있습니다. 검증자는 이 증거를 검토한 후 이를 수락하거나 거부해야 합니다.
일반적으로 증명자와 검증자 간에는 양측 중 어느 한 쪽이 정보를 추측하거나 부적절한 정보를 제공할 가능성을 줄이기 위해 여러 차례의 의사소통이 이루어집니다.
제로 지식 증명은 어떻게 작동하나요?
ZKP는 첨단 암호 알고리즘과 수학적 개념의 기본 구성 요소를 활용하여 작동합니다. 예를 들어, ZKP는 암호학적 해시 함수를 를 사용하여, 검증자가 증명자와 상호 신뢰를 구축해 나가는 과정에서 무작위 챌린지를 생성합니다.
ZKP를 기반으로 하는 상호작용은 다음 조건을 충족해야 합니다:
- 완전성: 어떤 명제가 참이라면, 정직한 증명자는 검증자에게 이를 쉽게 납득시킬 수 있어야 한다.
- 타당성: 어떤 명제가 거짓일 경우, 부정직한 증명자는 검증자를 속일 수 없어야 한다.
- 제로 지식: 어느 당사자도 상대방에 대한 추가적인 개인 정보를 추출할 수 없으며, 제공된 진술의 내용만을 알 수 있다.
두 사용자가 ZKP를 이용해 거래를 진행하는 방식에 대한 예를 살펴보겠습니다:
- A(증명자)는 프라이버시 코인 ZCash를 사용하여 를 사용하여 거래를 실행하고자 하는데, 이는 블록체인을 관찰하는 누구도 해당 거래의 세부 정보(예: 이체 금액, 수취인 주소 등)를 추출할 수 없도록 하기 위함입니다.
- B(검증자)는 A로부터 ZCash를 받을 것으로 예상하지만, A의 지갑에 보관된 자산 총액과 같은 구체적인 정보는 알지 못합니다.
- A는 거래를 암호화한 후 블록체인에 제출합니다.
- A는 해당 거래가 유효함을 증명하기 위해 암호화된 거래와 함께 ZKP를 제출합니다.
- 블록체인의 노드들은 ZKP를 검증하여 A의 암호화된 거래가 실제로 유효한지 확인합니다.
- ZKP가 유효한 경우, B는 이를 수락합니다.
- ZCash가 A 씨의 계좌에서 B 씨의 계좌로 이체됩니다.
- 해당 거래는 블록체인에 영구적으로 기록됩니다.
제로 지식 증명의 유형
ZKP는 크게 두 가지 형태로 나뉩니다: 대화형 형식과 비상호작용형. 대화형 ZKP는 증명자와 검증자 간의 여러 차례에 걸친 상호 소통을 수반합니다. 비대화형 ZKP는 단 한 번의 소통만 이루어지며, 증명자는 검증자에게 단 한 번의 메시지만 전송하면 되며, 이를 위해 양측이 동시에 온라인 상태에 있을 필요는 없습니다.
블록체인 기반 시스템에서는 상호작용형 증명이 흔하지 않은데, 이는 비효율적일 뿐만 아니라 두 당사자가 동시에 온라인 상태에 있어야 한다는 점이 일반적으로 바람직하지 않기 때문이다. 따라서 비상호작용형 설정에서는 다음과 같은 유형의 ZKP가 사용된다:
제로 지식 간결 비상호적 지식 증명(zk-SNARKs) 을 통해 참여자는 특정 정보를 공개하지 않고도 해당 정보를 보유하고 있음을 증명할 수 있습니다. zk-SNARKs는 이더리움 블록체인에서 널리 사용되며, 특히 개인정보 보호형 스마트 계약에 유용합니다. 또한 ZCash는 zk-SNARKs를 활용하여 발신자, 수신자, 전송 금액 등 어떠한 정보도 공개되지 않는 ‘차폐 거래’의 유효성을 증명합니다.
제로 지식 확장 가능 투명 지식 증명(zk-STARKs) zk-STARKs는 zk-SNARKs와 유사하게 작동하지만, 대규모 계산을 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 투명성과 확장성이라는 추가적인 장점 덕분에 zk-STARKs는 다양한 블록체인 애플리케이션과 호환됩니다.
반박 불가능한 증거 는 값이 특정 범위 내에 있음을 값 자체를 드러내지 않고도 그 값이 특정 범위 내에 있음을 입증합니다. 모네로(Monero)는 는 불렛프루프를 사용합니다.
제로 지식 증명 애플리케이션 및 활용 사례
제로 지식 증명은 개인정보 보호 기능을 강화한 탈중앙화 프로토콜부터 확장 가능한 거래 솔루션에 이르기까지, 블록체인 생태계 내에서 폭넓은 응용 분야를 제공합니다. 이러한 활용 사례 중 일부는 이미 블록체인에 적용되고 있지만, 다른 일부는 여전히 가설 단계에 머물러 있거나 개발 초기 단계에 있습니다.
인증 및 안전한 신원 확인: DeFi 참여자는 ZKP를 사용하여 거버넌스 활동 참여 여부나 특정 토큰 보유자 그룹의 구성원 여부 등 특정 속성을 보유하고 있음을, 해당 속성의 실제 값을 공개하지 않고도 증명할 수 있습니다. 마찬가지로, 사용자는 ZKP를 활용하여 자신의 신원과 관련된 정보를 선택적으로 공개할 수 있습니다.
안전한 투표 시스템: ZKP를 활용하면 DeFi 참여자들이 자신의 투표 이력이나 선호하는 후보를 공개하지 않고도 투표 자격과 보유한 투표 수를 증명할 수 있습니다.
ZK-롤업 는 오프체인에서 거래 데이터를 묶거나 “롤업”하여 암호화 증명서로 만든 다음, ZKP를 사용하여 이더리움 메인넷에 캘ldata의 형태로 게시하는 레이어 2 확장성 솔루션입니다. 거래가 묶음 형태로 메인넷에 게시되므로 일반적으로 차지하는 공간이 적어, 이로 인해 이더리움의 계산 부하가 줄어듭니다. 널리 사용되는 Zk-롤업으로는 ZkSync 와 루프링등이 있습니다.
Zk-Plasma 는 플라즈마 네트워크의 변형으로, ZKP를 활용하여 이더리움 상에 개인정보 보호 기능을 갖춘 사이드체인을 구축합니다. 사용자는 메인넷의 모든 데이터를 검증하는 대신, 사이드체인에서 거래를 검증한 후 ZKP를 통해 이더리움에 해당 거래의 유효성을 게시할 수 있습니다.
분산형 거래소(DEX): ZKP를 활용하면 사용자의 거래 내역, 전략 또는 계좌 잔고를 노출하지 않고도 다양한 자산의 거래를 원활하게 진행할 수 있습니다.
공급망 투명성 및 무결성 검증: ZKP(제로 지식 증명)는 거래 정보나 생산 공정에 대한 기밀 정보를 권한이 없는 당사자에게 공개하지 않으면서도 공급업체의 자격 증명과 제품의 진위 여부를 검증함으로써 공급망의 보안을 강화할 수 있습니다. 또한 ZKP는 인증서 및 공급망 규제 기준 컴플라이언스 에 대한 준수 여부를 검증하는 데 도움이 될 수 있습니다.
아래 차트는 이러한 사용 사례 중 일부에 제로 지식 기술이 어떻게 활용되고 있는지를 보여줍니다. ZCash(개인정보 보호형 가상자산)를 비롯해 가장 인기 있는 여러 ZKP 애플리케이션으로 전송된 자금 규모를 확인할 수 있습니다. 토네이도 캐시 (분산형, 비수탁형 스마트 계약), Railgun(이더리움 L2 프라이버시 프로토콜), Aztec(이더리움 L2 프라이버시 프로토콜) 등 가장 인기 있는 ZKP 애플리케이션 몇 곳으로 전송된 자금 규모를 확인할 수 있습니다. 2022년 1월부터 2024년 4월까지 Tornado Cash로 전송된 자금은 약 50억 달러로, 다른 세 가지 ZKP 지원 애플리케이션보다 더 많았습니다.
제로 지식 증명 도입의 과제
ZKP가 블록체인의 보안성과 효율성을 높일 수 있는 가능성을 지니고 있기는 하지만, 그 광범위한 도입에는 몇 가지 과제가 놓여 있습니다:
- ZKP를 구현하고 배포하려면 암호학 원리와 고등 수학에 대한 깊은 이해가 필요하지만, 대부분의 개발자는 이러한 전문 지식을 갖추고 있지 않습니다.
- ZKP를 생성하는 데는 대개 상당한 연산 자원이 필요하기 때문에, 거래 처리 시간이 길어지고 수수료가 높아지는 결과를 초래합니다.
- 참여자들이 호환되지 않는 프로토콜이나 검증 방식을 마주하게 되면, 블록체인 간의 상호운용성이 어려워질 수 있다.
- ZKP의 복잡성과 이에 수반되는 데이터 저장 방식은 규제 준수 컴플라이언스 와 감사와 관련해 여러 가지 어려움을 초래할 수 있다.
블록체인에서 제로 지식 증명의 미래
블록체인 플랫폼의 개인정보 보호 및 보안 중요성에 대한 인식이 높아짐에 따라, 제로 지식 증명(ZKP)의 도입이 확대될 것으로 보입니다. 또한, 이더리움의 많은 레이어 2 프로토콜들은 확장성과 효율성을 개선할 방법을 지속적으로 모색하고 있으며, ZKP가 이러한 문제 해결에 기여할 수 있습니다. 이러한 지속적인 노력은 사용자의 민감한 정보를 보호하고, 블록체인 상호운용성을 촉진하기 위해 블록체인 거래를 표준화하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.
자주 묻는 질문
제로 지식 증명이란 무엇인가요?
제로 지식 증명(ZKP)은 여러 당사자가 진술 자체 이외의 어떠한 정보도 공개하지 않고도 해당 진술이 사실인지 확인할 수 있게 해주는 암호화 기법입니다. 많은 블록체인에서 ZKP를 활용하여 민감한 데이터와 관련된 상호작용의 보안을 강화함으로써, 사용자들이 자신의 개인정보가 유출되지 않을 것이라는 확신을 가지고 안심하고 서비스를 이용할 수 있도록 합니다.
제로 지식 증명은 어떤 세 가지 조건을 충족해야 합니까?
제로 지식 증명을 기반으로 하는 상호작용은 세 가지 기본 요건을 충족해야 합니다. 완전성이란, 진술이 참일 경우 정직한 증명자가 검증자를 쉽게 설득할 수 있음을 의미합니다. 타당성은 진술이 거짓일 경우 부정직한 증명자가 검증자를 속일 수 없음을 보장합니다. 마지막으로, 제로 지식은 어느 당사자도 상대방에 대한 추가적인 개인 정보를 추출할 수 없음을 보장합니다.
상호작용형 제로 지식 증명과 비상호작용형 제로 지식 증명의 차이점은 무엇인가요?
상호작용형 제로 지식 증명은 증명자와 검증자 간의 여러 차례에 걸친 주고받는 통신이 필요합니다. 반면, 비상호작용형 증명은 증명자가 검증자에게 단 한 번의 메시지를 보내는 단 한 차례의 통신만으로 이루어집니다. 비상호작용형 증명은 양측이 동시에 온라인 상태일 필요가 없기 때문에 블록체인 시스템에서 훨씬 더 널리 사용됩니다.
가상자산 생태계에서 제로 지식 증명은 어떻게 활용되나요?
제로 지식 증명은 블록체인 기술에 걸쳐 광범위한 응용 분야를 제공합니다. 이는 안전한 신원 확인, 익명 투표 시스템, 개인정보 보호형 스마트 계약 등에 활용됩니다. 또한, zk-롤업(zk-rollups)이라 불리는 레이어 2 확장 솔루션의 기반이 되며, 이 솔루션은 거래 데이터를 오프체인에서 묶어 처리함으로써 이더리움과 같은 네트워크의 계산 부하를 줄이고 거래 속도를 향상시킵니다.
제로 지식 증명이 널리 보급되는 것을 가로막는 주요 과제는 무엇인가요?
제로 지식 증명의 광범위한 도입에는 몇 가지 장애물이 존재합니다. 이를 구현하려면 대부분의 개발자가 갖추지 못한 고급 수학과 암호학에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 또한, 이러한 증명을 생성하는 데는 상당한 컴퓨팅 자원이 필요한 경우가 많아, 이로 인해 수수료가 상승하고 처리 시간이 지연될 수 있습니다. 또한 이 기술의 복잡성으로 인해 규제 컴플라이언스 와 크로스체인 상호운용성 측면에서도 어려움이 발생합니다.
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