Polygon 팀이 zkEVM을 위해 개발한 새로운 합의 메커니즘 PoE에 대해 알아보세요

저자: David Schwartz, Polygon Hermez 프로젝트 책임자; 개발자 Jordi Baylina와 함께

편집: 바비트

우리는 Polygon Hermez 팀이 현재 zkEVM 구현에 전념하고 있으며, 이 도전은 우리가 탈중앙화된 L2 프로토콜을 위해 새로운 합의 메커니즘인 proof of efficiency(효율성 증명, PoE)를 연구하고 개발해야 함을 요구합니다.

이 합의 메커니즘은 v1.0에서 기존의 Proof-of-Donation(기부 증명)의 경험을 활용하여 첫 번째 탈중앙화 zk-rollup을 구축하고 여러 조정자의 무허가 참여를 지원하여 L2에서 대량 생산할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.

우리는 여전히 여러 옵션을 고려하고 있으며 v2.0(zkEVM)에 대해 이 프로토콜을 개선하고 있지만, 커뮤니티와 우리의 아이디어를 공유하고 피드백을 받을 수 있어 기쁩니다.

배경

zk-rollups에서 탈중앙화의 도전은 막대하며, 지금까지 좋은 해결책을 찾는 것이 어려웠습니다. 이는 PoS와 같은 프로토콜이 L2에서 몇 가지 문제를 가지고 있으며, 네트워크가 서비스 수준을 유지할 수 있도록 zk 유효성 증명을 높은 성능으로 생성해야 하기 때문입니다(이는 증명자에게 매우 계산 집약적입니다). 무작위 검증자에게 거래 배치(L2 블록)를 생성할 권리를 부여하는 것은 이를 보장하지 않습니다.

기부 증명/소각 증명(PoD/PoB)은 특정 시간 범위 내에서 배치를 생산할 권리를 얻기 위해 탈중앙화 경매 모델에 기반합니다. 이 경우 경제적 인센티브가 설정되어 있어 검증자는 경쟁력을 갖기 위해 매우 효율적이어야 하며, 이는 큰 진전을 나타냅니다.

이 모델의 한 가지 문제는 특정 시간 내에 네트워크가 악의적인 단일 참여자에 의해 제어될 수 있다는 점입니다. 영향을 완화할 방법이 있더라도 서비스 수준에 대한 제로 영향을 피하기는 어렵습니다, 특히 자가 부팅 단계에서.

반면에 경매 프로토콜은 조정자/검증자에게 매우 비싸고 복잡하며, 가장 효율적인 자만 보상을 받습니다. 그들은 자동화를 구현하기 어렵고, 경매는 미리 입찰해야 하므로 예측의 복잡성이 매우 높습니다.

이전 프로토콜의 또 다른 문제는 "승자 독식" 모델의 "최고" 운영자가 선택으로 수렴하는 유효성입니다. 이는 성과가 약간 떨어지는 운영자가 경쟁에 참여하는 것을 허용하지 않습니다. 결과적으로 이러한 상황에서 발생하는 검열 저항 제한으로 인해 네트워크를 제어하는 운영자가 매우 중앙집중화됩니다.

새로운 요구 사항

이 새로운 프로토콜은 이러한 L2 zk-rollup 합의 모델에 필요한 핵심 속성을 포함하는 것을 목표로 합니다:

1. L2 배치 생산의 무허가 접근
2. 효율성은 네트워크 성능의 핵심
3. 어느 한 쪽의 통제를 피함
4. 악의적 공격 방지
5. 네트워크 내의 가치와 비례하는 총 검증 작업량

효율성 증명 (PoE) 모델

이 배치 생성 프로토콜은 서로 다른 주체 간의 활동을 분리하는 두 단계 모델로 구성됩니다. 참여하는 첫 번째 주체는 Sequencer이고, 두 번째 주체는 Aggregator입니다.

정렬자(Sequencers)

이 모델에서 Sequencers는 사용자로부터 L2 거래를 수집하는 주체로, 그들은 모든 선택된 L2 TX 데이터를 포함하는 L1 TX를 전송하여 네트워크에서 새로운 L2 배치를 선택하고 전처리합니다. 누구나 Sequencers가 될 수 있으며, 이는 무허가 역할로 네트워크로 가는 게이트웨이로 구성됩니다.

흥미롭게도, 이러한 제안된 배치는 zk-rollup 모델의 L1 거래에 기록되며(Validium의 경우 다른 데이터 가용성 네트워크에 기록됨), 이 배치 제안은 그들이 가진 인센티브에 따라 결정됩니다:

• 하나의 잠재력은 자금 풀 내 거래의 경제적 가치입니다.
• 또는 그들이 사용자에게 서비스 수준을 충족해야 할 필요가 있습니다(수수료는 Sequencers의 요구에 따라 달라질 수 있습니다).

Sequencers는 네트워크에 새로운 배치를 제안하기 위해 L1 네트워크의 가스 요금을 지불해야 하며, 이 프로토콜은 예치해야 하는 $MATIC 토큰의 추가 비용을 정의합니다. 이렇게 하여 Sequencers는 유효한 거래가 포함된 유효한 배치를 제안할 동기를 갖습니다.

배치 비용은 네트워크 부하에 따라 달라지며, 이는 프로토콜 스마트 계약이 자동으로 호출하는 매개변수에 따라 계산됩니다.

이러한 배치는 L1 거래 형식으로 CALLDATA 내 정보를 포함하여 L2 네트워크의 데이터 가용성으로 사용되며, 모든 새로운 무허가 노드는 상태를 동기화할 수 있으며, 해당 정보로부터 재구성할 수 있습니다.

채굴되면, 이 데이터 가용성 L1 거래는 실행될 L2 TX와 특정 순서를 정의합니다. 이는 네트워크 노드가 이를 가상의 미래 상태로 계산할 수 있는 결정론적 새로운 상태를 생성합니다.

물론, 새로운 상태(ZKP)의 유효성 증명이 L1에서 생성되고 채굴될 때 이 새로운 상태는 해결됩니다. 이는 프로토콜의 두 번째 부분에 해당합니다.

집계자(Aggregators)

물론, zk-rollups의 주요 장점 중 하나는 유효성 증명이 제공하는 거래의 빠른 결정성입니다. 이 프로토콜은 이러한 증명의 유효성을 높이려고 합니다.

Aggregators는 효율성 증명 합의 프로토콜에 무허가로 참여하는 주체입니다.

이 메커니즘에서 L2 새로운 상태의 유효성 증명을 생성할 권리는(물론 txs에서 일부 수수료를 수취) 첫 번째 Aggregators가 되는 것만으로 얻을 수 있습니다.

작동 방식은 다음과 같습니다: L1의 Sequencers가 제안한 배치는 L1에서의 출현 위치에 따라 정렬되며 거래 데이터를 포함합니다. PoE 스마트 계약은 새로운 유효 상태로 업데이트되는 첫 번째 유효성 증명을 수락하며, 여기에는 하나 이상의 제안된 배치가 포함됩니다.

Aggregators는 증명 생성을 촉발하기 위해 목표를 정의하고 자신의 전략에 따라 경쟁해야 합니다.

예를 들어, TX가 적은 배치가 있는 경우, 일부 Aggregators는 더 많은 가치가 생성되기 전에 증명을 생성하고 N개의 제안된 배치가 포함된 상태 변화의 증명을 생성하는 것이 흥미롭지 않다고 판단할 수 있습니다. 다른 Aggregators는 다른 전략을 가질 수 있습니다.

경쟁에 늦은 Aggregators의 경우, 전송된 증명이 새로운 상태를 제안하지 않으면 스마트 계약은 Revert를 사용하여 실행하고 전체 상태 데이터베이스의 머클 트리 해시를 사용하여 검증합니다. 따라서 첫 번째가 되는 것은 증명 생성을 대가로 하지만, 대부분의 가스 비용은 회수됩니다.

물론, Aggregators가 제안된 배치를 올바르게 처리해야만 증명이 존재하며, 이는 그들이 순서를 가지고 있고 모든 것을 처리해야 함을 의미합니다. 이는 Polygon Hermez v1.0에서 구현된 "Force tx"와 유사한 메커니즘으로, 검열을 피하는 데 도움이 됩니다.

이 메커니즘은 단일 주체의 통제를 피하고 많은 잠재적 공격을 방지합니다. 왜냐하면 어떤 Sequencer라도 배치를 제안할 수 있지만, 이는 비용이 발생하기 때문입니다. Aggregators도 무허가로 참여할 수 있지만, 그렇게 하지 않으면 언젠가는 경제적 가치에 관심이 있는 사람이 참여하게 될 것입니다.

우리의 경우, Polygon Hermez 네트워크는 Aggregators를 지원하기 위해 특정 주기로 새로운 유효성 증명을 생성하는 부트스트랩을 시작할 것입니다.

비용은 다음과 같이 분배됩니다:

• L2 TX에서 발생하는 수수료는 유효성 증명을 생성한 동일한 Aggregator가 처리하고 분배합니다.
• 모든 TX 수수료는 각 배치에 해당하는 Sequencer에게 전송됩니다.
• Sequencers가 배치를 생성하기 위해 예치한 수수료는 Aggregator에게 전송되며, 해당 Aggregator는 그 배치를 유효성 증명에 포함합니다.

결론

PoE 합의 메커니즘은 zk-rollups의 L2에서 탈중앙화 및 무허가 검증자의 몇 가지 도전을 해결하는 것을 목표로 합니다.

이는 두 단계 모델을 정의하며, 이를 지원합니다:

• 무허가 Sequencer가 프로토콜의 참여자로서 혜택을 받고, 네트워크 확장성의 원천이 됩니다.
• Volition(zk-rollup 및 Validium) 모델과 완벽하게 호환되는 데이터 가용성 모델을 통해 사용자에게 다양한 서비스 계층을 활성화할 수 있습니다.
• 데이터 가용성과 유효성 증명 기반의 "최종" 상태에서 "가상" 상태를 계산합니다. 이 아키텍처는 다양한 기준에 따라 유효성 증명 빈도를 설정하여 탈중앙화 zk-rollup의 비용을 크게 절감할 수 있지만, 거래 확인의 유일한 해결책은 아닙니다.
• 무허가 Aggregators가 암호 증명 생성을 수행하는 전문 작업 공간으로, zkEVM 프로토콜에 대해 비용이 높을 것으로 예상됩니다. 이는 그들에게 인센티브와 보상을 관리하는 매우 간단하고 직접적인 모델을 제공합니다.
• L2 네트워크 문제에 대한 본질적인 보호: 예를 들어 악의적 행위자에 의한 공격이나 선택된 검증자의 기술적 문제.
• 인센티브 모델: 네트워크 최종성의 성능을 극대화하기 위해.