이더리움 2.0: 캐스퍼 및 비콘 체인

편집자 주: 이 기사의 출처는Unitimes（ID：Uni-times）, 저자: Colin Schwarz, 컴파일러: Jhonny, 허가 하에 출판.

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배경 정보이 시리즈의 첫 번째 기사에서 "세레니티는 무엇을 가져올까요?"에서는 지금까지의 이더리움 네트워크의 역사를 개괄하고 큰 기대를 모으고 있는 Eth 2.0이 해결할 주요 문제를 설명합니다. 두 번째 기사에서 "보조 제목

합의 알고리즘

합의 알고리즘

전통적인 가치 및 정보 교환 네트워크에는 일반적으로 네트워크를 보호하고 검증하는 중개자가 있습니다. 예를 들어 은행은 고객 자산에 대한 보안을 제공하고 고객의 온라인 거래 및 정보에 대한 제어를 중앙 집중화합니다. 블록체인 분야에서는 블록체인 네트워크가 분산되어 있기 때문에 이러한 중개자가 필요하지 않습니다.

중개자가 없기 때문에 블록체인 네트워크는 보안을 유지하고 분산 원장에 추가된 새로운 정보의 유효성을 보장하기 위해 어떤 형태의 시스템을 사용해야 합니다. [1]

즉, 블록체인 네트워크의 대다수 노드는 네트워크 보안을 유지하기 위해 단일 버전의 네트워크 상태에서 "합의에 도달"해야 합니다.이를 달성하기 위해 블록체인은 네트워크가 합의에 도달하고 최종성을 달성할 수 있도록 프로토콜 코드에 기록된 미리 정의된 규칙 집합인 다양한 "합의 알고리즘"을 사용합니다. Finality는 "일단 특정 작업이 완료되면 해당 작업이 역사적 기록에 영구적으로 새겨지며 작업이 취소되지 않음"을 의미합니다. 게재된 기사"이더리움 2.0:》]。

최종성을 달성하는 방법?

작업증명(PoW)은 비트코인 ​​네트워크의 보안과 탈중앙화를 보장하는 비트코인이 사용하는 최초의 블록체인 합의 알고리즘입니다. 최근 많은 다른 블록체인 플랫폼에서 여러 가지 이유로 PoS(Proof of Stake), DPoS(Proxy Proof of Stake) 및 PoA(Proof of Authority)와 같은 다른 합의 알고리즘을 도입했습니다.

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PoS가 필요한 이유는 무엇입니까?

비트코인과 같은 작업 증명(PoW) 시스템에는 컴퓨터 하드웨어를 통해 블록체인 네트워크에 연결된 많은 채굴자가 참여합니다. PoW 합의 알고리즘은 각각의 새 블록에 대해 목표 값을 설정하고, 채굴자들은 목표 값을 가장 먼저 찾고 새 블록을 추가하여 채굴 보상을 받기 위해 경쟁합니다.

이를 위해 제안된 블록의 헤더 데이터를 고정 길이 문자열(해시 값)을 반환/출력하는 해시 함수를 통해 실행합니다. 광부는 입력 "nonce 값"이 목표 값과 일치하는 해시 값을 생성할 때까지 입력 "nonce 값"을 계속 변경합니다. 즉, 블록 헤더를 다시 해시합니다. 이때 새로운 블록은 네트워크의 모든 노드에 브로드캐스팅되고, 이들 노드는 블록을 검증하여 원장에 추가하게 되며, 블록을 성공적으로 발굴한 채굴자는 채굴 보상을 받게 됩니다.

PoW 시스템의 핵심 측면은 올바른 해시 입력을 찾는 데 많은 컴퓨팅 성능이 필요하지만(즉, 채굴 난이도가 있음) 채굴자가 올바른 입력(즉, "nonce 값")을 찾으면 출력(즉, 해시 함수가 반환한 해시 값)을 확인합니다. 마이닝 프로세스의 난이도는 네트워크의 보안을 보장하고 노드가 각 블록을 확인하는 것이 상대적으로 간단하여 수천 개의 네트워크 노드가 블록체인의 최신 기록을 유지할 수 있습니다.

하지만 아쉽게도 해싱으로 각각의 목표값을 찾는 어려움은 많은 컴퓨팅 파워와 전기를 필요로 하여 네트워크의 효율성과 채굴자의 이익을 감소시킵니다. 모든 채굴자는 블록을 확인하고 보상을 얻기 위해 많은 전기와 계산을 소비해야 하지만, 그들 중 한 명만이 성공적으로 새로운 블록을 채굴할 수 있습니다. 이 때문에 각 블록의 채굴은 많은 전력과 계산을 낭비합니다. 이것은 PoW 알고리즘이 네트워크의 보안을 보장할 수 있지만 알고리즘의 효율성이 매우 낮다는 것을 의미합니다.

PoW 블록체인의 비효율성 외에도 마이닝 공간은 시장 독점에 취약합니다. 이 마이닝 방법은 더 많은 자원을 가진 참여자에게 불공평한 이점을 주기 때문입니다. 부유하고 강력한 개인과 조직은 더 빠르고 강력한 채굴 하드웨어를 대량으로 구매할 수 있어 새로운 코인을 성공적으로 채굴할 수 있는 더 나은 기회를 제공합니다. 현재 비트코인 ​​채굴의 약 65%가 5개의 대규모 채굴 그룹에 의해 이루어지고 있으며 이론적으로 이들이 결합하여 컴퓨팅 파워 시장의 50% 이상을 통제할 수 있습니다(그렇게 할 가능성은 낮지만). 이로 인해 비트코인 ​​및 기타 PoW 블록체인 네트워크가 원래 구상했던 것만큼 분산되지 않아 독립성과 유용성이 위태로워지는 상황이 발생합니다.

PoS 네트워크에서 "광부"는 네트워크의 기본 토큰을 소유한 "검증자"로 대체됩니다. Validator는 일정량의 토큰(블록 제안 및 블록 증명 포함)을 스테이킹하여 네트워크의 블록 검증에 참여하며, 제안/검증된 블록이 네트워크에 추가되면 해당 블록을 제안/검증한 말뚝. PoS 네트워크에서는 PoW와 같은 채굴이 없기 때문에 PoW 시스템보다 수천 배 더 비용 효율적이고 에너지 효율적입니다.

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"Nothing at Stake" 문제

PoS 합의 증명 알고리즘을 구현할 때 가장 큰 문제 중 하나는 "Nothing at Stake" 문제입니다. 사람들은 2013년부터 PoS 합의를 실험해 왔으며 Peercoin과 같은 얼리 어답터는 이 문제에 빠르게 부딪쳤습니다[4].

PoS 프로토콜의 초기 채택으로 네트워크의 기본 토큰을 소유한 사람은 누구나 네트워크 검증자로 활동할 수 있었습니다. 이러한 PoS 프로젝트는 토큰을 소유한 사람들이 네트워크의 성공에 기득권이 있다고 가정했습니다(즉, 자발적으로 자신의 이익, 정직하게 확인).

더 많은 토큰을 가진 사람들은 더 많은 토큰을 가진 사람들이 공격할 인센티브가 거의 없다는 가정하에 더 많은 검증 권한을 부여받습니다.

그러나 초기 PoS 프로젝트는 이 논리에 결함이 있음을 빠르게 깨달았습니다. 일반적으로 채굴자/검증자에게는 검증할 블록이 하나만 주어집니다. 그러나 대기 시간으로 인해 종종 여러 블록이 제안되고 채굴자/검증자에게 선택할 수 있는 두 개의 블록이 제공됩니다.

전통적인 PoW 시스템에서 채굴자는 한 번에 하나의 포크된 체인에서만 채굴할 수 있습니다[5]. 불법 포크된 체인을 이전의 "권한 있는 체인"(즉, 가장 긴 체인)으로 성공적으로 교체하려면 네트워크 컴퓨팅 성능의 50% 이상이 필요하며, 이는 비트코인과 같은 대규모 PoW 블록체인 네트워크에 대해 매우 높습니다. .매우 어렵습니다.

• PoS 네트워크에서는 검증자가 두 개의 서로 다른 분기된 체인의 블록을 동시에 검증할 수 있으며 추가 비용을 부담할 필요가 없습니다. 사실, PoS 채택의 초기 단계에서는 이론적으로 사용 가능한 포크에 스테이킹하는 것이 검증인의 경제적 이익이었습니다. 그렇게 함으로써 검증인은 거래 수수료 보상을 얻을 수 있기 때문입니다. 사악, 무제한 혜택)' 문제.

• 이러한 종류의 문제의 최악의 결과는 다음 보안 가정으로 설명할 수 있습니다.

• 유효성 검사기는 전체 네트워크에 피해를 주더라도 자신의 이익을 극대화하려고 노력할 것입니다.

검증자는 이타적으로 검증하지 않습니다(블록은 하나의 체인에서만 검증됨).

유효성 검사기는 소프트웨어를 수정하거나 수정된 ​​소프트웨어를 다운로드하여 여러 포크 체인(포크 발생 시 올바른 포크 체인을 선택하는 내부 논리가 있는 표준 소프트웨어)을 검증할 수 있습니다.

위에서 언급한 보안 가정으로 인해 여러 분기된 체인이 나타날 수 있으며 이는 네트워크 합의를 지연시키고 복잡하게 만들며 해결되지 않으면 네트워크의 주요 보안 취약점으로 이어질 수도 있습니다. 모든 검증자가 네트워크의 모든 분기된 체인의 블록을 실제로 검증할 수 있다면 악의적인 검증자는 이중 지출 공격(즉, 동일한 토큰을 여러 번 사용)을 수행할 수 있습니다. 포크 중 하나를 통해 거래소로 토큰을 보내고 해당 거래소에서 토큰을 인출한 다음 다른 포크의 블록만 검증할 수 있습니다.

모든 유효성 검사기가 서로 다른 두 개의 체인에 대해 유효성을 검사한다고 가정하기 때문에 두 번째 체인은 점점 더 많은 증거를 얻고 결국 유일한 유효한 체인이 됩니다. 이는 이전에 첫 번째 포크된 체인에서 사용되어 거래소에서 인출된 토큰 거래가 더 이상 유효하지 않음을 의미합니다. 이러한 방식으로 성공적인 이중 지출 지출이 발생하고 거래 금액이 아무리 크더라도 자금을 사취합니다.

요컨대 PoS의 초기 시도에서 각 검증인이 실제 가치를 걸도록 요구하지 않아 네트워크가 지연되고 복잡하며 안전하지 않을 수 있습니다.

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"Nothing at Stake" 문제에 대한 해결책: 캐스퍼

다행스럽게도 Ethereum 팀은 초기 PoS 프로젝트의 단점에서 배웠고 "Nothing at Stake" 문제를 제거하기 위해 Casper 프로토콜을 설계했습니다. 2014년 Vitalik은 "Slasher"라는 기사[5]에서 "Nothing at Stake" 문제를 제거하는 아이디어를 처음 제안했습니다. 이 논문은 간단한 해결책을 제안합니다.

"이 개념은 제안된 이후 상당히 발전했지만 Casper 합의 알고리즘의 기초가 되었습니다.

캐스퍼는 여러 분기된 체인을 검증하거나 네트워크에 손상을 입히는 검증자에게 페널티를 주는 알고리즘입니다.

캐스퍼의 첫 번째 구현은 이더리움의 현재 PoW 제안 메커니즘을 사용하여 Eth2.0 체인에 새로운 블록을 도입할 것입니다. 두 개의 블록이 동시에 제안되면 검증자는 하나의 체인에 스테이킹한 것에 대해서만 보상을 받게 되므로 현재 Eth1.0 체인을 통해 스테이킹하는 것이 합리적입니다. 이 오래된 체인이 성공 가능성이 가장 높기 때문입니다.

더 중요한 것은 Casper 프로토콜이 검증자가 여러 블록을 동시에 검증하여 유효하지 않은 분기 체인을 지원하려고 시도하는 경우 검증자가 약속한 토큰 자산이 파괴되는 메커니즘을 도입한다는 것입니다. 이는 두 가지 "캐스퍼 계명" [6]을 시행하는 특수 보호 메커니즘을 통해 달성됩니다.

첫 번째 "캐스퍼 명령"은 유효성 검사기가 동일한 블록 높이에서 두 개의 다른 투표를 발행할 수 없다는 것입니다(즉, 동일한 블록 높이에서 두 개의 다른 블록에 서명할 수 없음).

두 번째 "캐스퍼 계명"은 유효성 검사기가 이미 투표한 경우 다른 투표 기간에 다시 투표할 수 없다는 것입니다.이러한 원칙 중 하나를 위반하는 모든 유효성 검사기는 악의적인 유효성 검사기로 간주되며 전체 예치금(지분뿐 아니라)이 몰수됩니다. 네트워크의 가용성을 높이고 거래 검열을 줄이기 위해 노드가 오프라인인 검증자도 적당히 처벌됩니다. 자세한 내용은 이전에 Unitimes에서 게시한 기사를 참조하십시오.Eth 2.0 AMA 2단계 | Vitalik:Ethereum 2.0에는 해결되지 않은 연구 과제가 없습니다.

". Casper 연구원 Vlad Zamfir는 이 새로운 PoS 보안 메커니즘을 PoW 시스템에서 51% 공격을 시작하는 사람이 사용하는 채굴 하드웨어에 비유했습니다.

Casper 메커니즘이 올바르게 구현되면 "Nothing at Stake" 문제가 제거되고 Ethereum 네트워크가 PoS 메커니즘으로 안전하게 전환될 수 있습니다.

Casper FFG는 이더리움이 PoW 합의 메커니즘에서 PoS 합의 메커니즘으로 원활하게 전환할 수 있도록 합니다. 따라서 Casper FFG 모델은 이 새로운 PoS 프로토콜을 현재 이더리움 PoW 프로토콜에 오버레이하여 이 새로운 PoS 프로토콜을 통합합니다. 블록은 여전히 ​​PoW를 통해 채굴되지만 각 에포크 동안의 마지막 슬롯은 PoS 체크포인트(생성된 64개의 블록마다(약 6.4분)를 에포크라고 함) 네트워크 검증자가 체크포인트에 있게 됩니다. 마지막 체크포인트 이후 블록 완결성을 평가합니다. . Casper CBC는 PoS 합의로의 전환을 완료하기 위해 FFG 이후에 구현될 것입니다.

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비콘 체인

캐스퍼 지분 증명 메커니즘은 현재 이더리움 PoW 체인과 병렬로 실행되는 독립 체인인 비콘 체인을 통해 구현될 것입니다. 비콘 체인은 Eth2.0 체인의 "시스템 체인"이 될 것이며 주요 책임은 유효성 검사기 레지스트리를 저장 및 유지 관리하고 샤드 체인과 비콘 체인 간의 교차 연결을 처리하며 각 에포크 동안 체인을 여는 것입니다. 각 샤드 체인(Eth2.0 시스템에는 1024개의 샤드 체인이 있음)에 검증자를 무작위로 지정하고 할당합니다.

사용자는 현재 구 이더리움 체인에 배치될 스마트 계약에 32 ETH(예금)를 전송하여 비콘 체인의 지분 증명 프로토콜에 참여할 수 있습니다. 이 예치금은 이 유효성 검사기가 샤딩된 샤드 체인을 보여주는 ID가 포함된 영수증을 생성합니다(샤딩에 대해 자세히 알아보려면 이 문서[12] 참조).

사용자가 서약한 후에는 비콘 체인에서 대기 중인 검증자가 됩니다. 일정 시간 동안 기다린 후 사용자는 활성 검증자가 되기 위해 "활성화"되고 PoS 프로토콜 검증[9]에 참여할 수 있습니다. 비콘 체인이 Eth1.0 체인의 서약 수령을 처리한 후에만 사용자가 유효한 유효성 검사기로 "활성화"될 수 있습니다. 활성화된 유효성 검사기는 새 블록을 제안하고 블록의 유효성에 대해 투표합니다.

Casper의 초기 버전은 기존 PoW 제안 메커니즘을 사용하고 이후 버전은 보다 효율적인 제안 메커니즘을 사용합니다. Vitalik은 "블록 제안을 PoS 순환 블록 서명 메커니즘으로 변환하는 것"을 구상하고 있습니다. [6] 유효성 검사기가 공모하여 공격을 시작하는 것을 방지하기 위해 비콘 체인은 체인에서 임의성 블록 제안/투표 검증을 구현하여 유효성 검사기를 다른 샤드에 무작위로 할당합니다. 8]. 검증자가 언제 어떤 샤드 체인에 할당될지 모른다면 공격을 시작하기 위해 미리 결탁하는 것을 방지합니다.포크가 발생한 경우 유효성 검사기는 클라이언트의 비콘 체인 포크 선택 규칙을 사용하여 올바른 체인을 자동으로 선택합니다. 포크 선택 규칙은 "Last Message DriVEN Greediest Heaviest Observed SubTree(LMD GHOST, 최신 뉴스에 의해 구동되는 GHOST)"를 사용하여 어떤 체인이 "표준 체인"인지 결정합니다. 잠재적인 공격자가 잘못된 포크 체인을 확인하려면 LMD GHOST 포크 선택 규칙을 수동으로 수정하거나 제거해야 합니다. [비고: LMD GHOST에 대한 자세한 내용은 "이더리움 2.0:》]

최종성을 달성하는 방법?

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노선지도

노선지도

비콘 체인(즉, Eth2.0의 0단계)은 2020년 초에 출시될 것으로 예상되지만 시스템에서 약정된 ETH의 수가 최소 수 요구 사항에 도달하고 최소 3개의 프로덕션 준비 클라이언트가 있어야 합니다. , 비콘 체인을 시작할 수 있습니다. 성공적으로 시작되었습니다. 1단계와 2단계는 각각 2021년과 2020년에 이어질 것으로 예상됩니다.

1단계에서는 기본적으로 샤드 시스템이 어떻게 작동할지 테스트하는 데 사용되는 샤드 구조의 시운전 단계인 기본 샤드 체인 구조를 소개합니다. 따라서 1단계에서는 샤딩의 전체 확장성 잠재력을 즉시 실현하지 못할 것입니다. 이 단계에서는 샤드 체인의 합의 및 최종성을 다루고 비콘 체인이 샤드 체인의 실행을 모니터링할 수 있습니다.

2단계에서는 샤드가 완전히 작동하는 체인이 되는 완전히 통합된 Eth2.0 시스템을 목격할 것입니다. 2단계에서는 새로운 Ethereum Virtual Machine eWASM도 소개합니다.

이러한 단계는 개념적으로 분리되어 있지만 단계의 상호 관련성으로 인해 각 단계의 작업이 동시에 수행되고 있다는 점에 유의해야 합니다.

또한 Eth 1.0 체인(Eth 1.x라고도 함)을 개선하기 위한 노력이 현재 진행 중이며 클라이언트 측 최적화를 통해 네트워크의 처리량을 늘리고 완전한 운영을 보장하기 위해 "국가 수수료"를 구현하는 것을 목표로 합니다. 노드, 안정적인 거래 수수료 및 Eth1.x 체인을 Eth2.0 체인에 연결하는 데 사용할 수 있는 파이널리티 가젯 개발.