BatPay: ERC20 토큰 소액 결제를 위한 가스 효율 프로토콜

1. 소개

BatPay(일괄 결제)는 이더리움 블록체인 상의 ERC20 토큰 전송을 위해 특별히 설계된 프록시 확장 솔루션입니다. 본 프로토콜은 여러 작업을 단일 트랜잭션으로 묶어 소액 결제 시나리오에서의 높은 가스 비용이라는 중요한 과제를 해결합니다. 이 접근 방식은 Wibson 데이터 마켓플레이스와 같은 디지털 마켓플레이스에서 흔히 발견되는 일대다 및 소수대다 결제 시나리오에 특히 적합합니다.

프로토콜은 세 가지 주요 일괄 처리 시점을 통해 운영됩니다:

구매자가 한 트랜잭션으로 판매자에게 여러 결제 등록
판매자가 수많은 결제를 자신의 지갑으로 일괄 수집
BatPay 플랫폼에서의 대량 사용자 등록

2. 관련 연구

2.1 결제 풀

결제 풀은 머클 트리를 사용하여 지급 정보를 리프에 저장하며, 수취인은 오프체인에서 머클 분기를 받아 인출합니다. 단일 분배에는 효과적이지만, 반복 결제의 경우 트리 업데이트가 필요하며 데이터 가용성 및 사기성 업데이트 문제에 직면합니다.

2.2 BatLog

BatLog는 총 보상이 컨트랙트에 저장되고 사용자가 누적 금액을 인출하는 효율적인 보상 분배 메커니즘을 제공합니다. 그러나 주기적 보상 분배로 제한되며 일반적인 일대다 결제 문제를 해결하지는 못합니다.

2.3 결제 채널

Raiden, Perun, Celer와 같은 솔루션은 잠긴 예치금과 함께 오프체인 채널을 사용합니다. 반복적인 채널 사용에는 효율적이지만, 참가자가 챌린지 기간 동안 온라인 상태여야 하며 주로 일대소수 결제에 적합합니다.

2.4 플라즈마 체인

플라즈마 체인은 루트 체인과 자식 체인 사이의 중재자 역할을 하여 사용자가 사기 작업 중에 탈출할 수 있게 합니다. 그러나 대량 탈출에 취약하며 체인 운영자 가용성에 의존합니다.

2.5 zk-SNARKs 일괄 결제

이 접근 방식은 영지식 증명과 함께 주소 및 잔고 등록을 위해 머클 트리를 사용합니다. 강력한 개인 정보 보호를 제공하지만 상당한 계산 오버헤드와 복잡성을 수반합니다.

3. BatPay 프로토콜 설계

3.1 핵심 아키텍처

BatPay는 여러 결제 작업을 단일 블록체인 트랜잭션으로 집계하는 정교한 일괄 처리 메커니즘을 사용합니다. 아키텍처는 결제 등록, 챌린지 해결, 인출 메커니즘의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

3.2 일괄 처리 작업

프로토콜은 결제 등록, 자금 수집, 사용자 온보딩이라는 세 가지 중요한 일괄 처리 기회를 식별합니다. 각 일괄 작업은 여러 작업에 고정 비용을 분산시켜 트랜잭션당 가스 비용을 크게 줄입니다.

3.3 챌린지 게임 메커니즘

BatPay는 비용이 많이 드는 온체인 검증을 효율적인 챌린지 게임으로 대체합니다. 이 메커니즘은 대부분의 계산 부담을 오프체인으로 밀어내면서도 경제적 인센티브와 암호학적 증명을 통해 보안 보장을 유지합니다.

4. 기술적 구현

4.1 수학적 기초

가스 최적화는 $G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$ 공식을 따르며, 여기서 $G_{base}$는 고정 트랜잭션 비용을 나타내고 $G_{marginal}$은 결제당 증분 비용입니다. BatPay는 일괄 처리를 통해 $G_{marginal}$을 최소화하여 효율성을 달성합니다.

4.2 스마트 컨트랙트 코드

function batchTransfer(
    address[] memory recipients,
    uint256[] memory amounts,
    bytes32 merkleRoot
) public payable {
    require(recipients.length == amounts.length, "Arrays length mismatch");
    
    for (uint i = 0; i < recipients.length; i++) {
        _pendingBalances[recipients[i]] += amounts[i];
    }
    
    emit BatchTransfer(merkleRoot, recipients.length, msg.sender);
}

4.3 가스 최적화 공식

가스 절감량은 $S = \frac{G_{standard} \times n}{G_{batch} + n \times G_{perPayment}}$로 계산되며, 여기서 $n$은 배치 크기로, 초선형 확장 이점을 보여줍니다.

5. 실험 결과

5.1 성능 지표

BatPay는 결제당 300-1000 가스로 놀라운 성능을 달성하며, 이는 표준 ERC20 전송 대비 1000배의 개선을 나타냅니다. 시스템은 이더리움 메인넷에서 초당 약 1700건의 트랜잭션을 유지합니다.

5.2 가스 비용 분석

비교 분석에 따르면 기존 ERC20 전송은 약 50,000 가스를 소비하는 반면, BatPay는 배치 크기 및 운영 매개변수에 따라 이를 300-1000 가스로 줄입니다.

5.3 처리량 비교

결제 채널 및 기타 레이어 2 솔루션과 비교할 때, BatPay는 더 강력한 데이터 가용성 보장을 유지하면서 일대다 결제 시나리오에서 우수한 처리량을 보여줍니다.

6. 주요 특징

메타 트랜잭션: 최종 사용자를 위한 이더 불필요 작업 가능
키 잠금 결제: 디지털 상품의 원자적 교환 지원
즉시 인출: 자금 접근을 위한 대기 기간 없음
대량 등록: 비용 효율적인 사용자 온보딩
데이터 가용성 문제 없음: 필요한 모든 정보가 온체인에 존재

7. 독창적 분석

BatPay는 블록체인 소액 결제 솔루션에서 중요한 진전을 나타내며, 이더리움의 소액 가치 트랜잭션 유용성을 제한해 온 근본적인 확장성 과제를 해결합니다. 트랜잭션 일괄 처리와 챌린지 게임을 결합한 프로토콜의 혁신적인 접근 방식은 온체인 검증과 오프체인 계산 사이의 균형 잡힌 절충점을 만듭니다. 이 설계 철학은 이더리움 재단 및 스탠퍼드 블록체인 연구소와 같은 기관의 확립된 확장성 연구와 일치합니다.

Raiden Network 백서에 문서화된 기존 결제 채널과 비교할 때, BatPay는 참가자의 지속적인 온라인 상태를 요구하지 않으면서 일대다 결제 시나리오에서 우수한 확장성을 제공합니다. 결제당 300-1000 가스의 프로토콜 가스 효율성은 표준 ERC20 전송 대비 3배 수준의 개선을 나타내며, 더 강력한 보안 보장을 유지하면서 새로운 레이어 2 솔루션과 경쟁력을 갖춥니다.

챌린지 게임 메커니즘은 낙관적 롤업 접근 방식을 연상시키지만 결제 응용 프로그램에 특화된 정교한 암호경제 설계를 보여줍니다. 이 접근 방식은 메인 체인의 계산 부담을 줄이면서도 경제적 인센티브를 통해 프로토콜 무결성을 보장합니다. 수학적 기초 $G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$는 배치 크기에 따라 초선형적으로 증가하는 명확한 확장성 이점을 제공합니다.

BatPay의 메타 트랜잭션 지원은 이더리움 응용 프로그램에서 중요한 사용성 장벽을 해결하여 사용자가 가스 수수료를 위해 기본 ETH를 보유하지 않고도 프로토콜과 상호 작용할 수 있게 합니다. 이 기능은 원자적 스왑을 위한 키 잠금 결제와 결합되어 효율적인 소액 결제 기능이 필요한 디지털 마켓플레이스 및 분산 응용 프로그램을 위한 포괄적인 솔루션으로 BatPay를 위치시킵니다.

1700 TPS의 프로토콜 성능 지표는 이더리움의 기본 계층 용량을 크게 초과하며 모든 트랜잭션의 영구적인 감사 가능성을 보장하면서 일부 레이어 2 솔루션을 괴롭히는 데이터 가용성 문제를 피합니다.

8. 향후 응용 분야 및 방향

BatPay의 아키텍처는 다음과 같은 수많은 향후 응용 분야를 가능하게 합니다:

DeFi 소액 수익 분배: 수천 명의 유동성 공급자에게 소액 수익 지급 효율적 분배
콘텐츠 수익화: 스트리밍 서비스 및 디지털 콘텐츠를 위한 소액 결제
IoT 기기 결제: IoT 네트워크에서의 기계 간 트랜잭션
게임 경제: 인게임 소액 거래 및 보상 분배
크로스체인 통합: 다중 체인 환경 및 레이어 2 네트워크로의 확장

향후 개발 방향에는 개인 정보 보호 강화를 위한 영지식 증명 통합, 크로스체인 호환성, 지갑 통합 및 개발자 도구를 통한 개선된 사용자 경험이 포함됩니다.

9. 참고문헌

Wibson 데이터 마켓플레이스 백서 (2018)
이더리움 재단. "이더리움 백서" (2014)
결제 풀 연구 - 이더리움 리서치
블록체인에서의 머클 트리 응용 - IEEE 심포지엄
BatLog: 효율적인 보상 분배 - 블록체인 컨퍼런스 논문집
Raiden Network: 빠르고 확장 가능한 결제 - 백서
Plasma: 확장 가능한 자율 스마트 컨트랙트 - 부테린 & 푼
블록체인 확장을 위한 zk-SNARKs - Zcash 프로토콜 사양
가스 최적화 기술 - 이더리움 옐로우 페이퍼
소액 결제 채널 네트워크 - ACM 컴퓨팅 서베이