파일코인 시공간 증명과 복제 증명의 데이터 저장 유효성 검증 원리
증상 확인: 데이터 무결성과 저장소 신뢰성에 대한 의문
분산 저장 네트워크에서 가장 근본적인 질문은 “내 데이터가 정말 안전하게, 변조 없이 저장되어 있는가?”입니다. 예를 들어 Filecoin과 같은 인센티브 기반의 탈중앙화 스토리지 네트워크는 단순히 데이터를 복사해 여러 곳에 보관하는 수준을 넘어, 저장 공급자(Storage Provider)가 약속한 대로 데이터를 유지하고 있음을 수학적으로 증명해야 합니다. 사용자 입장에서는 블록체인 거래 내역처럼 투명하게 검증 가능한 증거가 없다면, 결제한 스토리지 서비스의 실질적 가치를 신뢰하기 어렵습니다. 이는 단순한 소프트웨어 버그가 아닌, 네트워크의 존재 이유와 직결된 핵심 문제입니다.
원인 분석: 신뢰를 구축하는 두 가지 증명 메커니즘
기존 클라우드 저장소는 아마존, 구글 같은 중앙화된 기업의 신뢰에 의존합니다. 반면, 탈중앙화 네트워크에서는 익명의 다수 공급자에 대한 신뢰를 코드와 암호학으로 대체해야 합니다, filecoin은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 계층적 증명(proof) 시스템을 도입했습니다. 첫째, 특정 시점에 특정 데이터를 보유하고 있다는 ‘순간적 증명’인 복제 증명(Proof of Replication, PoRep). 둘째, 시간의 흐름에 따라 데이터를 계속 보유하고 있다는 ‘지속적 증명’인 시공간 증명(Proof of Spacetime, PoSt). 이 두 메커니즘이 상호 보완적으로 작동할 때, 네트워크는 저장 서비스의 품질을 검증하고, 성실한 공급자에게 보상을, 불성실한 공급자에게는 페널티를 부과할 수 있는 근거를 마련합니다.
해결 방법 1: 복제 증명(Proof of Replication)의 유효성 검증 원리 이해
복제 증명은 저장 공급자가 클라이언트의 원본 데이터를 전용 물리 저장 공간에 ‘한 번만’ 독특하게 인코딩하여 저장했는지를 검증합니다. 이는 단순한 복사본 생성이 아니라, 저장 공급자에게 계산적으로 비용이 많이 드는 고유한 방식을 통해 데이터를 ‘채굴’하도록 강제합니다.
PoRep의 단계별 검증 프로세스
- 데이터 세그먼트화 및 인코딩: 클라이언트가 업로드한 원본 데이터는 먼저 조각(Sector) 단위로 나뉩니다. 각 조각은 저장 공급자의 고유한 키(복제본 비밀키)와 함께 여러 겹의 암호학적 해시 함수와 느린 의사 난수 함수를 통해 처리됩니다. 이 과정을 ‘Sealing’이라고 하며, 그 결과 생성된 것이 원본 데이터와는 완전히 다른 형태의 ‘복제본’입니다.
- 커밋먼트 생성: Sealing 과정이 끝나면 두 가지 중요한 암호학적 커밋먼트(Commitment, 약속)가 생성됩니다. 첫째는 복제본의 루트 해시인
Replica Commitment, 둘째는 Sealing 과정에 사용된 모든 임의성의 루트 해시인Data Commitment입니다. 이 값들은 체인에 게시됩니다. - 무작위 챌린지와 응답: 검증자(네트워크의 검증 노드 또는 스마트 컨트랙트)는 저장 공급자에게 무작위 챌린지(난수)를 보냅니다. 공급자는 자신의 로컬 저장소에서 해당 복제본 데이터에 즉시 접근하여, 챌린지에 대한 올바른 응답(Proof)을 생성해야 합니다. 이 응답은 복제본의 특정 위치를 샘플링한 결과로, 사전 계산이 불가능합니다.
- 검증 실행: 검증자는 체인에 올라간
Replica Commitment와 공급자가 제출한 응답을 이용해, 매우 효율적인 계산(대부분의 경우 머클 트리 경로 검증)으로 응답의 진위를 확인합니다, 이 과정에서 원본 데이터 자체는 전혀 노출되지 않습니다.
핵심은 저장 공급자가 replica commitment에 해당하는 고유한 복제본을 실제로 물리적 저장 공간에 보유하지 않고서는 챌린지에 올바르게 응답할 수 없다는 점입니다. 이로써 ‘독점적 저장’이 증명됩니다.
해결 방법 2: 시공간 증명(Proof of Spacetime)의 유효성 검증 원리 이해
복제 증명이 ‘한 순간’의 증명이라면, 시공간 증명은 ‘과거부터 현재까지의 연속적’ 증명입니다. 저장 공급자가 기간 동안 데이터를 지속적으로 보관하고 접근 가능한 상태로 유지했는지를 확인합니다. PoSt는 두 가지 모드로 운영됩니다.
Winning PoSt (블록 생성 시)
- 블록 생성 권한을 얻기 위해, 공급자는 자신이 책임지고 있는 여러 데이터 조각 중 무작위로 선택된 하나에 대해 즉각적인 PoRep 챌린지에 응답해야 합니다.
- 이 응답이 정확하고 시간 내에(30초 내) 제출되어야만 새로운 블록을 생성하고 보상을 받을 자격을 얻습니다. 이는 저장소가 현재 온라인 상태이며 응답 가능함을 실시간으로 증명합니다.
Windowed PoSt (일상적 감사)
- 네트워크는 하루에 24-48회에 걸쳐 모든 저장 공급자에게 정기적인 윈도우(예: 24시간)를 열어둡니다.
- 각 공급자는 자신이 관리하는 모든 데이터 조각에 대해 순차적으로 PoSt 챌린지에 응답하는 증거를 생성해야 합니다. 이는 모든 저장 데이터에 대한 지속적인 감사 역할을 합니다.
- 이 증거를 지정된 윈도우 내에 체인에 제출하지 못하면, 해당 공급자는 결함(Fault)으로 간주되어 페널티(스토리지 제공자 담보금 일부 삭감)를 받게 됩니다. 연속적으로 실패하면 네트워크는 해당 데이터가 유실되었다고 판단하고 복구 프로세스를 시작합니다.
PoSt의 검증 원리는 본질적으로 PoRep의 반복 수행입니다. 반면에 그 빈도와 체계적 무작위성이 저장 서비스의 ‘지속성’을 보장합니다. 공급자가 데이터를 삭제하거나 오프라인으로 전환하면, 다음 PoSt 챌린지에 응답할 수 없게 되어 경제적 페널티가 발생하도록 설계되었습니다.
주의사항 및 검증의 실질적 의미
이러한 증명 시스템은 기술적으로 정교하지만, 사용자와 개발자가 이해해야 할 몇 가지 실용적 제약과 의미가 있습니다.
- 검증의 간접성: 일반 사용자가 직접 복잡한 증명을 수동으로 검증하는 것은 사실상 불가능합니다. 대신, Filecoin 블록체인에 기록되고 검증 노드들에 의해 합의된 ‘검증 성공/실패 트랜잭션’을 신뢰하게 됩니다. 사용자는 지갑 주소의 거래 내역이나 공급자의 평판 점수를 통해 간접적으로 확인할 수 있습니다.
- 데이터 가용성(Availability) vs. 검증: PoSt는 데이터가 존재함을 증명하지만, 사용자가 언제든지 데이터를 빠르게 검색(Retrieve)할 수 있음을 보장하지는 않습니다. 빠른 검색을 위해서는 별도의 검색 시장에서 공급자와 거래하거나, 자체적으로 데이터를 캐싱하는 인센티브 모델(예: Filecoin Retrieval Market)을 활용해야 합니다.
- ‘존재 증명’의 한계: 암호학적 증명은 데이터 비트가 저장되어 있음을 보여주지만, 그 데이터의 의미나 품질(예: 영상 파일의 손상 여부)까지 검증하지는 않습니다. 애플리케이션 레벨에서의 체크섬 검증은 여전히 필요할 수 있습니다.
전문가 팁: Filecoin 네트워크를 활용하는 개발자나 기업은 단순히 스토리지 공급자에게 데이터를 맡기는 것에서 더욱이, ‘다중 복제본 전략’을 수동으로 관리할 것을 고려해야 합니다. 네트워크 자체가 복제본 수를 강제하지는 않으므로, 중요한 데이터는 서로 다른 지리적 위치와 신뢰 모델을 가진 여러 저장 공급자와 계약을 맺어 복제본 수를 늘리는 것이 재난 복구(DR) 관점에서 유리합니다. 스마트 컨트랙트를 이용해 N개 이상의 성공적인 PoSt 증명이 체인에 확인될 때까지 결제를 지연시키는 조건부 결제 로직을 구현하는 것은 저장 서비스 품질에 대한 강력한 인센티브가 됩니다.
