블록체인 실행 계층, 스토리지 계층 및 합의 계층의 확장 체계를 이해하기 위한 기사

Chainlink

特邀专栏作者

2022-07-20 13:30

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이 기사는 블록체인의 확장성 문제에 대해 설명하고, 블록체인과 기존 컴퓨팅 시스템의 차이점에 초점을 맞추고, 실행 계층, 스토리지 계층 및 합의 계층에서 블록체인을 위한 다양한 확장 솔

AI 요약

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신뢰 최소화는 귀중한 보안 속성이지만블록체인 기술암호화된 사실암호화된 사실이미지 설명

암호화된 팩트는 애플리케이션 및 레코드에 대한 신뢰 최소화 백엔드 계산을 가능하게 합니다.

현재 블록체인은 통화 정책(예: 비트코인) 및 디지털 자산 거래(예:DEX). 그러나 블록체인은 항상 많은 애플리케이션 시나리오의 속도 및 비용 요구 사항을 충족하기 어려웠으며 이러한 두 가지 차원에서 기존 컴퓨팅 시스템과 비교할 수 없습니다. 블록체인의 확장성 제한으로 인해 사용자는 높은 거래 수수료를 지불해야 하므로 개발자는 블록체인이 실제로 고부가가치 애플리케이션 시나리오를 지원하고 실시간 데이터 처리를 실현할 수 있는지 궁금해합니다.

스마트 계약스마트 계약금융, 공급망 및 게임과 같은 전통 산업의 백엔드 인프라의 핵심 요소가 되십시오. 다음은 블록체인과 기존 컴퓨팅 시스템의 차이점에 중점을 두고 블록체인의 확장성 문제를 설명하고 블록체인의 실행 계층, 스토리지 계층 및 합의 계층에 대한 다양한 확장 솔루션의 장단점을 나열합니다.

첫 번째 레벨 제목

블록체인과 기존 컴퓨팅의 비교 분석

블록체인을 확장하는 방법을 논의하기 전에 블록체인 컴퓨팅과 기존 컴퓨팅의 근본적인 차이점을 이해해야 합니다. 일반적으로 블록체인에는 다음과 같은 핵심 가치가 있습니다.

계산은 매우 결정적입니다. 사전 정의된 코드 논리에 따라 엄격하게 실행되며 매우 높은 수준의 결정성을 갖습니다.
신뢰할 수 있고 중립적임 - 블록체인에는 중앙 집중식 관리자나 특별한 네트워크 권한이 없으므로 누구나 조작이나 차별에 대한 두려움 없이 트랜잭션을 제출할 수 있습니다.
최종 사용자에 의한 확인 - 전 세계 누구나 블록체인 원장의 기록 및 현재 상태와 클라이언트 소프트웨어의 기본 코드를 감사할 수 있습니다.

보다 구체적으로 블록체인의 임무는 자산 소유권, 계약 상태 또는 원시 데이터를 기록할 수 있는 내부 원장을 관리하는 것입니다. 대부분의 블록체인 네트워크는 "블록 프로듀서"와 "풀 노드"에 의해 관리됩니다. 이 두 유형의 액터는 각각 고유하지만 때로는 중복되는 기능을 수행합니다.

블록 생산자는 사용자가 제출한 미확인 트랜잭션을 수집하고 트랜잭션의 유효성을 확인하며 "블록"이라고 하는 데이터 구조에 트랜잭션을 배치합니다. 블록 생산자는 일반적으로 작업증명(PoW) 블록체인에서 "채굴자"로, 지분증명(PoS) 블록체인에서 "검증자"로 불립니다. PoW와 PoS는 모두 Sybil 공격 방지 메커니즘으로 블록체인 원장의 견고성을 항상 유지하고 원장이 조작되는 것을 방지할 수 있습니다.

전체 노드전체 노드수락하거나 거절하십시오. 풀 노드는 블록체인 원장의 완전한 사본을 독립적으로 저장하고 지속적으로 새 블록을 검증하지만 풀 노드는 블록 생산 프로세스에 참여할 필요가 없습니다. 대부분의 전체 노드는 블록 생산자가 운영하지만 거래소, RPC 프로토콜 공급자, 스테이블코인 발행자와 같은 주요 경제 행위자와 최종 사용자도 전체 노드를 운영할 수 있습니다. 전체 노드는 유효하지 않은 블록을 거부할 권리가 있으므로 블록 생산자의 행동을 감독할 수 있습니다.대부분의 블록 생산자는 악의적입니다.이미지 설명

사용자는 풀노드를 통해 블록체인에 트랜잭션을 제출하고, 채굴자와 검증 노드는 풀노드에 블록을 제공하고 검증을 받습니다.

또한 전체 노드를 블록 생산자와 분리하면 채굴자나 검증 노드가 임의로 프로토콜 규칙을 변경하고 블록을 조작하는 것을 방지할 수 있습니다. 이것은 블록 생산자가 트랜잭션을 주문할 수 있는 권한만 있지만 블록체인의 규칙을 지시할 수 없는 권한 확인 및 균형 메커니즘입니다. 규칙은 풀노드 커뮤니티에서 관리하며 이론상 누구나 쉽게 풀노드 커뮤니티에 가입할 수 있습니다. 블록체인의 기본 아키텍처에 대해 자세히 알아보려면 다음을 확인하십시오.하나의 기사에서 암호화 사실 읽기: 신뢰 최소화의 계산 및 기록》。

하드웨어 요구 사항 감소전체 노드 작업에 대한 임계값 낮추기이것은 항상 탈중앙화 수준을 유지하는 열쇠이자 신뢰 최소화를 달성하는 열쇠였던 블록체인에 매우 중요합니다. 그러나 탈중앙화는 또한 네트워크가 가장 느린 노드만큼만 빠르기 때문에 종종 매우 느린 블록체인을 초래합니다. 이 문제는 "블록체인의 불가능한 삼위일체"라고도 알려져 있습니다."확장성 수수께끼"이미지 설명

블록체인의 불가능한 삼각형은 블록체인이 확장성, 보안 및 탈중앙화의 세 가지 차원에서 절충해야 함을 의미합니다.

기존 블록체인 모델에는 병목 현상이 있습니다. 즉, 확장성을 달성하려면 탈중앙화 또는 보안 수준을 희생하거나 두 차원 모두에서 특정 희생을 치러야 합니다. 예를 들어, 확장성과 탈중앙화를 달성하는 네트워크는 보안을 보장하기 위해 많은 수의 활성 참여자에게 경제적 인센티브를 제공해야 합니다. 확장성과 보안을 달성하는 네트워크는 일반적으로 노드 운영 비용을 증가시켜야 하므로 탈중앙화 수준을 희생해야 합니다. 또한 분산화와 보안을 달성하는 네트워크는 일반적으로 낮은 노드 요구 사항과 높은 공격 비용을 유지해야 하지만 결국 확장성에서 병목 현상에 직면하게 됩니다.

블록체인과 달리 기존 컴퓨팅 환경은 신뢰 최소화를 극대화하는 것이 주된 목적이 아니기 때문에 탈중앙화에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 이와 같이 전통적인 컴퓨팅 네트워크는 종종 중앙 집중식이며 영리 기업에 의해 운영됩니다. 단일 주체가 네트워크를 관리하고 그 계산 결과를 최종 사용자가 독립적으로 검증할 필요가 없기 때문에 저비용 및 고속 운영이 가능합니다.

이 때문에 기존 컴퓨팅 환경의 신뢰 모델은 브랜드 보증 및 법적 계약을 기반으로 합니다. 이에 반해 블록체인의 신뢰 모델은 암호학과 게임 이론을 기반으로 하며, 참여자는 독립적으로 검증이 가능하고 네트워크에 직접 참여할 수 있습니다. 전통적인 컴퓨팅 환경은 외부 영향을 받기 때문에 단일 실패 지점과 단일 제어 지점의 위험이 있으며 사용자는 프로세스를 감사할 수 없으므로 블록체인 네트워크와 호환되지 않습니다.

첫 번째 레벨 제목

블록체인 확장의 세 가지 주요 기능

보조 제목

블록체인 실행 계층

블록체인 실행 계층은 트랜잭션 및 상태 변경을 실행하는 컴퓨팅 계층을 말합니다. 트랜잭션 실행에는 트랜잭션의 유효성 확인(예: 서명 및 토큰 잔액 확인), 온체인 로직 실행 및 상태 변경 컴퓨팅이 포함됩니다. 상태 변경은 전체 노드가 원장의 사본을 업데이트하여 새로운 토큰 전송, 스마트 계약 코드 업데이트 및 데이터 저장을 반영함을 의미합니다.

블록체인 실행 계층 스케일링은 일반적으로 초당 처리되는 트랜잭션의 양(TPS)을 의미하지만 보다 거시적인 수준에서는 각 트랜잭션의 복잡성과 비용이 다르기 때문에 초당 처리되는 계산의 양을 의미합니다. 네트워크에서 처리되는 트랜잭션 수가 많을수록 어느 시점에서든 수행해야 하는 계산량이 커집니다.

보조 제목

블록체인 스토리지 레이어

블록체인 스토리지 계층은 전체 노드가 원장의 사본을 유지하고 저장하는 스토리지 계층을 의미합니다. 블록체인의 저장 기능은 일반적으로 두 가지 범주로 나뉩니다.

과거 데이터--모든 원시 거래 및 블록 데이터를 포함합니다. 트랜잭션 데이터에는 출발지 및 목적지 주소, 전송된 금액 및 각 트랜잭션에 대한 서명이 포함됩니다. 블록 데이터에는 이전 블록의 루트 해시, 논스 및 해시와 같은 블록의 트랜잭션 및 메타데이터 목록이 포함됩니다. 기록 데이터는 일반적으로 빠르게 액세스할 필요가 없으며 다운로드할 정직한 노드가 하나 이상 있으면 됩니다.
글로벌 상태 -모든 스마트 계약의 계정 잔액 및 변수와 같이 스마트 계약으로 읽고 쓸 수 있는 모든 데이터의 스냅샷입니다. 글로벌 상태는 블록체인의 데이터베이스로 간주될 수 있으며 입력 거래는 검증되어야 합니다. 상태는 일반적으로 풀 노드에서 쉽고 빠르게 액세스하고 변경할 수 있는 트리 데이터 구조(예: 머클 트리)에 저장됩니다.

전체 노드는 블록체인과 먼저 동기화하기 위해 과거 데이터에 액세스해야 하며, 새 블록을 검증하고 새 상태 변경을 실행하려면 글로벌 상태에 액세스해야 합니다. 원장 및 관련 저장 데이터의 양이 증가함에 따라 노드가 상태를 읽고 쓰기 위해 더 많은 시간을 소비하고 더 많은 계산을 수행하므로 상태 계산이 느려지고 비용이 많이 듭니다. 노드의 메모리가 가득 차면 디스크 저장 공간을 사용해야 하므로 실행 중에 노드가 서로 다른 저장 환경 간에 전환해야 하므로 계산 속도가 더욱 느려집니다.

블록체인의 스토리지 요구 사항이 점점 더 높아짐에 따라 일반적으로 상태 팽창으로 이어집니다. 상태 인플레이션이 있는 경우 전체 노드는 종종 하드웨어를 업그레이드해야 합니다. 그렇지 않으면 현재 버전의 원장과 동기화를 유지하기 어렵고 사용자가 새로운 전체 노드를 동기화하기 어려울 것입니다. 원장의 기록 데이터 양, 새 블록이 추가되는 빈도, 각 블록의 최대 크기, 온체인에 저장해야 하는 데이터 양과 같은 여러 가지 요인으로 인해 블록체인에서 상태 팽창이 발생할 수 있습니다. 트랜잭션을 확인하고 상태 변경을 시행합니다.

보조 제목

블록체인 합의 계층

블록체인 합의 레이어는 분산형 네트워크의 노드가 블록체인의 현재 상태에 대해 합의하는 곳입니다. 합의의 핵심은 대다수의 노드가 정직하고 최종적으로 완결성을 달성하는 것입니다. 즉, 거래를 정확하게 처리하고 거래가 최대한 철회되지 않도록 하는 것입니다. 블록체인 합의 레이어의 설계 원칙은 일반적으로 통신 비용을 최소화하여 탈중앙화 수준의 상한을 높이고 더 강력한 비잔틴 내결함성 메커니즘을 달성하며 최종 시간을 단축하는 것입니다.

첫 번째 레벨 제목

실행 계층 확장

보조 제목

검증 노드의 하드웨어 요구 사항을 개선하여 수직적 확장 달성

이점:

이점:단점:

단점:유효성 검사기의 수직 확장은 유효성 검사기 또는 전체 노드를 실행하는 비용이 높아짐에 따라 네트워크의 분산 정도를 제한합니다. 노드 비용은 일반적으로 시간이 지남에 따라 증가하며 이는 대부분의 사용자에게도 금지됩니다. 탈 중앙화 수준을 유지하는 것은 다음에 달려 있습니다.무어의 법칙보조 제목

수평적 확장을 위한 멀티체인 생태계 구축

이점:

이점:단점:

단점:보조 제목

실행 계층을 샤딩하여 수평 확장 달성

또 다른 유사한 확장 솔루션은 블록체인을 여러 조각으로 나누고 병렬로 실행하는 것입니다. 각 샤드는 실제로 블록체인이며, 이는 많은 블록체인이 병렬로 실행될 수 있음을 의미합니다. 또한 모든 샤드를 동기화 상태로 유지하는 것이 유일한 작업인 메인 체인이 있을 것입니다.

이점:

이점:단점:

단점:샤딩은 모든 노드가 각 샤드에서 계산을 지원할 수 있어야 하므로 유연성이 제한됩니다. 또한 메인 체인의 컴퓨팅 요구 사항이 증가하고 각 샤드에 할당된 노드 수가 충분하지 않을 수 있으므로 블록체인이 지원할 수 있는 샤드 수에도 상한선이 있습니다. 또한 공유 보안 모델로 인해 모든 샤드가 동일한 보안 취약점을 가질 수 있으므로 로드 밸런싱 및 구현 위험 측면에서 특정 문제가 있을 수 있습니다.

보조 제목

모듈화를 통한 수평적 확장

모듈식 블록체인모듈식 블록체인. 이 체계는 블록체인 인프라를 실행 계층, 데이터 가용성 계층(DA) 및 합의 계층으로 나눕니다. 가장 주류인 블록체인 모듈화 메커니즘은rollup이점:

이점:모듈식 블록체인은 기본 블록체인의 보안 속성을 유지하면서 트랜잭션 실행 및 상태를 더 저렴하고 더 간결하며 처리량이 더 높은 컴퓨팅 환경으로 이동합니다. 이는 실행 레이어의 오프체인 계산을 검증할 때 컨센서스 레이어가 여전히 원래의 분산형 기본 블록체인(예: L1)을 기반으로 하기 때문입니다. 즉, 전체 노드가 더 이상 모든 트랜잭션을 실행할 필요가 없기 때문에 기본 블록체인의 컴퓨팅 대역폭을 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다. 전체 노드는 간결한 증명을 확인하고 소량의 트랜잭션 데이터만 저장하면 됩니다.

단점:

단점:이미지 설명

보조 제목원천）

결제 및 상태 채널

지불 및 상태 채널은 블록체인 확장을 가능하게 합니다. 사용자는 다중 서명 스마트 계약에서 암호화폐를 잠근 다음 자산 소유권 이전 또는 상태 변경 정보를 나타내는 서명된 메시지를 오프체인에서 교환합니다. 전체 프로세스 동안 온체인 트랜잭션을 시작할 필요가 없습니다. 사용자는 채널을 만들고 닫을 때 온체인 트랜잭션만 시작하면 됩니다.

이점:

이점:단점:

단점:게다가,

게다가,딱딱한첫 번째 레벨 제목

데이터 저장 계층 확장

보조 제목

블록체인 노드의 수직 확장

이점:

이점:단점:

단점:보조 제목

기본 블록체인의 데이터 샤딩

또 다른 블록체인 데이터 스토리지 확장 솔루션은데이터 샤딩이점:

이점:단점:

단점:더 많은 샤드가 메인 체인에 더 많은 압력을 가하기 때문에 블록체인이 운반할 수 있는 샤드의 수에는 상한선이 있습니다. 또한, 구현해야합니다데이터 가용성 샘플링보조 제목

모듈식 블록체인을 사용하여 온체인 데이터 스토리지 압축

모듈식 블록체인은 오프체인에서 계산 작업을 수행한 다음 트랜잭션 데이터와 상태 변경을 온체인 또는 오프체인에 저장합니다. 다른 노드나 사용자는 이 데이터를 사용하여 원장의 현재 또는 과거 상태를 재구성할 수 있습니다. 롤업은 데이터를 온체인에 저장하기 전에 오프체인에 저장합니다.압축。

장점: 네트워크의 모든 노드가 데이터를 저장하기 때문에 압축된 데이터를 체인에 저장하는 것이 모듈식 블록체인을 위한 가장 안전한 데이터 저장 솔루션입니다. 또한 이렇게 하면 기본 블록체인의 데이터 저장 비용이 줄어듭니다. 롤업이 데이터 샤딩을 구현한 후 트랜잭션 데이터를 체인에 보다 효율적이고 저렴한 비용으로 저장할 수 있으며 사용량이 증가함에 따라 확장을 더 잘 달성할 수 있습니다.

보조 제목

모듈식 블록체인을 위한 오프체인 데이터 스토리지

모듈식 블록체인은 트랜잭션 데이터를 오프체인에 저장하여 온체인 스토리지 요구 사항을 더욱 줄일 수 있습니다. 예를 들면 온체인에서 영지식 증명을 발행하고 데이터를 오프체인에 저장하는 "validiums"가 있습니다. 현재 모듈식 블록체인은 주로 네 가지 종류의 오프체인 데이터 저장 체계를 채택합니다.

중앙 집중식 스토리지——오프 체인 중앙 집중식 플랫폼에 데이터를 저장합니다. 이 솔루션은 데이터 저장 비용이 가장 낮지만 데이터의 투명성 또는 보안이 부족할 수도 있습니다.예를 들어 중앙 집중식 저장 플랫폼은 데이터를 수정하거나 직접 오프라인 상태가 될 수 있습니다.
라이선스 DAC -데이터를 오프체인에 저장하고, 데이터 온체인의 정확성을 증명하고, "데이터 가용성 위원회"(DAC)라고 하는 신뢰할 수 있는 소규모 노드 그룹으로 구성된 위원회에 서명합니다. 이 솔루션의 장단점은 중앙 집중식 스토리지 솔루션과 유사하지만 데이터 가용성 측면에서 신뢰 가정이 더 좋습니다.
라이선스 프리 DAC -데이터를 오프체인에 저장하고 무허가 DAC를 사용하여 온체인 증명을 제공하고 암호경제적 인센티브를 사용하여 정직한 행동을 장려합니다. 무허가형 DAC는 온체인 스토리지 솔루션보다 비용이 적게 들고 다른 오프체인 스토리지 솔루션보다 더 안전합니다. 단점은 보안이 여전히 온체인 스토리지 솔루션만큼 좋지 않고 아직 대규모 애플리케이션과 지속 가능한 경제 모델을 달성하지 못했다는 것입니다.
Volition——보조 제목

데이터 가지치기

데이터 가지치기기술을 통해 블록체인 전체 노드는 특정 블록 높이 이전에 과거 데이터를 삭제할 수 있습니다. 데이터 프루닝은 보통 PoS 체크포인트(체크포인트)와 동시에 사용되며, 특정 체크포인트를 초과하는 블록의 트랜잭션은 최종 처리됩니다. 이는 주요 사회적 합의나 하드 포크가 없는 한 이러한 거래를 되돌릴 수 없음을 의미합니다.

장점: 데이터 프루닝은 합의에 참여할 때 노드가 저장하거나 참조해야 하는 데이터의 양을 줄입니다. 과거 데이터가 검증되었으므로 가지치기를 통해 원장 크기를 줄일 수 있습니다. 전체 노드를 실행하는 것이 과거 블록을 추적하는 대신 미래 블록을 확인하기 위한 것이라면 과거 데이터를 저장할 필요가 없습니다.

단점: 데이터 프루닝은 제네시스 블록까지 추적할 수 있도록 과거 데이터를 영구적으로 저장하기 위해 거래 플랫폼이나 블록 탐색기와 같은 제3자에 의존해야 합니다. 그러나 이것은 1/n 신뢰 모델이기 때문에 데이터를 정직하게 저장하고 전체 노드가 모든 과거 상태를 재구성하도록 돕는 데 단 하나의 제3자만 필요합니다. PoS는 체크포인트와약한 주관성보조 제목

무국적, 주 만료 및 주 임대료

또한, 특히 상태 만료를 설정하여 전체 노드가 저장하는 상태 수를 제한하는 데 중점을 둔 솔루션이 있습니다.상태 없음또는 달성하기 위해 주 임대료.

만료된 상태 - 섹션피어는 일정 기간 이상 액세스되지 않은 상태를 정리할 수 있으며 필요한 경우 일종의 Merkle 증명("증인"이라고도 함)을 사용하여 만료된 상태를 복원할 수 있습니다.
상태 없음--전체 노드는 상태를 저장할 필요가 없습니다. 전체 노드는 증인을 통해 새 블록을 확인하기만 하면 됩니다. 약한 상태 비저장이란 블록 생성 노드만 글로벌 상태를 저장하면 되고 다른 모든 노드는 상태를 저장하지 않고 블록을 검증할 수 있음을 의미합니다.
국영 임대료 -이점:

이점:단점:

단점:첫 번째 레벨 제목

확장 합의 계층

보조 제목

실행 및 스토리지 기능 향상

보조 제목

네트워크 대역폭 사용량 줄이기

보조 제목

네트워크 대기 시간 감소

보조 제목

보안 예산 늘리기

첫 번째 레벨 제목

확장성과 안전한 크로스체인 개발의 미래

블록체인 확장은 현재 개발의 중요한 단계에 있으며 일련의 풍부한 솔루션이 개발, 테스트 및 출시되고 있습니다. 블록체인의 현재 개발 초점은 신뢰 최소화를 전제로 확장을 달성하는 것이며 다양한 산업 및 애플리케이션 시나리오에서 선호하는 백엔드 인프라가 될 것입니다.

끊임없이 성장하는 멀티체인 생태계를 지원하기 위해 체인링크는 사용자가 맞춤형 논리를 사용하여 다양한 블록체인에서 데이터와 토큰을 안전하게 전송할 수 있도록 CCIP(Cross-Chain Interoperability Protocol)를 적극적으로 개발하고 있습니다. CCIP는 보안에 중점을 두고 블록체인의 원래 신뢰 가정을 유지하면서 교차 체인 스마트 계약 및 안전한 토큰 브리지를 가능하게 하는 사기 방지 네트워크를 만듭니다. CCIP에 대한 자세한 내용은 "이미지 설명》。