10. 분산 시스템, 신뢰, 그리고 비잔틴 장군 문제

지휘자 없는 오케스트라를 상상해 보라. 단원들은 서로를 볼 수 없고, 오직 손으로 쓴 쪽지를 줄줄이 옆으로 전달하는 방법으로만 소통할 수 있다. 그런데도 어떻게든 함께 시작하고, 함께 박자를 지키고, 함께 끝내야 한다. 분산 시스템이 바로 그 오케스트라이고, "연주되는 곡"은 컴퓨터들이 한 몸처럼 해내려는 과제다.

친구에게 편지를 보냈는데 답장이 없는 상황을 그려 보라. 편지가 배달 중에 사라졌나? 친구가 여행 중인가? 읽고도 답하지 않기로 했나? 세상을 떠났나? 침묵만으로는 아무것도 알 수 없다 — 그런데도 기다릴지, 다시 쓸지, 그 사람 없이 움직일지는 결정해야 한다. 분산 시스템 속의 모든 컴퓨터는 이 침묵의 안개 속에서 영구히 살아가며, 그 안에서 중대한 결정을 내려야 한다.

크래시 장애는 회의 도중 집에 가 버린 위원이다. 난처한 공석이지만, 적어도 상황은 분명하다. 비잔틴 장애는 자리에 남아 당신 면전에서 거짓말을 하고, 당신에게는 이 이야기를, 옆 사람에게는 정반대 이야기를 하며, 다른 두 사람과 조용히 결탁해 회의를 망가뜨리는 위원이다. 결석을 견디는 것도 어려운데, 계획적이고 조직적인 기만을 견디는 것은 그보다 훨씬 어렵다.

합의란, 쪽지만 주고받을 수 있고, 그 쪽지가 도착하는지도 확신할 수 없으며, 그중 몇몇은 거짓말을 하고 있을지 모르는 사람들로 가득한 방에서, 그럼에도 전원이 같은 결정에 합의한 채 — 그리고 남들도 합의했다는 확신을 품은 채 — 방을 걸어 나오게 만드는 문제다. 이 장의 나머지는 그것이 정확히 얼마나 어려운지, 그리고 넘을 수 없는 한계선이 어디에 그어져 있는지에 관한 이야기다.

장군은 컴퓨터이고, 전령은 네트워크이며, "공격이든 퇴각이든, 단 전원이 함께"는 합의에 대한 요구이고, 배신자는 거짓말하는 비잔틴 장애 기계다. 문제가 묻는 것은 이것이다. 정직한 참여자들은, 정체를 알 수 없는 일부가 전력을 다해 방해하고 있을 때조차, 언제나 공유된 결정에 도달할 수 있는가? 이 비유는 장식이 아니라 정밀하다 — 추상적인 문제가 곧 컴퓨터 엔지니어가 마주하는 구체적인 문제 그 자체다.

무리 안의 거짓말쟁이 한 명으로부터 안전하려면 셋으로는 부족하다 — 최소 넷이 필요하고, 그중 거짓말쟁이는 많아야 하나여야 한다. 거짓말이 이토록 부식성이 강한 것은, 거짓말쟁이가 사람마다 다른 이야기를 할 수 있어서 정직한 구성원들이 그냥 '표결'로 해결할 수 없기 때문이다. 거짓말쟁이는 방의 절반에는 이쪽에, 나머지 절반에는 저쪽에 투표했을지 모른다. 그것을 이기려면 정직한 참여자의 넉넉한 압도적 다수가 필요하다.

서명 없는 소문은 옮겨지는 동안 얼마든지 비틀린다 — "그 사람이 공격하라고 했다니까"는 반증할 길이 없다. 서명된 변조 방지 쪽지는 그럴 수 없다. 작성자의 위조 불가능한 표식을 지니고 있으므로, 거짓말쟁이는 더 이상 남이 하지 않은 말을 했다고 우길 수 없다. 디지털 서명은 미끌미끌한 전언을 검증 가능한 증거로 바꾸며, 이 한 가지 변화가 문제의 조임쇠를 극적으로 푼다. 다만 의존 관계에 주의하라. 이 보장은 서명이 정말로 위조될 수 없다는 가정 위에 서 있다 — 그리고 그것이 정확히 8장의 암호학이 하는 일이다.

카스트로와 리스코프는 이론으로 감탄만 받던 결과를 공학으로 바꿨다. 자기 소속 컴퓨터 일부가 시스템을 망치려 드는 동안에도 계속 작동하기 위해, 실제 시스템이 따라 할 수 있는 조리법을 내놓은 것이다. 다만 이들의 설계는 참여자가 '알려진, 고정된' 기계 목록이라고 가정했다. '전 세계 누구든' 허락 없이 마음대로 드나들게 하는 것은 또 한 번의 도약이었다 — 그리고 그 도약이 바로 훗날 비트코인이 해내는 일이다.

FLP가 말하는 바는 이렇다. 컴퓨터 무리가 '언제나' 합의에 도달한다는 절대적·수학적 보장을 요구하면서 네트워크 속도에 대해 아무 가정도 하지 않는다면, 그런 보장은 불가능하다 — 최악의 경우, 컴퓨터 한 대가 조용해지는 것만으로 결정이 영원히 지연될 수 있다. 이것은 분산 시스템 세계의 근본 속도 제한 같은 것이다. 머리가 모자라서 부딪히는 벽이 아니라, 문제 자체에 붙박여 있는 벽이다.

한 은행의 서울 지점과 부산 지점이 하나의 계좌 원장을 공유하며 전용 회선으로 동기화를 유지한다고 하자. 어느 날 그 회선이 끊긴다 — 네트워크 분할이다. 같은 계좌에서 돈을 찾으려는 고객이 두 지점에 각각 걸어 들어온다. 이제 두 지점은 피할 수 없는 선택 앞에 선다. 회선이 복구될 때까지 '모든 거래를 거절'하면 두 원장은 결코 어긋나지 않는다 — 가용성을 대가로 일관성을 고른 것이다(은행은 정확하지만 문을 닫았다). 아니면 마지막으로 알고 있던 잔액으로 '계속 고객을 응대'하면서 같은 돈이 두 번 지급될 위험을 감수할 수 있다 — 일관성을 대가로 가용성을 고른 것이다(은행은 열려 있지만 틀릴 수 있다). 회선이 끊겨 있는 동안 두 지점이 할 수 없는 일이 하나 있다. 완전히 문을 연 채로 동시에 완전히 정확할 수는 없다는 것이다. 그 불가능성이 CAP 정리다.

누군가에게 디지털 코인을 보내는 일은, 기본 설정대로라면, 동전을 건네주는 것보다 동전의 '사진'을 보내는 것에 가깝다 — 보내고 나서도 내 사본은 그대로 남으니, 다른 사람에게 또 "보낼" 수 있다. 돈은 그런 식으로는 작동할 수 없다. 디지털 현금 문제를 푼다는 것은 디지털 코인이 물리적 동전처럼 — 오직 한 번만 쓸 수 있게 — 행동하도록 만들 방법을 찾는 일이다.

풀리지 않은 문제는 "이 코인이 내 것임을 어떻게 증명하나?"가 아니었다 — 그것은 서명이 해결했다. 문제는 "서로 믿지 않고, 우두머리도 회원 명부도 없는 수천 명의 낯선 이들이, 같은 코인이 두 번 쓰이지 못하도록 누가 누구에게 지불했는지의 단 하나의 참된 순서에 어떻게 전원 합의하는가?"였다. 이것은 서로 믿지 못하는 이들 사이의 합의 문제 — 돈이라는 옷을 입은 비잔틴 장군 문제다.