일단 라이트닝 네크워크가 뭔지 어떻게 그게 즉시결제가 가능한 건지에 대해 아주 개괄적으로 설명하자면 결제기록을 블록체인 네트워크에 직적 기록하는 게 아니라 다른 곳에 기록해두고 있다가 나중에 그 합산한 결과만 기록하는 방식으로 이루어진다. 실제 블록체인에 기록하는 것이 아니다 보니 당연히 fee도 안 들어가고 결제시간도 별도의 추가적인 시간을 소요하는 것이 아니라 결제했다는 정보를 상대방에게 전달하면 끝이라 사실상 즉시 결제가 되는 것이지. 그런데 이걸 설명하면 자연스레 따라오는 의문이 있다. 

"블록체인 자체에 기록하는 게 아니라 따로 기록해두고 있다가 나중에 합산 결과만 기록하면 되니까 빠르다고? 아니 근데 블록체인이 신뢰가 없는 사람들 간에 거래가 가능한 이유 자체가 블록체인에 기록됐으면 되돌릴 수 없기 때문인데 다른 곳에다가 기록해두면 결국 그 사람의 호의에 의존해야 한다는 말 아닌가? 그 사람이 라이트닝 네트워크를 통해 결제하고 난 다음 블록체인에 기록되기 전에 말을 바꾸고 엥 나는 그런 적 없는데? 라고 하면 어쩌자는 거지?"

그런데 그렇지가 않다. 라이트닝 네트워크(이하 LN)은 블록체인에 기록하지 않으면서도 스마트 컨트랙트를 통해 마치 실제로 기록한 것과 같은 강제성을 상대방에게 강요할 수 있고 이는 암호학적 원리에 의해 수학적으로 보증된다. 기록하지 않았음에도 불구하고 기록한 것과 동등한 수준의 확실성을 가질 수 있는 것인데 정확히 말하면 실제 기록한 것과 완전히 동등한 수준은 아니다. 블록체인에 기록됐으면 부정을 시도하는 것 조차 불가능한 것에 비해서 라이트닝 네트워크의 기록은 상대방이 사기를 시도할 수는 있다. 하지만 상대방이 그런 시도를 할 경우 

1. 무조건 내가 사전에 알 수 있고 

2. 상대방이 실제로 나의 돈을 가져가기 전까지 내가 대처할 수 있는 일정한 시간과 선공권이 주어진다.

그리고 그 대처란 사기를 당하지 않게 조치를 취할 뿐만 아니라 사기를 시도한 상대방의 다른 코인 마저 빼앗을 수 있는 암호학적 권리를 가지게 되는 것이다. 이는 상대방의 허가 없이 발동할 수 있는 강제집행이 가능한 수학적 권리다. 따라서 상대방은 감히 사기를 시도할 엄두를 내지 못하게 된다. 어차피 성공도 못할 뿐더러 자기 돈까지 토해내게 되니까. 하지만 이는 어디까지나 내가 '일정 시간' 동안 컴퓨터를 끄고 오프라인상태에 있지 않는다는 조건이 필수다. 

LN을 통해 거래를 하는 도중에, 불의의 사고로 한 사전에 협의한 '일정 시간' 이상의 시간을 컴퓨터를 켜놓지 않게 된다면, 그리고 또한 그 사실을 상대방이 알게 된다면, 그들은 사기를 시도할 수 있다. 그 경우에도 나에게는 사기를 피하고 사기 시도자의 돈을 더 빼앗을 수 있는 암호학적 권리를 가지게 되는 것은 동일하지만, 오프라인 상태기 때문에 상대방이 사기를 시도했다는 사실을 깨닫지 못한 채 시간이 지나버려 결국 경제적인 손실을 입을 수 있다. 이 경우만 아니라면 LN은 블록체인에 쓰지 않고서도 쓴 것과 같은 수준의 신뢰성을 제공한다. 이런 경우가 있기 때문에 백퍼센트 동등한 수준이라고는 할 수 없지만 이정도면 상당히 괜찮지. 왜? 어차피 LN은 소액결제용으로 나온 거니까 큰 돈을 넣어두는 용도가 아니기 때문이다. 전재산에 해당하는 예적금 이런 거는 그냥 콜드월렛에 보관하고 부동산 구매, 자동차 구매 이런 건 온체인 거래해도 아무 상관없다. 심지어 인터넷 쇼핑은 소액이라도 온체인 거래를 해도 되지. 느려서 불편한 건, 대면결제에서 뿐이다.

여튼 위에서 언급한 사기가 일어날려면 지역단위로 며칠 동안의 대규모 정전 사태가 벌어진다거나, 갑작스러운 교통사고 등으로 인한 수일 간에 혼수상태에 빠지는 것 같은 극단적인 위급상황을 제외하면 사실상 있을 수 없는 일이고 그마저 이런 일이 설혹 벌어졌다고 하더라도 상대방이 내가 그런 위급상황에 빠졌다는 것을 모른다면 역시 자기 돈 뺏길까봐 무서워서 사기 시도를 할 수 없다. 내가 며칠 접속을 안 하는데 그들은 내가 그냥 잠깐 휴가를 간 건지 저런 위급상황에 빠져서 접속을 안 하는 건지 어떻게 알겠는가? 사실상 사기의 리스크는 없다고 보면 된다.

LN은 어떻게 해서 이런 마법같은 일을 가능하게 하는가? 이를 이해하기 위해선 다음과 같은 사전지식이 필요하다. 해시, UTXO, 트랜잭션 단위의 타임락, 아웃풋 단위의 타임락, 마이크로 페이먼트 채널, 해시타임락, 라이트닝 채널, 그리고 이것들을 최종적으로 결합한 라이트닝 네트워크. 하나하나 어떤 말인지 알아보자. 안다면 넘어가면 되고 모른다면 하나하나 차근차근 읽으면 된다.

--- 해시

해시 또는 해시함수라 불리는 것은 무엇인가? 그것은 임의의 문자열 x를 입력으로 받아서 완전히 새로운 문자열 y를 출력하는 기능이다. 이때 입력값 x를 프리이미지, 출력값 y를 다이제스트라고 한다. 해시 함수의 특징이 몇 가지 있는데 다음과 같다.

1. 입력값 x의 크기에 제한이 없다. 

2. 출력값 y는 어떤 x를 넣으나 항상 일정한 길이의 문자열이 나온다.

3. 입력값 x가 같으면 항상 똑같은 출력값 y가 나온다.

4. 출력값 y를 보고 어떤 입력 x가 들어왔는지 역산하는 것은 불가능하다.

5. 입력값 x에 아주 약간의 변화를 줬을 때에도 출력값 y는 전혀 다른 완전히 새로운 문자열이 나온다. 해시 함수를 직접 돌려보기 전에 x만 보고 어떤 y가 나올지 대략적으로 추측하는 것은 불가능하다.

실제 예시는 다음과 같다

"네가 그랬잖아." -> "3444d1b7e722fd306f266f845a89ca4aaad9b9f9c01ce96b4315fc9d5b7417fa"

"니가 그랬잖아." -> "ba7f3578061e188867102854b9a3d42a4cf1983aa28de9a8c966de8368f9d521"

보시다시피 x는 아주 약간만 변했지만 y는 완전히 다른 값이 나왔지. 해시 함수는 컴퓨터 공학에서 아주 많은 곳에 쓰이는 유용한 기능인데 여기서 어떤 식으로 활용할지에 대해서 간단하게 설명하자면, 해시는 내가 어떤 비밀을 알고 있는데, 내가 알고 있는 비밀 자체를 사람들에게 알리지 않고 내가 그 비밀을 알고 있었다는 사실을 대중들에게 증명하고 싶다고 하자. 이때 해시함수는 유용하게 사용할 수 있다.

이를테면 내가 어떤 조사를 통해 한국의 로또는 조작이며 사전에 이미 어떤 번호가 1등 당첨될지가 다 정해졌있다는 사실을 알아냈다고 해보자. 공익 정신 투철한 나는 이 사실을 제보하고 싶은데 그냥 이 비밀을 폭로하는 것만으로는 이게 사실이라는 증명을 할 수가 없다. 왜냐하면 내가 "여러분 이거 다~~~ 거짓말인 거 아시죠? 요번 주말 로또 번호도 이미 다 사전에 정해진 거라고요! 제가 다 알아봤습니다!" 하면서 그 번호를 공개해버리면 증명이 가능할까? 당연히 불가능하다. 로또 회사 측에서 그걸 보고 다른 번호로 바꿔버릴 것이기 때문이다.

그렇다면 내가 이번 주 로또 번호를 입력값으로 해시함수를 돌려서 나온 y값을 공개하면서 "여러분 ~~ 제가 우리 사회의 큰 비밀 하나를 밝혔어요. 다음 주에 아주 충격적인 사실이 밝혀질 겁니다. 일단 이 y 값을 보세요. 저 분명이 이 날 이거 공개했습니다! 다 봤죠?" 하고 선언한뒤 예정대로 로또가 조작된 숫자로 공표나면 이제 입력값 x 즉 사전에 예측한 로또 번호를 밝히면 어떻게 될까? y값을 발표한 날이 로또 당첨 전 날이었기 때문에 내가 발표 이전에 로또 당첨번호를 알고 있었다는 움직일 수 없는 증거가 된다. 해당 y값을 도출해 낼 수 있는 x를 끼워맞추기란 불가능하기 때문이다.

해시는 이런 식으로 사용하는 것이 가능하다.

--- UTXO

utxo는 Unspent Transaction Output 의 약자로서 아직 사용되지 않은 트랜잭션의 output 코인 덩어리를 말한다.

기본적으로 블록체인은 크게 두 가지 형태로 나눠진다. 비트코인류의 UTXO 시스템과 이더리움류의 account 시스템. 후자는 직관적이며 간단하다. 은행계좌를 생각하면 된다. 나한테 10억이 있다는 말은 무엇일까? 물론 내 은행계좌의 잔고란에 10억 이라고 찍혀 있다는 것이다. 10억이라는 것은 이더리움 네트워크에 실체적으로 존재하는 정보다.

그런데 이건 데이터 정규화의 관점에서 있어서는 안되는 중복 정보에 해당한다. 잔고라는 것은 본질적으로 내 계좌에 들어온 입출금의 누적합일 뿐이니까. 내 계좌에 20억이 들어왔다가 15억을 쓰고 5억이 다시 들어왔다면 +20, -15, +5 이 셋이 본질적인 정보이고 그것을 합산한 +10이란 정보는 편의를 위해 중복해서 저장한 형태이기 때문에 이런 싱크로를 맞추기 위해 컴퓨팅 자원이 추가적으로 소모된다. 예를 들어서 입출금 내역에 +20, -15, +5가 있는데 뭔가의 문제로 인해 잔고 정보가 +10이 아니라 +20일 수도 있고 이런 일을 방지하기 위해서는 잔고 데이터와 입출금 데이터를 양쪽으로 세심하게 보면서 저 값을 맞춰야 한다는 것이지.

이게 이렇게 간단한 것만 보니까 저거 맞추는 게 도대체 뭐가 문젠인데? 싶겠지만 이건 아주 작은 케이스니까 그런 것이고 입출금 내역이 많아지면 많아질수록 이것을 정확하게 맞추기 위해서 많은 노력이 투입되어야 한다는 것을 프로그래머들이라면 알 것이다. 이더리움 내부에서 이걸 위해 많은 리소스를 소모하고 있다. 물론 단점만 있는 것은 아니다. 이것은 인간의 직관에 맞춰진 설계이고 해당 주소의 잔고가 얼마냐를 조회하는데에 최적이기 때문에 쉽고, 이해하기 편하다는 장점이 있다.

하지만 utxo계열인 비트코인은 다르다. 비트코인은 잔고 정보를 가지고 있지 않다. 내가 내 비트코인 주소 bc1q234d...에 비트코인 10개를 가지고 있다는 말은 비트코인 네트워크 어딘가에 bc1q234d... : 10비트 이런 식으로 기록된 것이 아니라 기록된 것은 오직 bc1q234d가 쓸 수 있는 비트코인이 4, 1, 2, 2, 1 이렇게 다섯 덩어리가 있다는 사실만이 기록되어 있는 것이다. 이걸 합산해서 보여주는 건 그냥 유저 편의를 위해서 최종단에서 보여줄 때만 그렇게 하는 것이고 기록이 10 이런 식으로 되어 있는 것이 아니다.

아니 단위가 저렇게 중구난방으로 되어 있다면 잔돈계산은 어떻게 한다는 것인가 하는 의문이 들 수 있는데 애초에 코인은 신용화폐처럼 특정 단위의 동전이 따로 있는 게 아니기 때문에 상관없다. 예를 들어 4, 1, 2, 2, 1 이런 식으로 코인이 있고 0.5 만큼을 결제하고 싶다면, 아까 저 다섯 개의 코인 중 1 짜리를 만료시키고 0.5를 상대방에게, 나머지 0.5를 다시 나에게 보내는 tx를 만드는 식이다. 9.6 만큼을 결제하고 싶다면?  4, 1, 2, 2, 1 <- 전부 만료시키고 상대방이 9.6 내가 다시 0.4 만큼을 돌려받는 tx를 만들면 된다. 인풋이 다섯개의 동전이고 아웃풋이 두개의 새로운 동전인 것이지. 물론 인풋과 아웃풋의 합은 같다.(정확히 말하면 수수료를 내야 하니까, 상대방이 9.6 내가 0.39999 이런 식이 되겠지. 하지만 수수료를 하나하나 명시하는 것도 귀찮으니 앞으로도 인풋의 합 = 아웃풋의 합으로 예시를 작성하겠다. 실제적인 거래에서는 내가 받는 잔돈에서 수수료를 어느 정도 빼줘야 한다)

이런 상황에서 내가 얼마만큼의 코인을 소유하고 있다는 것은 저런 아직 만료되지 않은 네트워크 전체의 utxo 덩어리들 중에 내가 사용할 권리를 가진 코인이 몇개가 있고 그 코인의 합계가 얼마다 .....라는 뜻이 된다.

그런데 여기서 내가 사용할 권리가 있다는 뜻은 무엇인가? 일반적으로 비트코인 전송을 이야기할 때 저 각각의 코인 덩어리들은 마치 어떤 주소로 보내졌다는 식으로 이해되고 있지만 비트코인의 내부 동작원리는 특정 주소로 보낸다는 개념이 아니다. 실제로 어떻게 작동하느냐면, tx를 발생시킬 때 각각의 아웃풋들에 어떤 암호학적 자물쇠를 걸고 그 자물쇠는 푸는 서명을 입력하는 사람만이 사용할 수 있는데 그 서명이란 것이 어떤 주소에 대응하는 개인키를 사용해서 만들어낸 것만이 유효하다는 것이다. 

즉 앨리스의 주소로 1비트를 보낸다는 것은 앨리스의 주소에 대응하는 비밀키로 풀 수 있는 잠금을 설정한 아웃풋으로 돈을 보낸다는 것이고 이 잠금을 거는 방법은 이런 단순한 것만 있는 것이 아니라 아주 다양하게 설정할 수 있다. 단순히 어떤 개인키를 가진 사람만이 풀 수 있는 잠금과 같이 단순한 것에서 부터 어떤 복잡한 조건을 걸어서 비밀키를 가지고 있을 뿐만이 아니라 특정 시점 이후 부터 뺄 수 있다든지 개인키와는 상관없이 어떤 비밀번호를 넣어야 풀 수 있다든지, 세 명 중에 두 명이 동의해야 사용할 수 있다는 등(전형적인 2 of 3 멀티시그) 다양하게 잠금을 걸 수 있다.

당연히 저런 식의 복잡한 아웃풋들은 특정 누군가의 주소로 보낸다는 개념 자체가 아니다. 이것을 사용하려면 어떤 조건을 만족해야 한다는 암호학적 자물쇠를 거는 것이지. 관련자는 한 명이 아니라 여러 명일 수도 있는 것이다.

--- 트랜잭션 단위의 타임락

또한 트랜잭션은 어떤 시점부터 유효한 것인가를 지정할 수도 있는데, 이를테면 내가 가진 utxo 덩어리들 중 1 짜리를 누구한테 보내는 tx를 만드는데 이 tx가 2023-10-30일 부터 유효하다는 타임락을 걸어서 서명해버린다고 치자, 이렇게 되면 10월 30일 이전에 저 서명된 tx를 아무리 네트워크에 발송해봤자 블록체인에는 기록되지 않는다. 모든 채굴자 들은 저 tx를 보자마자 뭐야 오늘은 10월 초인데 30일부터만 유효한 tx를 왜 벌써부터 발송하는 거야 짜증나게 하지 말고 30일 된 다음에 발송하든가 라면서 버려버린다. 물론 10월 30일 이후에는 언제든지 발송할 수 있고 그러면 채굴자들에 의해 블록체인에 기록된다.

--- 아웃풋 단위의 타임락

위에 tx 단위의 타임락에 대해서 설명했는데, 타임락을 tx가 아니라 아웃풋 단위로 걸 수도 있다. 위의 타임락은 해당 시간이 되기 전까진 tx를 만들어서 전파해봤자, 모든 노드는 그것을 무시할 것이기에 블록체인에 해당 tx 자체가 기록되지 않는다. 그런데 아웃풋 단위의 타임락은 다르다. 트랜잭션 자체는 기록되지만 아웃풋만 일정시간 동안 쓸 수 없게 잠그는 것이다. 그리고 아웃풋 단위의 타임락은 두 가지 종류가 있다. 상대적 시간의 타임락, 절대적 시간의 타임락

전자는 다음과 같다. 

나는 내 소유의 utxo 덩어리 2,5,3 코인을 인풋으로 하고 앨리스의 주소로 9코인을 , 밥의 주소로 1코인을 보내는 트랜잭션을 구성하는데, 앨리스의 주소로 보내는 9코인에 상대적 타임락 48시간을 건다. 그러면 이 tx가 블록체인에 기록되는 시간 기준으로 48시간이 지나야 앨리스는 저 돈을 사용할 수 있다. fee를 얼마나 내냐에 따라 tx가 블록체인에 기록되는 시간이 달라질 수 있으므로 2024-01-01에 이 tx를 전파했는데 fee를 쥐똥만큼만 지정해서 채굴자노드들이 우선순위를 낮추는 바람에 이 tx가 4일이나 지나서 2024-01-05 00:00:00에 겨우 블록체인에 등록됐다고 하자. 

그러면 앨리스는 2024-01-07일 00:00:00 이후부터 저 9코인을 쓸 수가 있는 것이다. 락을 걸지 않은 밥은 받자마자 쓸 수 있다. 그런데 fee를 좀 많이 지정해서 2024-01-01 00:00:00에 전파했는데 거의 전파 하자마자 등록되어서 블록체인에 기록된 시간이 2024-01-01 00:03:00 이라고 한다면, 앨리스는 9코인을 2024-01-03 00:03:00 이후 부터 쓸 수 있다. 즉 트랜잭션이 "확정"된 시간을 기준으로 얼마 만큼의 시간이 걸려야 받은 코인을 쓸 수 있냐 하는 것이다.

후자는 다음과 같다.

트랜잭션이 언제 "확정" 되어서 블록체인에 기록되는지와는 아무 상관없이 앨리스는 2024-01-15부터 쓸 수 있다... 이런 식으로 락을 거는 것이다. 이러면 해당 트랜잭션이 2024-01-03에 기록되든, 2024-01-14에 기록되든 아무 상관없이 15일부터 사용할 수 있고 그 전에는 못 쓴다.