Modelo de estado de Polygon Mide: resolver la inflación estatal sin sacrificar la privacidad y la descentralización

1. Introducción

Los blogs anteriores incluyen:

Polygon Miden: paquete acumulativo optimizado para ZK que amplía el conjunto de funciones de Ethereum
Modelo de estado mixto de cuenta UTXO+ en Polygon Miden zkRollup
Modelo de transacción Polygon Miden: modo actor + ZKP => paralelismo + privacidad

Como se señala en Modelo de transacciones de Polygon Miden: Modo actor + ZKP => Paralelismo + Privacidad , las transacciones en Polygon Miden también admiten:

computación paralela
prueba del cliente
Contratos públicos inteligentes

El conjunto de funciones de Polygon Miden requería un enfoque completamente nuevo para capturar el estado de la red, que combinaba:

Modelo de estado para sistemas basados en cuentas como Ethereum
Modelo de estado con sistemas basados en UTXO como Bitcoin y Zcash

Combinar.

Este artículo describirá el diseño y la implementación del modelo de estado de Polygon Miden y cómo esta nueva arquitectura maneja el omnipresente problema de inflación del estado de blockchain sin sacrificar la privacidad o el rendimiento.

La visión de Polygon Miden es:

Millones de usuarios utilizarán aplicaciones en Polygon Miden simultáneamente.

Por lo tanto, Polygon Miden está diseñado como un paquete acumulativo que puede servir como una capa de valor sostenible.

Se espera que Polygon Miden lance una red de prueba pública en el cuarto trimestre de 2023. Sus objetivos principales son:

Amplíe el conjunto de funciones de EVM para crear una solución de escalamiento preparada para el futuro que aún herede la seguridad de Ethereum.

2. ¿Qué es el estatus? ¿Por qué se infla el estatus?

¿Qué es el estatus?

El estado es una descripción de todo. En la cadena de bloques, el estado describe quién posee qué en un momento determinado y el estado de todos los contratos inteligentes en ese momento.
Esto es cierto para las definiciones de estado de Polygon Miden, así como para las definiciones de estado de otras cadenas de bloques acumuladas y de contratos inteligentes.

Cuanto más se utiliza una cadena de bloques, mayor es su estatus. Este problema se llama inflación estatal.

En el modelo de estado basado en cuentas de Ethereum, la cantidad de cuentas crecerá naturalmente a medida que más personas usen la cadena, y estas cuentas no se pueden eliminar.
La inflación estatal tiene consecuencias peligrosas:
- Ralentizar y concentrar la red a medida que aumentan los requisitos para hacer frente al estado en crecimiento. En última instancia, cada cadena de bloques pública deberá resolver el problema del Estado.

Para Polygon Miden, una consideración fundamental es:

Minimiza la hinchazón del estado incorporado.
De hecho, su objetivo es lograr la generación y verificación de bloques sin almacenar el estado completo.
- Para la verificación de bloques: se puede lograr mediante una prueba de conocimiento cero (ZK). De esto se trata ZK: de poder verificar información sin tener que verla.
- Para la producción de bloques: Polygon Miden introduce un modelo de estado concurrente.

3. Estado en Polygon Miden

Como se describe en el modelo de estado mixto de cuentas UTXO+ en Polygon Miden zkRollup , hay cuentas y notas en Polygon Miden:

notas es una forma de enviar y recibir activos a una cuenta.
Consumo de cuentas y generación de notas.

Como resultado, la cuenta cambiará de estado. Las cuentas y los billetes tienen estados respectivos, que son sus condiciones específicas en un momento determinado. El estado actual de Polygon Miden es:

El estado de todas las cuentas y notas en un momento determinado.

El estado global de Polygon Miden se almacena en tres bases de datos:

Base de datos de cuentas: registre el estado más reciente de cada cuenta en Tiered Sparse Merkle Tree (TSMT) .
Base de datos de notas: registra todas las notas en Merkle Mountain Range, que solo se adjunta .
Base de datos Nullier: registra si una nota se ha consumido en el Tiered Sparse Merkle Tree (TSMT) .

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¿Por qué Polygon Miden tiene dos bases de datos de notas?

La base de datos de notas solo se puede agregar y almacena permanentemente todas las notas.
La base de datos del anulador almacena qué notas ya no se pueden consumir.

El almacenamiento de notas por separado en estas dos bases de datos proporciona a Polygon Miden certificación del lado del cliente y privacidad avanzada.

1) La primera razón para separar notas y anuladores es la certificación del lado del cliente.
Cuando un usuario crea pruebas localmente, debe demostrar que las notas que desea consumir están en la base de datos de notas.
La ruta Merkle de la nota se utiliza como datos testigo para la prueba. En una estructura de datos de solo agregar como Merkle Mountain Range, estos datos testigo no quedarán obsoletos cuando se actualice la estructura de datos. Esto significa que los usuarios pueden generar pruebas válidas incluso si no tienen el estado más reciente de esta base de datos, por lo que no es necesario consultar a los operadores para cambiar el estado. La raíz del árbol Merkle cambia con cada actualización.
2) La segunda razón para separar notas y anuladores es la privacidad.
En Polygon Miden, los anuladores rompen la vinculabilidad entre las notas creadas y las notas consumidas. Cuando se consumen notas, su anulador se establece en 1 en la base de datos de anuladores. Sin embargo, para conocer el anulador de una nota, es necesario conocer todos los detalles de la nota. Esto significa que si una nota es privada y el Operador solo almacena el hash de la nota, solo aquellos que tengan los detalles de la nota sabrán si la nota ha sido consumida. ZCash introdujo por primera vez el método Nullifier.

Pero esta solución de mejora de la privacidad introduce otro problema:

Si todas las notas se almacenaran de forma permanente, el espacio de almacenamiento necesario para mantener estos datos crecería rápidamente.

Antes de revelar cómo Polygon Miden gestiona aún más la inflación estatal, describamos primero:

¿Cómo generar bloques de estado global?
¿Quién generará el bloque estatal global?
¿Cómo verificar bloques de estado global?
¿Quién verificará el estado global del bloque?

3.1 Operadores

En Polygon Miden, el estado global lo gestionan los operadores. Los operadores ejecutan nodos Polygon Miden y garantizan la integridad de las tres bases de datos. Para evitar gastos dobles, es responsabilidad de los Operadores asegurarse de que los anuladores creados en transacciones no aparezcan ya en la base de datos de anuladores. Es por eso que los operadores necesitan almacenar una base de datos completa de anuladores.

Sin embargo, Polygon Miden también impone a los usuarios algunas responsabilidades relacionadas con el almacenamiento de datos:

Incentivar a los usuarios para que guarden los datos de las notas localmente y solo almacenen públicamente el valor comprometido de esas notas. Esto permite a los operadores podar agresivamente la base de datos anuladora y almacenar solo los valores prometidos de las notas.
Incentivar a los usuarios para que manejen ellos mismos el almacenamiento del estado de la cuenta en lugar de almacenar todo públicamente para los operadores. Asimismo, los Operadores almacenan el valor comprometido del estado de la cuenta de un usuario y garantizan la exactitud de cualquier cambio. Sin embargo, los usuarios también pueden optar por exponer los datos de la cuenta de almacenamiento y los datos de las notas a los Operadores.

4. ¿Cómo gestiona Polygon Miden la inflación estatal?

Dado que los operadores no necesitan conocer el estado completo para validar o generar nuevos bloques, no necesitan almacenar el estado completo. Entonces, ¿cómo se implementan la verificación y la producción de bloques?

La idea central es simple:

Los usuarios almacenan sus datos y, en lugar de almacenar datos de estado completo con los operadores, Polygon Miden solo realiza un seguimiento del valor comprometido de los datos. Al menos para la mayoría de las cuentas, algunos contratos inteligentes deben ser visibles públicamente.
- Esto minimiza la sobrecarga del estado (porque los operadores no necesitan almacenar una base de datos en crecimiento) y proporciona privacidad porque todos los demás usuarios y operadores solo ven los hashes de los datos de otros usuarios.
Del mismo modo, la razón por la que la verificación de bloques es posible sin un estado completo es por la belleza de las pruebas ZK. Los operadores pueden almacenar una cuenta privada, que es un valor de compromiso con un determinado estado, lo que significa simplemente un valor hash. De esta manera, los operadores no saben cuántos activos hay en una cuenta específica, ni saben qué está escrito en una determinada nota, pero aún pueden verificar la exactitud de los cambios de estado. La base de datos de cuentas y la base de datos de notas siguen siendo manejables incluso durante períodos prolongados de uso intensivo.

A diferencia de Ethereum, el tamaño de las cuentas privadas en Polygon Miden tiene un impacto insignificante en la inflación estatal. Cada cuenta privada solo contribuye con 40 bytes al estado global (8 bytes para el ID de la cuenta y 32 bytes para el hash de la cuenta). Esto significa que mil millones de cuentas privadas sólo requieren 40 GB. Los operadores solo necesitan conocer el valor hash para verificar una transición de estado único.

Como se mencionó anteriormente, los operadores aún deben almacenar la base de datos de anulación completa para la verificación del bloque. La base de datos anuladora crecerá linealmente con la cantidad de transacciones consumidas. Esto será muy perjudicial para la inflación del estado: con 1000 TPS, el estado crecerá a un ritmo de aproximadamente 1 TB por año.

Entonces, en Polygon Miden, hay épocas y después de cada época se crea una nueva base de datos anuladora. Los operadores almacenan los dos últimos árboles completos y la raíz de todos los árboles de anulación históricos. Esto significa que aún se pueden consumir notas antiguas; el usuario sólo tiene que trabajar un poco más. Al agregar este parámetro de época a la base de datos anuladora, el principal impulsor del aumento del estado se convierten en transacciones por segundo (TPS).

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Con el modelo de estado concurrente de Polygon Miden, es posible producir bloques con solo un estado parcial. Un bloque contiene notas y anuladores recién creados:

Las notas simplemente se agregan a la base de datos de Notes.
Para los anuladores, los operadores deben actualizar el árbol Merkle del anulador, lo que, como se mencionó anteriormente, requiere conocimiento del árbol completo.
- Pero los operadores no necesitan conocer el contenido de la cuenta para actualizarla, al igual que Ethereum no necesita saber exactamente qué sucedió en el paquete acumulativo para actualizar la raíz del estado del paquete acumulativo en el contrato inteligente correspondiente. Esto significa que en Polygon Miden, cada cuenta puede considerarse como Capa 3.

Las arquitecturas con estas capacidades generan acumulaciones que minimizan el crecimiento del estado y maximizan la privacidad. Esto crea un poderoso circuito de retroalimentación.

En resumen, el modelo de estado utilizado por Polygon Miden es muy singular y es:

Modelo de cuenta (como Ethereum),
Modelo UTXO (como Bitcoin)
y ZK prueban

La combinación. Esto da como resultado un modelo basado en actores con un estado fuera de cadena concurrente.

Referencias

[1] Blog de Polygon Labs de junio de 2023 Polygon Miden: modelo de estado