Ethereum의 State Trie는 무엇이며 모든 계정 데이터를 어떻게 효율적으로 저장합니까?

Ethereum의 State Trie 이해하기

1. State Trie는 Ethereum 아키텍처의 기본 구성 요소로, 네트워크 전체에 걸쳐 모든 계정 데이터를 저장하는 Merkle Patricia Trie의 역할을 합니다. 각 Ethereum 노드는 이 트리의 복사본을 유지하여 분산 시스템 전반에 걸쳐 일관성과 검증 가능성을 보장합니다. 기존 데이터베이스와 달리 상태 트리는 제3자에 대한 신뢰를 요구하지 않고도 데이터 무결성에 대한 암호화 검증을 가능하게 합니다.

2. Ethereum의 모든 사용자 계정과 스마트 계약에는 상태 트리 내에 매핑된 고유한 주소가 있습니다. 이 매핑에는 계정 잔액, nonce, 코드 해시(계약용) 및 스토리지 루트와 같은 필수 정보가 포함됩니다. 이러한 값은 모든 거래 또는 계약 실행 시 동적으로 업데이트되어 트라이를 지속적으로 진화하는 구조로 만듭니다.

3. 트리는 키-값 기반으로 작동하며 키는 계정 주소의 16진수 표현이고 값은 계정 상태의 RLP 인코딩 직렬화입니다. 해싱을 광범위하게 사용하면 각 수정으로 인해 해당 순간 전체 상태의 고유한 지문 역할을 하는 새로운 루트 해시가 생성됩니다.

4. State Trie의 가장 강력한 측면 중 하나는 간결한 증명을 생성하는 능력입니다. 특정 계정에 대해 노드는 전체 데이터 세트를 공개하지 않고 계정의 현재 상태를 확인하는 머클 증명을 제공할 수 있습니다. 이 기능은 경량 클라이언트를 지원하고 데이터 전송을 최소화하여 확장성을 향상시킵니다.

5. 이더리움은 Bitcoin과 같은 UTXO가 아닌 세계 상태 모델을 사용하기 때문에 상태 트리는 언제든지 누가 무엇을 소유하는지에 대한 단일 정보 소스가 됩니다. 이 디자인은 계정과 계약 간의 복잡한 상호 작용을 허용하지만 시간이 지남에 따라 규모 및 성능과 관련된 문제도 발생합니다.

암호화 해싱 및 구조를 통한 효율성

1. 상태 트리의 효율성은 암호화 해싱과 결합된 계층적 트리 구조에서 비롯됩니다. 트리의 각 노드는 해당 콘텐츠의 Keccak-256 해시로 식별됩니다. 즉, 작은 변경이라도 완전히 다른 해시를 생성하여 불변성과 추적성을 유지합니다.

2. 경로에 공유 접두사를 사용하면 중복성이 줄어듭니다. 유사한 니블(반바이트)로 시작하는 주소는 트리에서 공통 분기를 공유합니다. 이 접두사 압축은 대규모 주소 집합을 저장하는 데 필요한 노드 수를 최소화하여 조회 속도와 저장 효율성을 향상시킵니다.

3. 트리(분기, 확장 및 리프 노드)의 중간 노드는 해시되기 전에 RLP(Recursive Length Prefix) 인코딩을 사용하여 인코딩됩니다. 이는 모든 Ethereum 구현에서 일관된 직렬화를 보장하여 다양한 클라이언트 소프트웨어 간의 상호 운용성을 가능하게 합니다.

4. 트랜잭션이 계정을 수정하는 경우 영향을 받은 리프 노드에서 루트까지의 경로만 다시 계산하면 됩니다. 다른 모든 분기는 변경되지 않고 해당 해시가 재사용되므로 상태 전환 중 계산 오버헤드가 크게 줄어듭니다.

5. 이 부분 업데이트 메커니즘을 통해 이더리움은 모든 블록 헤더에 포함된 전역적으로 검증 가능한 상태 루트를 유지하면서 빈번한 상태 변경을 효율적으로 처리할 수 있습니다. 노드는 계산된 루트를 블록의 루트와 비교하여 제안된 블록이 합법적인 상태 전환을 반영하는지 여부를 신속하게 검증할 수 있습니다.

합의 및 네트워크 검증의 역할

1. 상태 트리 루트는 모든 채굴된 블록의 헤더에 내장되어 전체 상태를 블록체인에 고정합니다. 이러한 포함을 통해 모든 참가자는 블록의 보고된 상태 변경이 실제 거래 결과와 일치하는지 확인할 수 있습니다.

2. 전체 노드는 이전 블록의 상태 루트부터 시작하여 트랜잭션을 처리하면서 점진적으로 상태 트리를 계산합니다. 최종 루트가 새 블록 헤더의 루트와 일치하지 않으면 블록이 거부되어 계정 잔액이나 계약 논리에 대한 악의적인 조작을 방지합니다.

3. 라이트 클라이언트는 최소한의 리소스로 작동하기 위해 상태 트리의 속성에 크게 의존합니다. 그들은 블록 헤더만 다운로드하고 필요할 때 특정 계정에 대한 Merkle 증명을 요청하여 테라바이트의 상태 데이터를 저장하는 대신 암호화 증거를 신뢰합니다.

4. 트리의 결정론적 특성은 동일한 트랜잭션 시퀀스가 ​​모든 정직한 노드에서 동일한 상태 루트를 생성하여 이더리움의 현재 상태에 대한 합의의 기초를 형성하도록 보장합니다. 이는 모호성을 제거하고 타당성에 대한 일관되지 않은 해석으로 인해 발생하는 포크에 대한 저항을 강화합니다.

5. 그 이점에도 불구하고, State Trie의 규모가 커지면서 장기적인 우려가 제기됩니다. 지속적인 확장은 전체 노드를 실행하기 위한 하드웨어 요구 사항을 증가시키며, 상태 만료와 같은 완화 전략이 채택되지 않으면 잠재적으로 분산화를 위협할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

상태 트리는 저장소 트리와 어떻게 다릅니까? 각 이더리움 계정에는 스마트 계약으로 작성된 변수와 데이터를 보유하는 자체 스토리지 트리가 있습니다. 이와 대조적으로 상태 트리는 저장소 루트 필드를 통해 각 저장소 시도에 대한 포인터를 포함하여 모든 계정 주소를 기본 속성에 매핑합니다.

공간을 절약하기 위해 상태 트리를 정리할 수 있나요? 과거 상태 데이터를 보관할 수 있지만 최신 상태 트리는 새 블록의 유효성을 검사하기 위해 전체 노드에서 전체를 보존해야 합니다. 일부 클라이언트는 이전 트라이 버전 정리를 지원하지만 작동 정확성을 위해 현재 활성 상태는 그대로 유지됩니다.

상태 트리가 장기적인 확장성에 비효율적이라고 간주되는 이유는 무엇입니까? 새 계정이 생성되고 기존 계정이 업데이트됨에 따라 트리는 무한정 증가하여 디스크 사용량과 메모리 압박이 증가합니다. 오래되거나 사용되지 않는 데이터를 제거하는 메커니즘이 없으면 노드 운영자는 시간이 지남에 따라 증가하는 리소스 수요에 직면하게 됩니다.

서로 다른 두 상태가 동일한 루트 해시를 생성하면 어떻게 되나요? Keccak-257의 충돌 방지 특성으로 인해 두 개의 서로 다른 상태가 동일한 루트를 생성할 확률은 무시할 수 있습니다. 이러한 충돌은 이더리움의 보안 모델을 약화시킬 수 있지만 현재 이러한 종류의 실제 공격은 가능하지 않습니다.