집계 서명 스킴이란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

집계 서명 스킴은 여러 개의 디지털 서명을 하나의 간결한 서명으로 결합할 수 있는 첨단 암호기술입니다. 이 과정은 **서명 집계(signature aggregation)**라고 하며, 블록체인 네트워크나 분산 시스템과 같이 효율성과 확장성이 중요한 환경에서 특히 유용합니다. 개별 서명을 일일이 검증하는 대신, 집계된 스킴은 여러 서명을 동시에 하나의 검증 단계로 검증할 수 있게 해줍니다. 이는 계산 부담을 줄이고 데이터 저장 요구량도 최소화하는 효과가 있습니다.

이 기술들은 대용량 데이터 처리와 느린 검증 문제 같은 일반적인 도전 과제를 해결함으로써 디지털 서명의 실용성을 높입니다. 많은 서명을 하나로 통합함으로써 거래 처리 속도를 높이고 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 특히 높은 거래량이나 다중 당사자 협업이 필요한 시나리오에서 효율성은 사용자 경험에 직접적인 영향을 미칩니다.

Boneh-Lynn-Shacham (BLS) 알고리즘은 집계 서명 스킴 중 가장 유명한 구현 사례입니다[2]. 2001년 Dan Boneh, Ben Lynn, Hovav Shacham에 의해 개발된 BLS는 타원 곡선 위의 쌍대성(pairing)을 기반으로 하는 정교한 수학적 원리를 활용하여 안전하게 여러 사용자가 각각 독립적으로 메시지에 사인하고, 이후 이를 결합하여 하나의 집계서명을 생성할 수 있도록 설계되었습니다. 이때 생성된 단일 집계서명은 공통 공개키(public key)에 대해 검증됩니다.

BLS 알고리즘이 효율적 집계서명을 가능하게 하는 방법

BLS는 여러 개별 서명을 하나로 결합하면서도 보안성과 검증 가능성을 유지하는 것이 가능하다는 원리에 기반합니다[1]. 각 사인은 자신의 메시지와 개인키를 이용해 짧고 강력한 암호 증거(개별 서명)를 생성하며, 이들을 모아 쌍대 연산(pairing)을 통해 하나의 통합된 집계서명으로 병합할 수 있습니다.

BLS가 갖는 큰 장점 중 하나는 단순성입니다: 표준 타원 곡선 암호와 쌍대성 연산을 조합하여 설계되어 있어 효율적이고 안전성을 해치지 않으면서도 쉽게 결합 가능합니다. 최종적으로 만들어진 집계서명의 크기는 거의 개별 BLS 서명의 크기와 동일하며(작거나 비슷), 빠른 속도로 다수 참여자의 공개키를 기준으로 검증될 수 있습니다.

이 과정 덕분에 블록체인이나 분산 원장 기술(DLT)과 같이 많은 당사자가 서로 다른 메시지에 사인하는 경우에도 각각을 일일이 검증하는 것은 현실적으로 어려워집니다[3]. 대신 BLS 기반의 집계를 통해 훨씬 적은 계산 단계로 전체 유효성을 빠르게 확인할 수 있습니다.

집계서명의 장점

효율성

• 데이터 크기 축소: 여러 개의 사인을 한 번에 압축하여 저장 공간 절약
• 빠른 검증: 한 번의 검사만으로 모든 참여자의 유효성을 확인 가능—초당 수천 건 이상의 트랜잭션 처리가 필요한 블록체인 환경에서 매우 중요

확장성

• 분산 시스템 성능 향상: 네트워크 규모가 커질수록 빠른 거래 인증 능력이 필수
• 스마트 계약 최적화: 복잡한 로직 수행 시 다중 승인 또는 멀티시그(Multisignature) 구조에서 적은 검사 단계로 운영 가능

보안성

• 위조 방어력 강화: 기초 암호학적 원리에 따라 위조된 통합서명이 유효하지 않음
• 순서 독립성과 교환 법칙(교환법칙): 개인 사인의 순서를 바꿔도 결과에는 영향 없음—탈중앙 프로토콜 내 구현 용이

블록체인 응용 사례

Ethereum 2.0 등 주요 블록체인 프로젝트에서는 이미 BLS를 활용해 다음과 같은 혜택을 누리고 있습니다:

• 거래 인증: 다양한 노드 또는 검사자가 사인한 트랜잭션들을 묶어 빠르게 승인
• DeFi(탈중앙 금융): 복잡한 금융 계약에서도 다수 참여자 승인 과정을 간소화하고 신속히 처리 가능

이를 통해 합의를 위한 프로토콜 개선 및 네트워크 부하 감소가 이루어지고 있으며, 보다 확장 가능한 블록체인 인프라 구축에 크게 기여하고 있습니다[2].

최근 혁신 및 채택 동향

최근 몇 년간 주요 블록체인 프로젝트들이 BLS 기반 그룹사인을 도입하기 시작했습니다:

1. Ethereum 2.0 업그레이드: 지분 증명(PoS) 방식 전환 시 검사자 증언(attestation)에 BLS 적용[3], 확장성과 보안 강화를 목표로 함.

2. Polkadot & Cosmos: 상호운용 플랫폼들이 크로스 체인 커뮤니케이션 최적화를 위해 BLS 등 암호 증거 활용 방안을 연구 중[4].

3. 학술 연구 발전: 기존 알고리즘 성능 개선이나 공격 저항력 강화 등을 위한 연구 지속 진행 중[5].

잠재적인 도전 과제 및 고려 사항

하지만 이러한 기술 역시 몇 가지 난관을 안고 있습니다:

• 보안 위험요소: 현재 구현된 BLS는 표준 가정 하에서 안전하다고 평가되지만(타원 곡선 난제 등), 취약점 발견 시 전체 시스템 위험 증가.

• 구현 복잡성: 기존 인프라(RSA 또는 ECDSA 기반)의 호환 문제 발생 가능; 새로운 기술 도입에는 세심한 엔지니어링 필요.

• 규제 환경 변화: 프라이버시 중심 시장 내 암호기술 발전과 규제 기관 감시 강화 추세 속에서 법률·규범 정비 필요성이 대두됨.

결론: 왜 오늘날 필수인가?

데이터 양 급증과 사용자 기대치 상승 속에서 스마트 컨트랙트부터 탈중앙 앱까지 신뢰성과 속도를 모두 갖춘 고효율 암호 솔루션 확보는 매우 중요합니다.[E-A-T] 입증된 알고리즘과 학문적 연구 지원 아래 안정적인 플랫폼 구축 능력을 키우려면, 오늘날 가장 주목받는 기술들—특히 BLS와 같은 그룹사인이 미래 지향적인 분산 시스템 설계를 뒷받침한다는 점을 이해하는 것이 핵심입니다.

참고 문헌

1. Boneh D., Lynn B., & Shacham H., "Short Signatures from the Weil Pairing," Advances in Cryptology – ASIACRYPT 2001: 514–532
2. Ethereum Foundation (2023). Ethereum 2.0: Phase 0 Implementation Details
3. Polkadot Documentation (2023). Validator Set Management Protocols
4. Cosmos Network (2023). Interoperability via IBC Protocols
5. Gorbunov S., & Shalmon A., "Efficient and Secure Aggregation of BLS Signatures," International Conference on Cryptology & Information Security (2022): 1–20