이더리움 가상머신

이더리움 가상머신(EVM), 어렵지 않아요 이더리움이 프로그램을 실행하는 방법 이해하기

1. EVM이 도대체 뭐예요?

EVM(Ethereum Virtual Machine, 이더리움 가상머신)은 이더리움 블록체인 위에서 프로그램 코드를 실행하는 '가상의 컴퓨터'예요. 여기서 가상이라는 말은 어딘가에 진짜 기계 한 대가 놓여 있는 게 아니라는 뜻이에요. 대신 네트워크에 참여하는 모든 노드(블록체인 네트워크에 연결된 각각의 컴퓨터)가 저마다 소프트웨어로 EVM을 돌려요. 그래서 EVM은 마치 하나의 거대한 분산 상태 기계(여러 컴퓨터가 힘을 합쳐 하나의 컴퓨터처럼 움직이는 것)처럼 작동해요. 이때 각 노드는 같은 입력을 받으면 항상 같은 결과를 계산하기 때문에, 네트워크 전체가 똑같은 상태에 합의할 수 있어요.

EVM이 하는 가장 중요한 일은 스마트 컨트랙트(미리 정해 둔 조건이 맞으면 자동으로 실행되는 계약 프로그램)를 실행하는 거예요. 개발자가 솔리디티 같은 사람이 읽기 쉬운 언어로 코드를 짜면, 그 코드는 EVM이 알아듣는 바이트코드(bytecode, 기계가 실행하는 짧은 명령어 덩어리)로 번역된 뒤 블록체인에 올라가요. 그다음 거래가 일어날 때마다 EVM이 이 바이트코드를 명령어 하나하나 읽어 가며 실행해요. EVM은 튜링 완전성(이론적으로 어떤 계산이든 다 할 수 있는 능력)을 갖추고 있어서, 원리상 모든 종류의 연산을 처리할 수 있어요.

이 EVM 덕분에 이더리움은 단순히 돈을 주고받는 송금 네트워크를 넘어, 누구나 자기 프로그램을 올려서 돌릴 수 있는 '월드 컴퓨터'가 됐어요. 게다가 EVM이 코드를 실행하는 방식이 업계의 사실상 표준으로 자리 잡으면서, 이더리움 바깥의 수많은 다른 블록체인도 똑같은 방식을 따라 쓰는 밑바탕이 됐어요.

이렇게 보면 쉬워요 · EVM은 세계 곳곳의 수천 대 컴퓨터가 같은 규칙으로 동시에 돌리는, 눈에 보이지 않는 한 대의 공용 컴퓨터예요.

2. EVM은 왜, 어떻게 만들어졌나요?

비트코인은 돈을 주고받는 화폐 거래에 딱 맞게 만들어졌어요. 이더리움은 여기서 한 걸음 더 나아가, 블록체인 위에서 아무 프로그램이나 자유롭게 돌릴 수 있는 '범용 연산 계층'을 만들자는 생각에서 출발했어요. 그 생각을 실현하려고 설계한 실행 엔진이 바로 EVM이에요. EVM이 어떻게 움직여야 하는지에 대한 규칙은 개빈 우드(Gavin Wood)가 쓴 이더리움 옐로 페이퍼(Yellow Paper)라는 문서에 딱딱하게 수학으로 정의되어 있어요. 이 문서는 EVM이 상태를 바꾸는 규칙과 각 명령어가 정확히 무슨 뜻인지를 수학적으로 적어 두었어요. 덕분에 서로 다른 팀이 만든 여러 클라이언트 소프트웨어(EVM을 돌리는 프로그램)들이 완전히 똑같이 동작할 수 있는 근거가 생겼어요.

2015년에 이더리움 메인넷(실제로 돈이 오가는 진짜 네트워크)이 켜지면서 EVM도 실제로 돌기 시작했어요. 그 뒤로 EVM은 여러 번의 하드 포크(네트워크 규칙을 크게 바꾸는 업그레이드)를 거치면서, 새로운 명령어(오퍼코드)를 더하거나 기존 연산에 매기는 비용을 조정하는 식으로 계속 개선돼 왔어요. 2016년의 하드 포크로 이더리움과 이더리움클래식이 두 갈래로 갈라졌는데, 두 체인 모두 똑같은 EVM 사양을 그대로 물려받아서 실행 환경 자체는 공유했어요. 이렇게 규칙이 문서로 명확하게 적혀 있다는 점이, 나중에 EVM을 다른 블록체인으로 쉽게 복제하고 가져다 쓰는 밑바탕이 됐어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 옐로 페이퍼는 EVM의 설계 도면이라, 누가 만들어도 똑같은 기계가 나와요.

3. EVM은 어떻게 상태를 관리하나요?

EVM은 상태 기계예요. 즉 계정과 잔액, 컨트랙트 코드와 저장된 값 같은 네트워크의 모든 정보를 하나의 커다란 전역 상태(world state, 네트워크 전체의 현재 상황 전부)로 관리해요. 트랜잭션(거래 요청)이 들어오면 EVM은 지금 상태에 그 트랜잭션을 적용해서 새 상태를 계산해요. 이 계산은 결정론적이에요. 결정론적이라는 건 같은 상태에 같은 트랜잭션을 넣으면, 어느 컴퓨터가 계산하든 결과가 무조건 똑같다는 뜻이에요. 그래서 모든 풀 노드(거래 내역을 전부 보관하고 직접 검증하는 컴퓨터)가 같은 계산을 반복해서 해 보면, 따로 믿을 만한 기관이 없어도 결과가 옳은지 서로 확인할 수 있어요.

EVM 내부는 스택 기반(stack-based) 구조로 움직여요. 스택은 값을 위로 차곡차곡 쌓았다가 위에서부터 다시 꺼내 쓰는 임시 저장 방식이에요. 연산에 필요한 값은 256비트(32바이트)짜리 워드 단위로 다루고, 임시 계산은 이 스택에서 이뤄져요. 데이터를 담아 두는 공간은 성격에 따라 크게 셋으로 나뉘어요.

• 스택(stack): 계산에 쓸 값을 쌓았다 꺼내는 임시 공간이에요. 대부분의 명령어가 여기서 값을 주고받아요.
• 메모리(memory): 프로그램이 실행되는 동안에만 유지되는 휘발성 공간이에요. 트랜잭션이 끝나면 내용이 사라져요.
• 스토리지(storage): 컨트랙트마다 따로 블록체인에 영구적으로 남는 저장 공간이에요. 여기에 값을 쓰거나 계속 보관하는 데는 상대적으로 큰 비용이 들어요.

해시 연산(데이터를 정해진 길이의 고유한 값으로 바꾸는 계산)에는 케차크(Keccak-256)라는 방식을 써요. 이 해시는 주소를 만들거나 데이터가 중간에 변조되지 않았는지 확인하는 등 여러 곳에서 핵심 역할을 해요.

이렇게 보면 쉬워요 · 메모리는 계산할 때 쓰고 지우는 연습장, 스토리지는 결과를 남기는 공책이에요.

4. EVM은 무엇을 읽고 실행하나요?

EVM이 실제로 실행하는 건 사람이 읽는 소스 코드가 아니에요. 한 바이트 단위의 명령어들로 이뤄진 바이트코드예요. 이 명령어 하나하나를 오퍼코드(opcode)라고 불러요. 오퍼코드에는 값을 더하는 산술 연산부터 스토리지를 읽고 쓰는 일, 다른 컨트랙트를 불러오는 일, 조건에 따라 갈라지는 분기까지 여러 종류가 있어요. 각 오퍼코드마다 정해진 기능과 정해진 가스 비용(실행에 드는 값)이 있어요.

개발자가 쓴 솔리디티 코드는 컴파일러(사람이 쓴 코드를 기계용 코드로 번역해 주는 프로그램)를 거쳐 이 바이트코드로 바뀐 뒤, 트랜잭션을 통해 블록체인에 배포돼요. 한번 배포된 컨트랙트 코드는 원칙적으로 다시 고칠 수 없어요. 배포한 다음에는 지정된 주소로 호출이 들어올 때마다 EVM이 저장해 둔 바이트코드를 불러와 실행해요. 이렇게 컴파일 결과가 표준화된 바이트코드로 나오기 때문에, 처음에 어떤 언어로 코드를 짰든 결국 같은 오퍼코드 묶음으로 바뀌기만 하면, 같은 EVM 사양을 쓰는 어느 체인에서든 그대로 실행할 수 있어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 소스 코드가 한국어 문장이라면, 오퍼코드는 세계 어디서나 통하는 짧은 기호예요.

5. 가스는 왜 내야 하나요?

EVM은 끝없이 도는 오류나 나쁜 마음으로 짠 코드가 네트워크 자원을 다 써 버리는 걸 막으려고, 모든 연산에 비용을 매겨요. 이 비용의 단위를 가스(gas)라고 불러요. 명령어마다 소모하는 가스양이 미리 정해져 있어요. 스토리지에 값을 쓰는 것처럼 네트워크에 부담이 큰 연산일수록 더 많은 가스를 요구해요.

사용자가 내는 가스 가격은 보통 그웨이(gwei, 이더리움의 아주 작은 단위) 단위로 표시돼요. 최종 수수료는 '소모된 가스양 × 가스 가격'으로 정해져요. 트랜잭션을 보낼 때는 '여기까지만 가스를 쓰겠다'는 상한(가스 한도)도 함께 정해 두는데, 실행 도중에 이 한도가 다 떨어지면 트랜잭션은 실패로 처리되고, 그때까지 바꿔 놓은 상태 변경은 전부 원래대로 되돌려져요(revert). 다만 이런 경우에도 이미 수행한 연산에 대한 수수료는 돌려받지 못해요.

2021년의 하드 포크에서는 수수료를 매기는 방식이 크게 바뀌었어요. 수수료가 두 부분으로 나뉘었는데, 하나는 네트워크가 얼마나 붐비는지에 따라 자동으로 조정되는 기본 수수료(base fee)이고, 다른 하나는 블록을 만드는 주체에게 주는 우선 수수료(priority fee, 팁)예요. 이때 기본 수수료 부분은 소각되어(없애 버려서) 유통량에서 사라지는 구조도 함께 도입됐어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 가스는 코드를 실행하는 데 드는 연료비예요. 연료가 떨어지면 차가 멈추듯 트랜잭션도 멈춰요.

6. 뭐든 할 수 있다면서 왜 멈추게 하나요?

EVM은 반복이나 조건 분기까지 포함해서 아무 연산이나 다 표현할 수 있는 튜링 완전 실행 환경이에요. 이 능력 덕분에 단순한 송금을 넘어서 복잡한 금융 로직이나 게임, 심지어 조직을 운영하는 규칙까지 프로그램으로 만들 수 있어요.

그런데 튜링 완전한 시스템에는 한 가지 근본적인 한계가 있어요. 어떤 프로그램이 언제 끝날지 미리 알아낼 방법이 없다는 문제예요. 이걸 정지 문제라고 불러요. EVM은 이 문제를 가스라는 경제적 장치로 슬쩍 우회해요. 연산이 진행될수록 가스가 계속 줄어들고, 한도에 닿으면 실행이 강제로 멈춰요. 그래서 무한히 도는 코드라도 네트워크를 영원히 붙잡아 둘 수는 없어요. 이렇게 EVM의 튜링 완전성(뭐든 할 수 있는 표현력)과 가스 모델(멈추게 하는 안전장치)은 표현력과 안전성을 동시에 얻으려는 한 쌍으로 짝을 이뤄요.

이렇게 보면 쉬워요 · 아무리 긴 이야기를 하려 해도 정해진 동전이 다 떨어지면 통화가 끊기는 공중전화 같아요.

7. 왜 다른 블록체인들도 EVM을 쓰나요?

EVM의 규격을 그대로 따르는 블록체인을 흔히 'EVM 호환 체인'이라고 불러요. 이런 체인에서는 이더리움용으로 짜 둔 스마트 컨트랙트와 개발 도구, 지갑 같은 것들을 크게 손대지 않고 그대로 다시 쓸 수 있어요. 그래서 개발자 생태계가 빠르게 퍼져 나가는 데 큰 도움이 됐어요. 이미 이더리움에서 검증을 마친 코드와 인프라를 그대로 옮겨올 수 있다는 점은, 새로 생긴 네트워크가 초기 사용자와 애플리케이션을 끌어모으는 데 아주 강한 유인이 됐어요.

많은 사이드체인(이더리움 옆에 붙어 함께 도는 별도 체인)과 레이어 2(이더리움 위에 얹어 처리 부담을 덜어 주는 보조 네트워크)가 EVM 호환성을 채택하고 있어요. 덕분에 개발자는 이더리움 메인넷에서 쌓은 경험을 다른 네트워크로 손쉽게 옮길 수 있어요. 레이어 1(자체적으로 완결된 기본 블록체인) 수준에서도 아발란체, 크로노스, 셀로 같은 다양한 체인이 EVM 실행 환경을 들여왔어요. 그 결과 EVM은 사실상 여러 블록체인이 함께 공유하는 공통 실행 표준으로 자리 잡았어요. 기업 환경을 겨냥한 표준화 노력도 기업 이더리움 연합 같은 조직을 통해 계속 이어져 왔어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 여러 나라가 같은 규격의 콘센트를 쓰면 어댑터 없이 전자제품을 바로 쓸 수 있는 것과 비슷해요.

8. EVM용 프로그램은 어떻게 만드나요?

EVM용 스마트 컨트랙트를 짜는 대표 언어는 솔리디티예요. 자바스크립트와 비슷한 문법을 지향해서 배우기 쉽게 만들었고, 오늘날 배포된 EVM 컨트랙트의 상당수가 이 언어로 짜여 있어요. 이 밖에도 파이썬과 닮은 문법을 가진 바이퍼(Vyper) 같은 다른 언어들이 있는데, 이것들도 결국 같은 바이트코드로 번역되어 EVM에서 실행돼요.

컨트랙트는 한번 배포하면 고치기 어렵고, 실제 돈을 직접 다루는 경우가 많아요. 그래서 코드가 정말 안전한지 검증하는 일이 특히 중요해요. 이를 위해 코드가 의도대로 동작하는지를 수학적으로 증명하는 정형 검증이나, 전문가가 코드를 점검하는 외부 감사를 널리 활용해요. 게다가 배포된 컨트랙트의 코드와 트랜잭션 실행 내역은 블록 익스플로러(블록체인 기록을 누구나 조회할 수 있게 해 주는 도구)를 통해 누구든 들여다볼 수 있어요. 이렇게 모든 게 투명하게 공개된다는 점도 EVM 기반 애플리케이션의 특징으로 꼽혀요.

이렇게 보면 쉬워요 · 배포한 컨트랙트는 지우지 못하는 공개 자판기라, 미리 부품을 꼼꼼히 점검해 두는 게 그만큼 중요해요.

9. EVM이 느려지면 어떻게 하나요?

EVM은 모든 노드가 같은 연산을 똑같이 반복해서 실행하는 구조예요. 이 방식은 결과를 믿을 수 있게 해 주지만, 처리량에는 한계가 있어요. 그래서 네트워크가 붐비면 가스 가격이 확 치솟는 문제가 생겨요. 이걸 덜어 주려고 나온 게 레이어 2 확장 기술이에요. 레이어 2는 여러 거래를 이더리움 바깥에서 미리 처리한 뒤, 그 결과만 메인넷에 기록하는 방식으로 부담을 줄여요.

대표적인 레이어 2인 아비트럼, 블라스트, 리네아, 맨틀 같은 것들은 대부분 EVM과 호환되거나, EVM을 거의 그대로 재현한 실행 환경을 제공해요. 그래서 개발자는 기존 EVM 컨트랙트를 크게 바꾸지 않고도 레이어 2로 옮길 수 있고, 사용자는 더 낮은 수수료로 같은 애플리케이션을 쓸 수 있어요. 이렇게 EVM 호환성은 확장 생태계 전체가 같은 기반 위에서 함께 자라도록 묶어 주는 역할을 해요.

이렇게 보면 쉬워요 · 붐비는 본점 대신 여러 지점에서 계산을 나눠 처리하고, 하루 결산만 본점에 올리는 것과 비슷해요.

10. EVM 말고 다른 방식은 없나요?

EVM이 사실상 표준으로 자리 잡긴 했지만, 그 설계의 한계를 겨냥한 다른 실행 환경들도 여럿 나왔어요. EVM이 256비트 워드 중심으로 짜여 있고 명령어를 하나씩 순서대로 처리하는 방식이라 성능 면에서 불리하다는 지적이 있어요. 그래서 일부 프로젝트는 여러 일을 한꺼번에 처리하는 병렬 처리나, 아예 다른 명령어 체계를 내세워요.

예를 들어 앱토스 같은 프로젝트는 자산을 안전하게 다루도록 설계된 무브(Move) 계열 언어와 실행 환경을 채택했어요. 인터넷컴퓨터나 코스모스 계열은 웹어셈블리(WASM)라는 기술을 바탕으로 코드를 실행하기도 해요. 한편으로는 모나드나 메가이더처럼, EVM 호환성은 그대로 유지하면서 내부적으로 병렬 실행 같은 기법을 도입해 성능을 끌어올리려는 시도도 이어지고 있어요. 이건 EVM 생태계와의 호환성이라는 소중한 자산은 버리지 않으면서, 그 한계만 넘어서려는 흐름을 보여 줘요.

이렇게 보면 쉬워요 · 익숙한 도로 규칙은 그대로 두고 차선만 여러 개로 넓혀 더 빨리 달리게 하려는 시도예요.

11. 앞으로 EVM은 어떻게 될까요?

EVM은 이더리움 생태계의 중심 실행 계층으로서 지금도 계속 발전하고 있어요. 하드 포크를 통해 새로운 오퍼코드를 더하고, 자주 쓰이는 연산의 가스 비용을 현실에 맞게 조정하고, 바이트코드의 구조 자체를 개선하려는 논의도 진행되고 있어요.

동시에 레이어 2 확장과 다른 실행 환경들이 떠오르는 흐름 속에서, EVM이 어떻게 성능 한계를 넘어서면서도 그동안 쌓아 온 호환성과 개발자 생태계라는 강점을 지켜 갈지가 핵심 과제로 남아 있어요. 수많은 관련 개념이 EVM을 참조한다는 데서도 드러나듯, 이 실행 환경은 이더리움과 그 주변 레이어 2·사이드체인 생태계 전체를 떠받치는 공통 토대로 기능하고 있어요.