2018-04-29

Ethereum의 state trie pruning

Ethereum은 현재 상태를 prefix tree의 일종인 modified merkle patricia trie(a.k.a. MPT)로 저장한다. MPT는 state root의 hash를 계산하기 위해 state trie 전체를 볼 필요가 없이, 수정된 branch의 hash만 다시 계산하면 되기 때문에 빠르게 root hash를 찾을 수 있다.

MPT를 이용하면 새로 추가되는 노드의 수도 최소화할 수 있다. 예를 들어 위의 그림에서 block N과 block N + 1의 차이는 A의 오른쪽 자식의 값이 10에서 20으로 변경된 것뿐이다. 이 경우 10에서 20으로 변경된 노드의 부모 외의 다른 노드는 전부 기존의 노드를 재활용할 수 있다. 따라서 푸른색으로 그려진 3개의 노드만 새로 추가하면 된다.

그렇다면 더는 접근할 필요가 없는 노드들은 어떻게 되는가? 위의 예제에서 붉은색으로 표시된 3개의 노드는 block N + 1에서는 필요 없는 노드다. 그렇다면 이 3개의 노드는 3개의 푸른색 노드가 추가되고 나면 바로 지워도 될까? 그랬으면 문제가 쉬웠겠지만 아쉽게도 그렇지 않다. Ethereum은 block의 finality를 보장하지 않는다. 다른 말로 언제든지 block N + 1이 block N으로 retract 될 수 있다는 것이다. 게다가 Web3 API를 통해서 과거의 state에 접근하는 것도 가능하기 때문에 현재 상태에서 안 쓰이는 노드를 바로 지울 수는 없다.

그렇다고 영원히 남겨둘 수는 없다. 현재 ethereum에서 최신 state의 크기는 약 25GB 정도지만, 과거 state를 전부 저장하면 300GB를 넘어간다. 게다가 이 크기는 점점 커질 것이기 때문에 이를 전부 저장하는 것은 현실적이지 않다. Ethereum은 접근할 수 있는 과거 state를 127개로 제한하여 그보다 오래된 state에만 포함된 노드는 지워도 되도록 하였다. 하지만 지워도 된다는 것과 지울 수 있다는 것은 별개의 문제다. DB에 저장돼있는 노드 중 최근 127개의 노드에서 접근할 수 없는 노드를 찾아 지우는 것은 쉬운 문제가 아니다.

이 문제는 computer science에서 오랫동안 풀어 온 automatic memory management 문제와 비슷하다. 실제로 Vitalik Buterin이 쓴 state tree pruningreference counting을 언급하고 있다. 하지만 ethereum의 state trie pruning은 일반적인 memory management와 다른 점이 하나 있다.

일반적인 automatic memory management는 volatile 한 자원을 다룬다. 따라서 프로그램이 비정상 종료되는 상황을 고려하지 않아도 된다. 프로그램이 종료되면 관리해야 할 자원이 남아 있지 않기 때문이다. 하지만 state trie의 노드는 DB에 저장되는 persistence 메모리다. 프로그램의 비정상 종료로 인해 state trie가 비정상적인 상태가 되면 복구할 방법이 없다. Vitalik이 제시한 state tree pruning이 메인 넷에 들어가지 못한 것도 이런 이유에서다.

Reference counting이 아닌 다른 방법으로 state trie pruning을 구현할 수도 있다. 예를 들어 trace를 이용하는 방법도 tracing garbage collection도 automatic memory management에서 흔히 사용되는 기법이다. 하지만 trace에 필요한 추가적인 메모리나, stop-the-world에 의해 생기는 성능 문제 등이 먼저 해결돼야 한다.

이러한 문제들로 현재 go-ethereum에서는 매우 한정적으로 state trie pruning을 한다. State trie에 대해 cache를 사용하는데, 이 cache에만 저장된 노드에 대해서는 pruning을 하고 DB에 저장된 노드는 pruning을 하지 않는 방식이다. Caching 된 노드는 서버가 정상적으로 종료되거나, 생성된 지 128 block이 지났거나, 캐시 크기를 넘겼거나, 마지막으로 cache된 노드가 DB에 저장된 지 5분이 지나면 DB에 저장한다. 즉, 위의 조건을 만족하기 전에 cache에서 삭제된 노드는 DB에 저장하지 않는다.

하지만 생성된 지 5분이 지나지 않아서 삭제되는 노드는 그리 많지 않다. 따라서 대부분의 삭제됐어야 할 노드는 여전히 DB에 남아 있다. 이에 대해 ethereum에서는 state pruning을 구현하는 것을 계속 시도하고 있다. 하지만, state trie pruning이 실제로 구현되기 전에는 fast sync를 사용하여 다음과 같은 방법을 사용하기를 권장한다.

  1. 새 클라이언트를 띄운다.
  2. 기존 클라이언트에서 새 클라이언트로 fast sync를 받는다.
  3. 기존 클라이언트를 지운다.

위의 과정을 거치면 새 노드에서는 fast sync로 동기화된 상태까지의 garbage node 없이 유효한 노드만 관리할 수 있다. 언뜻 보기에는 주먹구구식 방식으로 보이지만, 위험 부담이 있는 garbage collection을 구현하는 것보다 안전하고 현실적인 해결책이다. Ethereum에 garbage collection이 구현되기 전까지는 계속 위와 같은 방식을 이용해야 할 것으로 보인다.

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