Why Ethereum Needs Fairness Mechanisms that Do Not Depend on Participant Altruism

이 논문은 블록 제안자의 98.6% 이상이 외부 서비스에 의존하거나 이기적인 행동을 보임에 따라, 이더리움의 공평성 메커니즘이 참가자의 이타심에만 의존할 수 없으며 인센티브나 페널티 기반의 추가 장치가 필요함을 실증적으로 입증합니다.

핵심

이 논문은 **이더리움 (Ethereum)**이라는 거대한 디지털 화폐 네트워크가 가진 '공정성'과 '분산화'라는 이상적인 목표가, 현실에서는 얼마나 취약한지를 숫자로 증명하고 있습니다.

핵심 내용을 이해하기 쉽게 한 마디로 요약하면 다음과 같습니다.

"이더리움의 규칙을 지키는 '착한 사람 (이타적)'이 거의 없기 때문에, 단순히 그들의 선의에 기대어 네트워크를 보호하는 것은 불가능하다. 우리는 착한 사람이 없어도 작동하는 강력한 '징벌 제도'나 '인센티브'가 필요하다."

이제 이 내용을 일상적인 비유로 풀어보겠습니다.

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1. 배경: 이더리움은 거대한 '버스 회사'입니다

이더리움 네트워크를 상상해 보세요. 수천 대의 버스가 매일 수백만 명의 승객을 태우고 목적지로 이동합니다.

• 버스 기사 (Proposer/검증자): 매번 특정 버스를 운전할 권한을 가진 사람입니다.
• 승객 (사용자): 버스에 타고 싶어 하는 사람들입니다.
• 목적: 모든 승객이 공정하게, 누구도 차별받지 않고 버스에 탑승해야 합니다.

이론상, 각 버스 기사는 자신의 이익을 위해 승객을 내리거나 (검열), 특정 승객에게 먼저 탑승하게 해주고 돈을 받는 (프론트러닝) 행위를 하지 않아야 합니다. 이것이 '분산화'와 '공정성'의 이상입니다.

2. 문제: "착한 기사"는 정말 있을까?

연구자들은 "적어도 몇 퍼센트의 기사들은 돈보다 원칙을 중요하게 생각할 거야 (이타적)"라고 가정하고 새로운 안전 장치를 만들려고 했습니다. 마치 "버스 회사에 착한 기사가 몇 명만 있으면, 나쁜 기사가 승객을 내리더라도 그 착한 기사가 막아줄 거야"라고 믿는 것과 같습니다.

하지만 연구진은 2025 년 1 월부터 4 월까지의 실제 데이터를 샅샅이 조사했습니다. 결과는 충격적이었습니다.

🚨 비유: "버스 기사들의 실체"

연구진이 버스 기사들을 조사한 결과, 다음과 같은 사실이 드러났습니다.

1. 대부분의 기사 (약 91%) 는 '대리 운전'을 시켰습니다.

   • 기사들은 직접 운전하는 대신, **중앙집중식 '대리운전 회사 (MEV-Boost)'**에 버스를 맡겼습니다.
   • 이 대리운전 회사는 "승객을 내리고, 돈을 더 많이 주는 사람만 태우라"고 지시합니다. 기사들은 이 지시를 맹목적으로 따르기만 할 뿐, 직접 승객을 선택할 권한도, 의지력도 없습니다.
   • 비유: "나는 버스 기사지만, 내 차는 '대리운전 앱'이 운전해. 그 앱이 승객을 내리면 나도 모르게 내리는 거야."

2. 나머지 9% 중에서도 '착한 기사'는 거의 없었다.

   • 직접 운전하는 기사들 중에서도, 서로 연결된 '버스 회사 (공유 거버넌스)'를 통해 운영되는 경우가 많았습니다.
   • 이 회사들 중 하나라도 돈을 위해 나쁜 짓을 하면, 그 회사에 소속된 모든 기사가 나쁜 짓을 할 가능성이 높습니다.
   • 비유: "직접 운전하는 기사들도 사실은 거대 버스 그룹의 소속이야. 그룹 대표가 "돈이 되는 승객만 태워"라고 하면, 그 기사도 따라야 해."

3. 결론: 진짜 '착한 기사'는 1.4% 미만.

   • 연구 결과, 진짜로 원칙을 지키고, 돈에 흔들리지 않는 '진정한 이타적 기사'는 전체의 1.4% 미만인 것으로 드러났습니다.
   • 이는 우리가 믿었던 "몇 퍼센트만 있으면 돼"라는 가정을 완전히 무너뜨립니다.

3. 왜 이것이 문제인가? "착한 기사"에 의존하면 망한다

이제 새로운 안전 장치 (예: '승객 보호 위원회') 를 만들었다고 칩시다. 이 위원회는 "나쁜 기사가 승객을 내리면, 위원회 중 한 명이라도 막아서야 해"라고 설계되었습니다.

• 과거의 생각: "위원회를 16 명으로 구성하면, 그중 1 명이라도 착한 기사가 있을 확률이 78% 라서 안전해!"
• 현실: "착한 기사가 1.4% 밖에 없다면? 16 명 위원회 중 착한 기사가 있을 확률은 20% 도 안 돼."

즉, 나쁜 기사들이 돈을 받고 승객을 내리려고 할 때, 그걸 막아줄 '착한 기사'가 거의 없을 가능성이 매우 높습니다. 착한 사람의 선의만 믿으면 네트워크는 결국 부패하고, 특정 세력에게 장악당하게 됩니다.

4. 해결책: "착한 사람"이 아니라 "시스템"을 믿어야 한다

이 논문은 결론을 이렇게 내립니다.

"더 이상 '착한 기사'가 나타나길 바랄 수 없습니다. 대신, 나쁜 짓을 하면 벌금을 물거나, 착한 짓을 하면 보상을 주는 '시스템'을 만들어야 합니다."

• 징벌과 보상: 기사가 승객을 내리면 자동으로 벌금을 물게 하거나, 승객을 공정하게 태우면 보너스를 주는 시스템을 도입해야 합니다.
• 커뮤니티의 크기: 만약 여전히 '착한 사람'에 의존해야 한다면, 위원회 인원을 16 명에서 최소 128 명으로 늘려야 합니다. 그래야 나쁜 기사가 하나라도 섞여도 전체를 망가뜨리지 않을 수 있습니다. 하지만 이는 비효율적입니다.

📝 한 줄 요약

이더리움은 **"착한 사람 (이타적 참여자) 이 거의 없다"**는 사실을 인정해야 합니다. 따라서 네트워크의 공정성을 지키기 위해 사람의 도덕성에 기대는 것이 아니라, 나쁜 짓을 하면 손해가 되고 좋은 짓을 하면 이득이 되는 '강력한 시스템 규칙'을 만들어야 합니다.

이 연구는 우리가 "누군가 지켜줄 거야"라고 기대하는 것이 얼마나 위험한지, 그리고 시스템 설계가 얼마나 더 치밀해야 하는지를 일깨워줍니다.

기술 요약

논문 요약: 이더리움의 공평성 메커니즘과 이타적 제안자의 부재

1. 문제 정의 (Problem)

이더리움의 핵심 가치인 탈중앙화와 검열 저항성은 실제 운영에서 위협받고 있습니다. 현재 제안된 공평성 메커니즘 (예: 포함 목록 (Inclusion Lists), 다중 동시 제안자 (MCP) 설계 등) 은 블록 제안자 (Proposer) 들 중 일정 비율이 **이타적 (Altruistic)**으로 행동한다는 가정에 기반합니다.

• 이타적 제안자: 단기적인 수익을 포기하더라도 프로토콜을 준수하고, 사용자의 공평성과 네트워크의 탈중앙화를 우선시하는 행위자.
• 현실적 문제: 기존 연구에 따르면 블록 제안자의 약 91% 는 수익 극대화를 위해 블록 구성을 중앙화된 서비스 (MEV-Boost 등) 에 위임하고 있으며, 이는 이타적이지 않은 행동으로 간주됩니다.
• 연구 질문: 실제로 이더리움 네트워크에 얼마나 많은 '진정한' 이타적 제안자가 존재하며, 기존 공평성 메커니즘이 이들을 기반으로 작동할 수 있는가?

2. 연구 방법론 (Methodology)

저자들은 2025 년 1 월부터 4 월까지 4 개월 간의 이더리움 메인넷 데이터를 분석하여 이타적 제안자의 상한선 (Upper Bound) 을 추정했습니다. 총 600,115 명의 제안자를 대상으로 **6 단계의 분류기 (Classifier)**를 적용하여 비이타적 행위를 가진 제안자를 단계별로 배제했습니다.

데이터 수집:

• 실행 계층 (Execution Layer): 트랜잭션, 우선순위 수수료, 코인베이스 주소.
• 합의 계층 (Consensus Layer): Beacon Chain API 를 통한 제안자 인덱스.
• MEV-Boost 릴레이 데이터 및 네트워크 계층 데이터.

분류 및 배제 과정:

1. Classifier I (릴레이 사용자 배제): MEV-Boost 릴레이를 통해 블록을 제안한 모든 제안자 배제 (블록 내용을 외부 빌더에게 완전히 위임).
2. Classifier II (공유 거버넌스 배제): MEV-Boost 를 사용하지 않더라도, 이미 배제된 비이타적 제안자와 동일한 **코인베이스 주소 (Coinbase Address)**를 공유하는 거버넌스 구조 (관리 주체) 에 속한 제안자 배제.
3. Classifier III (계정 유형 필터링): 스마트 컨트랙트 계정 (CA) 을 코인베이스로 사용하는 클러스터 배제 (대부분의 STaaS 제공자). 외환 소유 계정 (EOA) 만 유지.
4. Classifier IV (빌더 지불 확인): 빌더로부터 직접적인 지불 (Builder Fee) 을 받은 코인베이스를 가진 클러스터 배제.
5. Classifier V (XOF 트랜잭션 배제): 공개된 메모풀에 없는 독점 오더 플로우 (Exclusive Order Flow, XOF) 트랜잭션을 포함한 블록 제안자 배제.
6. Classifier VI (트랜잭션 순서 분석): 블록 내 트랜잭션 순서가 공개된 속성 (수수료 등) 에 기반하지 않고 내부적으로 조작된 것으로 보이는 제안자를 '잠재적 이타적'으로 분류하고, 명확한 이타적 행위를 보이는 제안자만 최종 선정.

3. 주요 결과 (Key Results)

분석 결과, 이더리움 네트워크에서 이타적 행위를 보이는 제안자의 비율은 기존 추측보다 훨씬 낮았습니다.

• 전체 제안자 중 비이타적 비율: 약 98.64%
  • 92.13%: MEV-Boost 릴레이를 명시적으로 사용.
  • 6.05%: 릴레이를 직접 사용하지는 않았으나, 비이타적 관리 주체 (STaaS 등) 에 의해 통제됨.
  • 0.46%: XOF(독점 오더 플로우) 를 활용한 MEV 추출 행위 확인.
• 진정한 이타적 제안자 (Altruistic Proposers): 전체의 0.71%
  • MEV-Boost 를 사용하지 않고, 공유 거버넌스나 XOF 를 활용하지 않으며, 트랜잭션 순서가 수수료에 따라 엄격하게 정렬된 (Spearman 상관관계 > 0.7) 제안자.
• 잠재적 이타적 제안자 (Potentially Altruistic Proposers): 전체의 0.65%
  • 명확한 비이타적 증거는 없으나, 트랜잭션 순서가 완벽하지는 않음.
• 최종 결론: 이타적 제안자의 총 비율은 1.36% 미만 (상한선) 으로 추정됩니다.
• 시간적 분포: 이타적 행위를 보이는 제안자들은 주로 이더리움의 PoS 전환 (The Merge) 이전, MEV 수익 기회가 없던 시기에 등록된 오래된 검증자들 (Validator Index 0~37,919) 에 집중되어 있었습니다. 최근 등록된 검증자 (Index 1,000,000 이상) 중 이타적 제안자는 0.2% 미만입니다.

4. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 실증적 데이터 기반의 이타성 측정: 기존에 "약간의 이타적 제안자가 존재할 것"이라는 가설을 정량적으로 검증하고, 실제 비율이 1.4% 미만임을 증명했습니다.
2. 공유 거버넌스 (Shared Governance) 의 영향력 분석: 단순히 블록을 직접 생성하는지 여부가 아니라, 운영 주체 (관리자) 가 비이타적이라면 해당 주체 하의 모든 제안자는 비이타적으로 간주해야 함을 논증했습니다.
3. 기존 공평성 메커니즘의 한계 지적: 현재 제안된 위원회 기반 (Committee-based) 공평성 메커니즘이 이타적 제안자에만 의존할 경우, 검열 저항성을 확보하기 위해 최소 128 명 이상의 대규모 위원회가 필요함을 계산하여 보여주었습니다. (16 명 위원회일 경우 이타적 제안자가 포함될 확률은 20.7% 에 불과함).

5. 의의 및 시사점 (Significance)

• 인센티브 기반 메커니즘의 필요성: 제안자의 이타심 (Altruism) 만에 의존하는 것은 공평성 메커니즘을 성공적으로 구현하기에 불충분합니다. 따라서 **보상 (Reward) 또는 페널티 (Penalty)**를 통해 공평한 행위가 합리적 선택 (Rational Choice) 이 되도록 설계해야 합니다.
• 메커니즘 설계의 방향성:
  • 위원회 기반 방식은 위원회 규모를 대폭 확대해야 하거나, 이타적 제안자에 대한 의존도를 줄여야 합니다.
  • 대안으로 제안된 FairFIL 과 같은 메커니즘은 빌더에게 검열 기록을 강제하거나, 더 넓은 검증자 집단을 통해 검열 비용을 높이는 방식이 필요합니다.
• ePBS (Enshrined PBS) 에 대한 함의: 이더리움의 ePBS 업그레이드가 도입되더라도, 제안자의 합리성 (수익 극대화) 은 변하지 않으므로 본 연구의 결론은 유효합니다. 오히려 제안자가 블록 내용을 통제할 수 없는 구조가 고착화될 수 있어, 외부 메커니즘이 더욱 중요해집니다.

결론적으로, 이 논문은 이더리움의 공평성과 검열 저항성을 보장하기 위해 단순한 도덕적 기대 (이타심) 를 버리고, 경제적 인센티브와 페널티를 통해 비이타적 행위를 억제하는 새로운 프로토콜 설계가 시급함을 강력하게 주장합니다.