[논문 리뷰] Optimistic and Validity Rollups: Analysis and Comparison between Optimism and StarkNet

Luca Donno|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 29.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이더리움 확장성의 맥락에서 최적화 롤업(옵티즘)과 유효성 롤업(스터트넷)을 분석하고 비교하며, 아키텍처, 보안 모델, 성능 트레이드오프를 평가한다. 이는 옵티즘은 오픈소스 라이선스를 통해 EVM 호환성과 더불어 더 빠른 시장 도입을 제공하는 반면, 스투트넷은 STARK 증명을 통한 강력한 보안 보장과 재귀를 통한 더 나은 확장성 덕분에 더 빠른 출금을 제공함을 입증한다. 이는 롤업 설계에서 민첩성과 암호학적 강건성 사이의 근본적인 트레이드오프를 드러낸다.

ABSTRACT

The thesis addresses the problem of scalability in decentralized blockchains in the context of the trade-off between transaction throughput and hardware requirements to participate in the network. Rollups are presented, that is technologies to verify on-chain blocks executed off-chain by minimizing the assumptions of trust. The variant of the Optimistic Rollups, in particular of Optimism and the use of invalidity proofs through interactive binary search and of the Validity Rollups, in particular of StarkNet, and the use of validity proofs through STARKs are discussed. Finally, the two solutions are compared on withdrawal time, on the cost of transactions and techniques to minimize it, on the possibility of applying the technology recursively, on compatibility with Ethereum and on the licenses used.

연구 동기 및 목표

• 이더리움 확장성의 맥락에서 최적화 롤업(옵티즘)과 유효성 롤업(스터트넷)의 아키텍처적 및 운영적 차이를 분석하기.
• 보안 모델, 출금 지연, 거래 비용, 개발자 호환성 간의 트레이드오프를 평가하기.
• 오픈소스 대 비공개 소스 구현 방식의 장기적 영향이 생태계 성장과 신뢰 없음(Trustlessness)에 미치는 영향을 평가하기.
• 모듈러 설계 원칙을 활용해 옵티즘을 최적화 롤업에서 유효성 롤업으로 전환하는 것이 실제로 가능한지 조사하기.

제안 방법

• 옵티즘 베드록의 아키텍처를 분석하며, 입금/출금 프로세스, 순서 정렬, 그리고 minigeth를 MIPS로 컴iles한 Cannon 위변조 증명 시스템을 포함한다.
• 스터트넷의 설계를 검토하며, 유효성 검증을 위한 STARK 증명의 사용, 계약 배포, 그리고 Prover와 Verifier 컴ponent의 역할을 중점적으로 다룬다.
• 출금 시간, 거래 비용, 이더리움 호환성의 비교를 통해 캐시링 캘리데이터 및 블룸 필터와 같은 최적화 기법을 평가한다.
• 라이선스 모델의 영향을 평가하며, 옵티즘의 MIT 라이선스와 스투트넷의 기밀성 있는 폴라리스 라이선스 간의 영향을 생태계 발전과 포크 내성에 대해 분석한다.
• 재귀가 L3 체인과 미래의 확장성, 특히 스투트넷의 재귀적 증명 조합에서 어떻게 작용하는지 평가한다.
• SNARKs, STARKs, 그리고 히스토그램 해싱과 같은 암호학적 원리를 사용해 각 시스템의 기초 보안 보장을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화 롤업과 유효성 롤업의 보안 모델은 위변조 탐지 및 증명 생성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 옵티즘과 스투트넷 간의 출금 지연, 거래 비용, EVM 호환성 간의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 라이선스 선택(오픈소스 대 비공개 소스)이 롤업 프로토콜의 장기적 채택과 확장성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 옵티즘의 모듈러 아키텍처는 실제로 최적화 롤업에서 유효성 롤업으로 전환될 수 있으며, 그 데 기술적 조건은 무엇인가?
• RQ5 스투트넷의 재귀적 증명 시스템은 다층 블록체인 아키텍처에서의 미래의 확장성과 조합 가능성(Composability)을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 스터트넷은 유효성 증명 덕분에 잠재적으로 즉각적인 출금을 가능하게 하며, 옵티즘은 위변조 탐지를 위해 7일의 도전 기간이 필요하다.
• 옵티즘의 MIT 라이선스는 생태계의 급속한 성장을 이끌었으며, 메티스 앤드로메다와 보바 네트워크와 같은 포크를 만들어냈지만, 스투트넷의 비공개 소스 Prover는 독립적 포크를 제한한다.
• 스터트넷의 STARK 기반 증명은 옵티즘의 위변조 증명 모델에 비해 더 강력한 보안 보장을 제공하며, 잘못된 상태 전이의 구조적 불가능성을 보장한다.
• 증명 생성의 효율성 향상과 온체인 데이터 과잉 감소 덕분에 스투트넷의 거래 비용은 예상적으로 낮아질 것이지만, 이는 증명 크기와 검증 비용에 따라 달라진다.
• 옵티즘의 베드록 아키텍처는 모듈러이며, minigeth의 회로 컴파일을 통해 향후 유효성 증명을 지원할 수 있어 하이브리드 또는 완전한 유효 롤업으로의 전환 경로를 제시한다.
• 논문은 스투트넷이 더 뛰어난 암호학적 보안과 성능을 제공하지만, 복잡한 수학과 비공개 소스 Prover 코드에 의존함으로써 암호학 전문 지식이 없는 사용자들 사이에서 신뢰와 채택에 장애가 될 수 있음을 밝혀냈다.