Vitalik의 새로운 글: 이더리움은 어떻게 비트코인에 대한 간결한 아키텍처를 구현하는가?

원문: Simplifying the L1

저자: Vitalik

편집: lenaxin, ChainCatcher

이더리움은 세계 장부가 되는 것을 목표로 합니다: 문명 자산을 저장하고 기록하는 플랫폼으로, 금융, 거버넌스, 고가치 데이터 인증 등의 기초 층입니다. 이를 위해서는 두 가지 조건이 필요합니다: 확장성과 탄력성. Fusaka 하드포크는 2층(L2) 데이터의 사용 가능한 공간을 10배 증가시키는 것을 목표로 하며, 현재 제안된 2026년 로드맵에서도 1층(L1)에 대한 유사한 대규모 확장을 제안하고 있습니다. 동시에 이더리움은 합병 업그레이드를 완료하여 지분 증명 메커니즘(Proof of Stake)으로 전환하였으며, 클라이언트의 다양성이 빠르게 증가하고, 제로 지식 증명(ZK Verifiability) 검증 가능성과 양자 컴퓨팅 저항 능력에 대한 작업도 진행되고 있으며, 다양한 응용 프로그램도 점점 더 견고해지고 있습니다.

이 글은 탄력성(결국 확장성에도 영향을 미침)의 한 측면에 초점을 맞추고자 하며, 이 측면은 동일하게 중요하지만 쉽게 과소평가되는, 즉 프로토콜의 간결성입니다.

비트코인의 큰 장점 중 하나는 그 프로토콜이 매우 간결하고 우아하다는 점입니다.

블록체인은 일련의 블록으로 구성되어 있으며, 각 블록은 해시 값으로 이전 블록과 연결됩니다. 블록의 유효성은 작업 증명 메커니즘을 통해 검증되며, 즉 해시 값의 앞 몇 자리가 0인지 여부를 확인합니다. 각 블록은 여러 거래를 포함하며, 이 거래에서 소모된 코인은 채굴을 통해 생성되거나 이전 거래의 출력에서 나옵니다. 비트코인 프로토콜의 핵심 메커니즘은 바로 여기에 있습니다. 심지어 똑똑한 중학생도 이 프로토콜을 완전히 이해할 수 있으며, 프로그래머는 심지어 이를 아마추어 프로젝트로 클라이언트를 작성할 수 있습니다.

프로토콜의 간결성을 유지하는 것은 비트코인이나 이더리움이 세계적으로 인정받는 중립 기초 층이 되는 데 핵심 이점을 제공합니다:

• 간결한 프로토콜은 분석하기 쉬워, 더 많은 참여자가 프로토콜 연구, 개발 및 거버넌스 작업에 참여하도록 유도하며, 기술 독점 위험을 줄입니다.
• 간소화된 프로토콜 구조는 새로운 인프라(예: 클라이언트, 증명기, 로그 도구 및 기타 개발 도구)와의 통합 개발 투입을 크게 줄입니다.
• 프로토콜의 간결한 설계는 장기 유지 비용을 효과적으로 줄입니다.
• 프로토콜 규범 및 구현에서의 심각한 취약점 위험이 크게 줄어들며, 시스템 보안성을 검증하기 용이합니다.
• 사회적 공격 면을 줄입니다: 구성 요소의 간소화는 시스템이 특정 이익 침투로부터 방어하기 쉽게 하여 전체 보안성을 향상시킵니다.

역사적으로 이더리움은 프로토콜 설계에서 간결성 원칙을 잘 지키지 못했으며(일부는 개인의 결정 때문), 이는 직접적으로 연구 개발 비용이 높고, 보안 위험이 빈번하게 발생하며, 연구 개발 문화의 폐쇄성으로 이어졌습니다. 이러한 문제의 근본 원인은 종종 실천적으로 검증되지 않은 단기 수익을 추구하는 데 있습니다. 이 글에서는 향후 5년 동안 이더리움이 비트코인에 가까운 프로토콜 간결성을 어떻게 달성할 것인지 설명할 것입니다.

합의 계층 간소화

3sf - mini(이더리움 테스트 네트워크 코드명)에서 3슬롯 최종성을 시뮬레이션합니다.

새로운 합의 계층 계획(이전에는 "광선 체인"으로 명명됨)은 지난 10년간의 합의 이론, 제로 지식 증명(ZK-SNARK), 스테이킹 경제학 등의 연구 결과를 통합하여 이더리움에 장기 발전을 위한 최적의 합의 메커니즘을 구축하는 것을 목표로 합니다. 기존의 신호 체인에 비해 이 계획은 다음과 같은 현저한 간소화된 특성을 가지고 있습니다:

• 3슬롯 최종성(3-slot finality) 구조 혁신: 독립 슬롯(slot)과 에포크(epoch)의 개념 구분을 제거하고, 위원회 순환 메커니즘 및 동기 위원회와 같은 복잡한 구성 요소를 제거하여 프로토콜 규범을 대폭 간소화합니다. 핵심 구현은 약 200행의 코드만 필요하며, Gasper 프로토콜에 비해 보안성에서 거의 최적 수준에 도달합니다.
• 검증 노드 관리 최적화: 활성 검증 노드 수를 제한하여 분기 선택 규칙(fork choice rule)을 보다 간소화된 구현 방식으로 채택할 수 있으며, 시스템 보안성을 보장합니다.
• 집합 프로토콜 업그레이드: STARK 기반의 집합 메커니즘은 임의의 노드가 집합 역할을 맡을 수 있도록 하여 집합기에 대한 신뢰 의존성과 중복 비트 필드(bitfield)의 자원 낭비 문제를 회피합니다. 비록 집합 암호학 자체의 복잡성이 높지만, 그 높은 캡슐화 특성은 시스템적 위험을 현저히 줄입니다.
• P2P 네트워크 구조 개선: 위의 두 가지 최적화는 더 간결하고 효율적인 점대점 네트워크 구조를 구축할 수 있는 가능성을 제공합니다.
• 검증 프로세스 재구성: 검증 노드의 입장, 퇴장, 출금, 키 이동 및 게으른 처벌 등의 메커니즘을 재설계하여 코드 양을 줄이는 동시에 핵심 매개변수(예: 약한 주관 주기)의 보장 메커니즘을 명확히 합니다.
• 기술적 이점: 합의 계층과 EVM 실행 계층의 상대적 분리 특성은 지속적인 최적화를 위한 더 큰 기술 공간을 제공합니다. 반면, 실행 계층의 유사한 개선은 더 큰 도전에 직면해 있습니다.

실행 계층 간소화

이더리움 가상 머신(EVM)의 복잡성은 지속적으로 증가하고 있으며, 그 중 많은 복잡한 설계가 불필요하다는 것이 입증되었습니다(많은 경우 저의 결정 실수로 인해): 특정 암호 알고리즘에 과도하게 최적화된 256비트 가상 머신과, 단일 사용 사례에 과도하게 설계된 프리컴파일 계약이 있습니다. 이러한 사용 사례의 실제 사용률은 극히 낮습니다.

산발적인 수정을 통해 기존 문제를 해결하려는 시도는 더 이상 통하지 않습니다. SELFDESTRUCT 작업 코드를 제거하는 데는 막대한 노력이 필요하지만, 얻는 이익은 제한적입니다. 최근 EOF에 대한 논쟁은 가상 머신에 점진적으로 수정하는 것의 어려움을 더욱 부각시켰습니다.

대안으로, 저는 최근에 더 급진적인 전환 경로를 제안했습니다: EVM에 중간 규모(하지만 여전히 파괴적인) 수정을 통해 1.5배의 성능 향상을 얻기보다는, 직접적으로 새롭고 현저히 더 우수한 가상 머신 아키텍처로 전환하여 100배의 성능 도약을 이루는 것이 더 낫습니다. 합병(The Merge)과 마찬가지로, 우리는 파괴적인 변경 횟수를 줄이면서 각 변경의 전략적 가치를 높입니다. 구체적으로, RISC-V 아키텍처 또는 이더리움 ZK 증명 프로그램에서 사용하는 가상 머신을 기존 EVM 대신 채택할 것을 권장합니다. 이 전환은 다음과 같은 이점을 가져올 것입니다:

• 효율 혁명적 향상: ZK 증명 환경에서 스마트 계약은 목표 아키텍처에서 직접 실행될 수 있으며, 해석기 오버헤드가 필요 없습니다. Succinct 데이터에 따르면, 대부분의 시나리오에서 성능이 100배 이상 향상될 수 있습니다.
• 아키텍처 극단적 간소화: RISC-V 규격은 EVM에 비해 매우 간결하며, 다른 후보 솔루션(예: Cairo)도 간결한 특성을 가지고 있습니다.
• EOF의 핵심 이점 계승: 코드 분할 관리, 더 친숙한 정적 분석 지원 및 더 큰 코드 용량 제한을 포함합니다.
• 개발자 도구 체인 확장: Solidity와 Vyper는 새로운 아키텍처에 대한 후방 컴파일 지원을 추가하여 사용할 수 있습니다; RISC-V를 선택할 경우, 주류 언어 개발자는 기존 코드를 직접 이식할 수 있습니다.
• 프리컴파일 계약 최적화: 대부분의 프리컴파일 기능은 더 이상 필요하지 않으며, 고도로 최적화된 타원 곡선 연산만 유지됩니다(양자 컴퓨팅 발전에 따라 폐기될 가능성 있음).

주요 도전 과제는: 즉시 시행할 수 있는 EOF 솔루션과는 달리, 새로운 가상 머신은 개발자에게 혜택을 주기까지 더 오랜 시간이 필요하다는 점입니다. 계약 코드 크기 제한을 높이거나 DUP/SWAP 명령어 집합을 최적화하는 등의 일부 고가치 EVM 개선을 동기화하여 단기 전환 솔루션으로 사용할 수 있습니다.

이 전환은 가상 머신 아키텍처를 현저히 간소화할 것입니다. 핵심 문제는: 기존 EVM 생태계를 어떻게 적절히 처리할 것인가입니다?

가상 머신 마이그레이션의 역호환성 전략​ ​

EVM의 어떤 부분을 간소화(또는 복잡성을 증가시키지 않으면서 최적화)하는 최대 도전 과제는, 예상 목표를 달성하는 것과 기존 응용 프로그램의 역호환성을 유지하는 것 간의 균형을 맞추는 것입니다.​​

먼저 명확히 해야 할 것은: 단일 클라이언트에 대해서도 "이더리움 코드베이스"가 무엇인지 정의하는 데는 유일한 기준이 없다는 점입니다.

목표는 녹색 영역을 최소화하는 것입니다: 즉, 노드가 이더리움 합의에 참여하기 위해 실행해야 하는 논리로, 현재 상태 계산, 증명 생성 및 검증, FOCIL(주: 전문 용어 약어 확인 필요) 및 "기초" 블록 구축 프로세스를 포함합니다.

​​주황색 영역은 축소할 수 없습니다: 실행 계층 기능(가상 머신, 프리컴파일 계약 또는 기타 메커니즘)이 프로토콜 규범에서 제거되거나 기능이 변경되면, 역사 블록을 처리해야 하는 클라이언트는 해당 기능을 유지해야 합니다; 그러나 새로운 클라이언트(예: ZK-EVM 또는 형식적 검증 도구)는 이 부분을 완전히 무시할 수 있습니다.

​​새로운 노란색 영역이 추가됩니다: 현재 체인 상의 데이터 분석 또는 최적 블록 구축에 매우 가치가 있지만, 합의 메커니즘에 속하지 않는 코드입니다. 전형적인 사례로는 Etherscan 및 일부 블록 생성기가 ERC-4337 사용자 작업을 지원하는 것입니다. 이더리움의 핵심 기능(예: 외부 계좌 EOA 및 지원하는 다양한 구식 거래 유형)을 체인 상의 RISC-V 구현으로 대체하면, 합의 코드는 크게 간소화되지만, 전용 노드는 여전히 기존 코드를 사용하여 분석 처리를 해야 할 수 있습니다.

주황색 및 노란색 영역의 복잡성은 캡슐화 복잡성에 해당하며, 프로토콜을 이해하고자 하는 사람은 누구나 이 부분을 건너뛸 수 있으며, Ethereum 구현 솔루션도 자유롭게 이 부분을 무시할 수 있습니다. 또한, 이 영역의 코드 결함은 합의 위험을 초래하지 않습니다. 이는 녹색 영역의 코드 복잡성에 비해 주황색 및 노란색 영역의 복잡성이 시스템 전체에 미치는 부정적인 영향이 현저히 낮다는 것을 의미합니다.​

코드를 녹색 영역에서 노란색 영역으로 이동하는 사고는, 애플이 Rosetta 번역 계층을 통해 장기적인 역호환성을 실현한 기술 솔루션과 유사합니다.

모든 신규 개발된 프리컴파일 계약은 반드시 규범의 체인 상 RISC-V 구현을 포함해야 합니다. 이 단계는 생태계가 RISC-V 가상 머신 환경에 점진적으로 적응하도록 촉진하기 위한 것입니다(예: EVM에서 RISC-V로의 마이그레이션은 EVM에서 Cairo 또는 기타 더 우수한 가상 머신으로의 마이그레이션에도 적용됩니다):

1. 이중 가상 머신 병행 지원: 프로토콜 차원에서 RISC-V와 EVM 두 가지 가상 머신을 동시에 네이티브로 지원합니다. 개발자는 자유롭게 개발 언어를 선택할 수 있으며, 서로 다른 가상 머신으로 작성된 계약은 원활하게 상호작용할 수 있습니다.
2. 프리컴파일 계약 단계적 교체: 타원 곡선 연산 및 KECCAK 해시 알고리즘(성능 요구가 극단적으로 최적화된 경우)을 제외한 모든 프리컴파일 계약은 하드포크를 통해 RISC-V 구현으로 교체됩니다.
3. 구체적인 작업: 원래의 프리컴파일 계약을 제거하는 동시에 해당 주소의 코드를(DAO 포크 모드 사용) 빈 상태에서 해당 RISC-V 구현으로 수정합니다. RISC-V 아키텍처의 높은 간결성 덕분에, 이 단계만 완료하더라도 시스템 전체의 복잡성은 여전히 줄어들 것입니다.
4. EVM 해석기 체인 상 배포: RISC-V를 기반으로 EVM 해석기를 구현하고(이미 ZK 증명 도구 체인이 이러한 개발을 촉진하였습니다), 이를 스마트 계약으로 체인 상에 배포합니다. 초기 버전이 출시된 수년 후, 기존 EVM 계약은 이 해석기를 통해 실행되어 새로운 가상 머신으로의 원활한 전환을 완료합니다.

​​프로토콜 구성 요소를 공유하여 간소화합니다.​

4단계가 완료되면, 많은 "EVM 구현 솔루션"이 여전히 유지되며, 블록 구축, 개발자 도구 및 체인 상 데이터 분석 등의 장면에서 최적화에 사용되지만, 이러한 구현은 더 이상 핵심 합의 규범의 구성 요소가 되지 않을 것입니다. 그때 이더리움 합의 메커니즘은 "네이티브"로 오직 RISC-V 아키텍처만 지원하게 됩니다.

프로토콜 구성 요소 공유를 통한 간소화​

​​프로토콜의 전체 복잡성을 줄이는 세 번째 방법(가장 과소평가되는 방식이기도 함)은 가능한 한 서로 다른 프로토콜 스택 계층 간에 통일된 표준을 공유하는 것입니다. 일반적으로 서로 다른 모듈에서 동일한 기능을 위해 서로 다른 프로토콜을 사용하는 것은 필요하지도 않고 이익도 없지만, 이러한 설계 패턴은 여전히 일반적으로 존재하며, 그 주요 원인은 프로토콜 로드맵의 각 부분 간에 효과적인 협력이 부족하기 때문입니다. 다음은 구성 요소의 계층 간 재사용을 강화하여 이더리움을 간소화할 수 있는 구체적인 사례입니다.

통일된 공유 오류 정정 코드 솔루션

오류 정정 코드의 세 가지 응용 시나리오:

1. 데이터 가용성 샘플링: 클라이언트가 블록이 게시되었는지 검증할 때 오류 정정 코드를 사용하여 데이터 무결성을 보장합니다.
2. 효율적인 P2P 방송: 노드는 n개의 조각 중 n/2개를 수신하면 블록을 확인할 수 있어, 지연 감소와 중복도 간의 최적 균형을 이룹니다.
3. 분산된 역사 저장소: 이더리움의 역사 데이터는 여러 데이터 블록으로 분할되어, 다음을 충족합니다:

• 각 데이터 블록은 독립적으로 검증 가능
• 임의의 그룹에서 n/2개의 데이터 블록이 있으면 나머지 n/2개의 데이터 블록을 복구할 수 있습니다.

이 설계는 단일 지점 데이터 손실 위험을 현저히 줄입니다.

다음 세 가지 시나리오에서 동일한 오류 정정 코드를 사용하면(예: 리드-솔로몬 코드, 랜덤 선형 코드 등) 현저한 이점을 가져옵니다:

1. 코드 간소화;
2. 효율성 향상: 노드가 특정 시나리오로 인해 조각 데이터를 다운로드해야 할 때(전체 블록이 아닌), 해당 데이터는 다른 시나리오에서도 직접 사용할 수 있어 중복 전송을 피할 수 있습니다;
3. 모든 시나리오에서 데이터 블록은 루트 해시를 통해 통일된 검증이 가능합니다.

서로 다른 오류 정정 코드를 사용하는 경우, 호환성 요구 사항을 충족해야 합니다: 예를 들어, 데이터 가용성 샘플링(DAS) 조각에서 수평 리드-솔로몬 코드와 수직 랜덤 선형 코드를 동시에 사용할 수 있지만, 두 가지 인코딩은 동일한 유한체에서 연산해야 합니다.

통일된 직렬화 형식​

현재 이더리움의 직렬화 형식은 반규격화 상태에 있으며------데이터는 임의의 형식으로 재직렬화되어 전파될 수 있으며, 유일한 예외는 거래 서명 해시로, 이 경우 해시 일관성을 보장하기 위해 규격 형식을 사용해야 합니다. 그러나 미래에는 직렬화 형식의 규격화 정도가 더욱 강화될 것입니다. 그 주요 원인은 다음과 같습니다:

• 계정 추상화(EIP-7701): 전체 거래 내용이 가상 머신(VM)에 완전히 가시적입니다.
• 높은 Gas 제한 시나리오: 블록 Gas 상한이 증가함에 따라, 실행 계층 데이터는 blob 구조에 저장해야 합니다.

이러한 변화가 발생할 때, 우리는 이 기회를 활용하여 이더리움의 세 가지 주요 계층의 직렬화 표준을 통일할 수 있습니다: (i) 실행 계층 (ii) 합의 계층 (iii) 스마트 계약 호출 ABI

SSZ 직렬화 형식을 채택할 것을 권장합니다. SSZ는 다음과 같은 이점을 가지고 있습니다:

• 디코딩 효율성: 스마트 계약을 포함한 모든 시나리오에서 빠르게 디코딩할 수 있으며, 4바이트 기반 설계 및 적은 경계 조건 처리 덕분입니다.
• 합의 계층에서의 광범위한 응용: 이미 합의 계층에서 깊이 통합되어 있습니다.
• 기존 ABI와 높은 유사성: 도구 체인의 적응 및 업그레이드를 용이하게 합니다.

현재 관련 기술 팀이 SSZ의 전면적인 마이그레이션 작업을 추진하고 있습니다. 후속 업그레이드 계획에서 이 기술 경로를 지속하고, 기존 성과를 기반으로 확장할 것을 권장합니다.

통일된 공유 트리 구조

EVM에서 RISC-V(또는 다른 간소화된 가상 머신 아키텍처)로 마이그레이션할 때, 6차 메르클 패트리샤 트리는 블록 실행 증명의 최대 성능 병목이 될 것입니다(일반적인 시나리오에서도 마찬가지입니다). 더 우수한 해시 함수 기반의 이진 트리 구조로 전환하면 증명 효율성이 향상되고, 경량 노드 및 기타 응용 시나리오의 데이터 저장 비용이 줄어듭니다.

이 마이그레이션을 시행할 때, 합의 계층과 실행 계층의 통일성을 위해 동일한 트리 구조를 동시에 채택해야 합니다. 이를 통해 이더리움 전체 스택(합의 계층 및 실행 계층 포함)이 동일한 코드 논리를 사용하여 데이터에 접근하고 분석할 수 있도록 보장할 수 있습니다.

현상에서 목표로의 진화 경로

간결성은 여러 면에서 탈중앙화와 유사성을 가지며, 두 가지 모두 시스템의 탄력성을 실현하는 기초 전제입니다. 간결성을 핵심 가치로 명확히 설정하는 것은 문화적 차원의 변화를 필요로 합니다: 그 이익은 종종 즉각적으로 나타나기 어렵고, 복잡한 기능을 추구하는 단기 이익은 분명히 드러납니다. 그러나 시간이 지남에 따라 간결성의 장점은 더욱 두드러질 것입니다------비트코인의 발전 과정이 이 관점을 강력히 입증합니다.

저는 이더리움 프로토콜 설계가 TinyGrad 프로젝트의 실천 경험을 참고하여, 장기 이더리움 규범에 대한 명확한 코드 행 수 상한 목표를 설정할 것을 제안합니다. 이를 통해 이더리움 합의 핵심 코드의 간결성이 비트코인 수준에 가까워지도록 노력해야 합니다. 구체적으로, 이더리움 역사 규칙을 처리하는 관련 코드는 계속 보유할 수 있지만, 반드시 합의 핵심 경로와 철저히 격리되어야 하며, 그로 인해 핵심 합의 논리에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다; 또한 기술 솔루션 선택에서 "더 간단한 솔루션을 우선 선택"하는 설계 원칙을 준수하여 복잡성을 캡슐화하고 시스템적 복잡성을 확산시키지 않도록 하며, 모든 설계 결정이 명확하고 검증 가능한 특성과 보장을 제공할 수 있도록 하여, 전체적으로 간결성을 지향하는 기술 문화를 형성해야 합니다.