1. परिचय
Permissionless blockchains, epitomized by Bitcoin and Ethereum, have revolutionized decentralized systems but face significant scalability challenges. While the energy consumption of Proof-of-Work (PoW) consensus has been widely debated, the equally critical issue of भंडारण ओवरहेड को अपेक्षाकृत कम ध्यान मिला है। यह पेपर एक अग्रणी अनुभवजन्य अध्ययन प्रस्तुत करता है जो विश्लेषण करता है कि पूर्ण ब्लॉकचेन नोड्स सत्यापन के लिए लेजर डेटा का उपयोग कैसे करते हैं। मुख्य निष्कर्ष यह है कि बुद्धिमान क्लाइंट-साइड रणनीतियों के माध्यम से, भंडारण फुटप्रिंट को काफी कम किया जा सकता है—संभावित रूप से लगभग 15 GB बिटकॉइन के लिए—बिना अंतर्निहित ब्लॉकचेन प्रोटोकॉल में किसी संशोधन की आवश्यकता के, जिससे पूर्ण नोड चलाने के लिए प्रवेश बाधा कम हो जाती है।
2. Problem Statement & Background
2.1 अनुमतिहीन ब्लॉकचेन का भंडारण बोझ
Bitcoin जैसे ब्लॉकचेन की सुरक्षा और अखंडता एक पूर्ण, अपरिवर्तनीय लेजर पर निर्भर करती है। अपनाने में वृद्धि के साथ, लेजर का आकार भी बढ़ता है। अध्ययन के समय, Bitcoin का लेजर 370 GB से अधिक था। 370 GBयह विशाल भंडारण आवश्यकता उन उपयोगकर्ताओं के लिए एक प्रमुख निवारक है जो पूर्ण नोड चलाना चाहते हैं, जिससे केंद्रीकरण के जोखिम पैदा होते हैं क्योंकि कम संस्थाएं पूर्ण इतिहास बनाए रखने का खर्च उठा सकती हैं।
Key Storage Statistics
Bitcoin Ledger Size: >370 GB
Target Reduction (Proposed): ~15 जीबी
कमी की संभावना: ~96%
2.2 मौजूदा शमन रणनीतियाँ और उनकी सीमाएँ
पिछले समाधानों में अक्सर प्रोटोकॉल-स्तरीय परिवर्तन शामिल होते हैं, जैसे कि चेकपॉइंटिंग या शार्डिंग, जिनके लिए हार्ड फोर्क और समुदाय की सहमति की आवश्यकता होती है। Bitcoin Core एक प्रूनिंग विकल्प प्रदान करता है, लेकिन इसमें बुद्धिमान मार्गदर्शन का अभाव है—उपयोगकर्ताओं को एक प्रतिधारण सीमा (जीबी या ब्लॉक ऊंचाई में) मनमाने ढंग से चुननी होती है, जिससे Unspent Transaction Outputs (UTXOs) को मान्य करने के लिए अभी भी आवश्यक डेटा के विलोपन का जोखिम रहता है।
3. Methodology & Empirical Analysis
3.1 Data Collection and Measurement Framework
The research employed a thorough empirical measurement approach, analyzing the Bitcoin blockchain to understand precisely which data elements (transactions, blocks, headers) are accessed during standard node operations like block and transaction validation.
3.2 फुल नोड डेटा उपयोग पैटर्न का विश्लेषण
विश्लेषण से पता चला कि ऐतिहासिक लेजर का एक महत्वपूर्ण हिस्सा शायद ही कभी एक्सेस किया जाता है एक निश्चित अवधि के बाद। सत्यापन मुख्य रूप से निर्भर करता है:
- वर्तमान UTXO सेट।
- प्रूफ-ऑफ-वर्क सत्यापन के लिए हाल के ब्लॉक हेडर।
- नए लेनदेनों द्वारा संदर्भित ऐतिहासिक लेनदेनों का एक उपसमुच्चय।
यह अंतर्दृष्टि बुद्धिमान प्रूनिंग का आधार बनाती है।
4. प्रस्तावित क्लाइंट-साइड संग्रहण कमी
4.1 स्थानीय संग्रहण प्रूनिंग रणनीति
प्रस्तावित रणनीति एक क्लाइंट-साइड अनुकूलन है। एक फुल नोड प्राचीन ब्लॉकों के रॉ डेटा को सुरक्षित रूप से हटा सकता है, जबकि क्रिप्टोग्राफिक कमिटमेंट्स (जैसे ब्लॉक हेडर और मर्कल रूट्स) और वर्तमान UTXO सेट को बरकरार रखता है। यदि किसी हटाए गए लेन-देन की बाद में आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, चेन पुनर्गठन को मान्य करने के लिए), तो नोड इसे पीयर-टू-पीयर नेटवर्क से प्राप्त कर सकता है।
4.2 अनुकूलित डेटा प्रतिधारण मॉडल
Instead of a simple age-based or size-based cutoff, the model uses an access-frequency and dependency analysisयह भविष्य में सत्यापन के लिए आवश्यक होने की संभावना के आधार पर डेटा को बरकरार रखता है, जिससे नोड की चेन को पूरी तरह से सत्यापित करने की क्षमता बनाए रखते हुए स्थानीय संग्रहण आवश्यकता में नाटकीय रूप से कमी आती है।
5. Results & Performance Evaluation
5.1 भंडारण फुटप्रिंट में कमी
अनुभवजन्य मूल्यांकन से पता चलता है कि एक पूर्ण बिटकॉइन नोड अपने स्थानीय संग्रहण फुटप्रिंट को लगभग 15 GB, पूर्ण 370+ GB लेजर से लगभग 96% की कमी। इसमें संपीड़ित UTXO सेट और हाल के ब्लॉक हेडर शामिल हैं।
Figure: Storage Footprint Comparison
Description: एक बार चार्ट जो "फुल नोड स्टोरेज (370 GB)" और "ऑप्टिमाइज्ड नोड स्टोरेज (15 GB)" की तुलना करता है। ऑप्टिमाइज्ड नोड बार काफी छोटा है, जो 96% कमी को दृश्य रूप से रेखांकित करता है। ऑप्टिमाइज्ड स्टोरेज को खंडों में दिखाया गया है ताकि UTXO सेट, हाल के हेडर और अक्सर एक्सेस की जाने वाली ऐतिहासिक डेटा की एक छोटी कैश के लिए उपयोग किए गए अनुपात को प्रदर्शित किया जा सके।
5.2 कम्प्यूटेशनल और नेटवर्क ओवरहेड
कम स्टोरेज के बदले में ऐतिहासिक डेटा की आवश्यकता होने पर नेटवर्क अनुरोधों में संभावित वृद्धि का समझौता है। हालांकि, अध्ययन में यह ओवरहेड नगण्य पाया गया है। सामान्य संचालन के तहत, क्योंकि आवश्यक फ़ेच दुर्लभ होते हैं और डेटा अन्य नेटवर्क पीयर्स से आसानी से उपलब्ध होता है।
6. Technical Details & Mathematical Framework
अनुकूलन का मूल लेन-देन निर्भरता ग्राफ़ को समझने पर निर्भर करता है। मान लीजिए $G = (V, E)$ एक निर्देशित एसाइक्लिक ग्राफ़ है जहाँ शीर्ष $V$ लेन-देन का प्रतिनिधित्व करते हैं और एक किनारा $(u, v) \in E$ तब मौजूद होता है यदि लेन-देन $v$, लेन-देन $u$ द्वारा बनाए गए आउटपुट को खर्च करता है। एक लेन-देन $t_i$ की "आयु" और "कनेक्टिविटी" को मॉडल किया जा सकता है। एक नए ब्लॉक को वैलिडेट करने के लिए $t_i$ की आवश्यकता की संभावना $P_{access}(t_i)$ समय के साथ और वर्तमान UTXO सेट से इसकी दूरी के साथ घटती जाती है।
A simple heuristic for retention can be: Retain transaction data if $age(t_i) < T_{age}$ OR if $t_i$ is an ancestor (within $k$ hops) of any transaction in the recent $N$ blocks. Where $T_{age}$, $k$, and $N$ are parameters derived from empirical access patterns.
7. Analysis Framework: A Case Study
Scenario: एक नया स्टार्टअप ऑडिटिंग उद्देश्यों के लिए एक Bitcoin full node चलाना चाहता है, लेकिन उसके पास सीमित क्लाउड स्टोरेज बजट है।
Application of Framework:
- डेटा प्रोफाइलिंग: नोड सॉफ़्टवेयर पहले एक अवलोकन मोड में चलता है, जो एक महीने की अवधि में कौन से ब्लॉक और लेन-देन एक्सेस किए जाते हैं, उनका प्रोफाइलिंग करता है।
- मॉडल कैलिब्रेशन: प्रोफाइल किए गए डेटा का उपयोग करते हुए, यह प्रतिधारण अनुमान (हेयुरिस्टिक) के पैरामीटर्स को कैलिब्रेट करता है (उदाहरण के लिए, $T_{age}$ को 3 महीने, $k=5$, $N=1000$ पर सेट करता है)।
- प्रूनिंग निष्पादन: नोड तब सभी ब्लॉक डेटा को प्रून करता है जो प्रतिधारण मानदंडों को पूरा नहीं करते, केवल ब्लॉक हैडर, UTXO सेट और योग्य लेन-देन डेटा को रखते हुए।
- निरंतर संचालन: सामान्य संचालन के दौरान, यदि एक प्रून किए गए लेनदेन का अनुरोध किया जाता है, तो नोड इसे दो यादृच्छिक साथियों से प्राप्त करता है और उपयोग करने से पहले संग्रहीत मर्कल रूट के विरुद्ध सत्यापित करता है।
परिणाम: The startup maintains a fully validating node with < 20 GB storage, achieving its security goals at a fraction of the cost.
8. Future Applications & Research Directions
- लाइट क्लाइंट सुरक्षा संवर्धन: इस कार्य की तकनीकें Simplified Payment Verification (SPV) क्लाइंट्स की सुरक्षा को मजबूत कर सकती हैं, जिससे उन्हें डेटा के अधिक प्रासंगिक उपसमुच्चय को कैश और मान्य करने की अनुमति मिलती है।
- क्रॉस-ब्लॉकचेन आर्काइवल: मानकीकृत, कुशल आर्काइवल प्रोटोकॉल विकसित करना जहां विशेष "आर्काइव नोड्स" पूरा इतिहास संग्रहीत करते हैं, और नियमित नोड्स अनुकूलित सबसेट संग्रहीत करते हैं, क्रिप्टोग्राफिक प्रमाणों के साथ डेटा को ऑन-डिमांड प्राप्त करते हुए।
- लेयर-2 के साथ एकीकरण: उन नोड्स के लिए भंडारण को अनुकूलित करना जो लेयर-2 नेटवर्क (जैसे लाइटनिंग नेटवर्क) में भी भाग लेते हैं, जहां विशिष्ट ऐतिहासिक डेटा अधिक बार प्रासंगिक होता है।
- भविष्य कहनेवाला प्रूनिंग के लिए मशीन लर्निंग: यह बेहतर भविष्यवाणी करने के लिए कि कौन सा ऐतिहासिक डेटा आवश्यक होगा, एमएल मॉडल का उपयोग करना, जिससे भंडारण/प्रदर्शन के बीच समझौते को और अनुकूलित किया जा सके।
9. संदर्भ
- Sforzin, A., et al. "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (Source PDF).
- Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
- Bitcoin Core Documentation. "Pruning." https://bitcoin.org/en/bitcoin-core/features/pruning.
- Buterin, V. "Ethereum Whitepaper." 2014.
- Gervais, A., et al. "On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains." ACM CCS 2016.
- International Energy Agency (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022. (For context on computational overhead).
विश्लेषक का दृष्टिकोण: चार-चरणीय विश्लेषण
मूल अंतर्दृष्टि: यह शोधपत्र एक महत्वपूर्ण, किंतु प्रायः अनदेखी की जाने वाली, अंतर्दृष्टि प्रस्तुत करता है: कार्यात्मक एक बिटकॉइन फुल नोड के लिए भंडारण आवश्यकता 370 GB नहीं, बल्कि 15 GB जितनी कम हो सकती है। विशाल लेजर काफी हद तक एक कोल्ड आर्काइव है, सक्रिय वर्किंग मेमोरी नहीं। यह स्केलेबिलिटी की बहस को "हम चेन को कैसे छोटा करें?" से बदलकर "हम इसकी पहुंच का बुद्धिमानी से प्रबंधन कैसे करें?" कर देता है। यह कंप्यूटर आर्किटेक्चर में इस अहसास के समान है कि RAM में सभी डेटा समान रूप से 'हॉट' नहीं होते; कैश काम करते हैं। लेखक सही रूप से पहचानते हैं कि ब्लॉकचेन की सुरक्षा मुख्य रूप से UTXO set और हेडर चेन, प्रत्येक प्राचीन लेनदेन के कच्चे बाइट्स नहीं। यह स्टेटलेस क्लाइंट्स और मर्कल प्रूफ्स पर आधारभूत कार्य के साथ संरेखित है, जैसा कि Ethereum शोध मंचों में चर्चा की गई है, लेकिन इसे व्यावहारिक रूप से आज के Bitcoin पर लागू करता है।
Logical Flow: The argument is methodical and compelling. It starts by quantifying the problem (370 GB), critiques existing band-aid solutions (blind pruning), and then builds its case on empirical evidence—the gold standard. By actually measuring what data nodes useवे अटकल से तथ्य की ओर बढ़ते हैं। तार्किक छलांग सुंदर है: यदि हम जानते हैं कि सत्यापन के लिए कौन सा डेटा आवश्यक है ("वर्किंग सेट"), तो हम शेष को स्थानीय रूप से त्याग सकते हैं, उसे केवल उस दुर्लभ अवसर पर प्राप्त कर सकते हैं जब इसकी आवश्यकता होती है। यह एक क्लासिक टाइम-स्पेस ट्रेड-ऑफ है, जो इस वास्तविकता के लिए अनुकूलित है कि नेटवर्क बैंडविड्थ अक्सर स्टोरेज की तुलना में सस्ता और अधिक प्रचुर होता है, विशेष रूप से उपभोक्ता हार्डवेयर पर।
Strengths & Flaws: इसकी ताकत है इसकी व्यावहारिकता और तात्कालिकता. कोई फोर्क नहीं, कोई सहमति परिवर्तन नहीं—बस अधिक बुद्धिमान क्लाइंट सॉफ़्टवेयर। यह सीधे तौर पर एक पूर्ण नोड चलाने की बाधा को कम करता है, केंद्रीकरण का मुकाबला करता है। हालाँकि, समस्या इस समझौते के बारीक प्रावधानों में है। "नगण्य" नेटवर्क ओवरहेड एक स्वस्थ, ईमानदार पीयर नेटवर्क मानता है। नेटवर्क विभाजन या एक परिष्कृत ग्रहणी हमले के दौरान, एक प्रून किए गए नोड की गहरी पुनर्गठन को मान्य करने की क्षमता बाधित हो सकती है यदि वह पुराने ब्लॉक प्राप्त नहीं कर सकता। यह बहुत पुराने लेनदेन को मान्य करने में विलंबता को भी थोड़ा बढ़ाता है। इसके अलावा, जैसा कि Gervais et al. जैसे शोधकर्ताओं ने PoW के अपने सुरक्षा विश्लेषणों में उल्लेख किया है, एक नोड की इतिहास तक तत्काल पहुंच को कम करना, किन्हीं विशेष परिस्थितियों में, श्रृंखला के कुल कार्य को स्वतंत्र रूप से सत्यापित करने की उसकी क्षमता को प्रभावित कर सकता है। पेपर इन सुरक्षा-दक्षता समझौतों पर और गहराई से विचार कर सकता है।
क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: ब्लॉकचेन डेवलपर्स के लिए, आदेश स्पष्ट है: इस डेटा-संचालित, बुद्धिमान प्रूनिंग को डिफ़ॉल्ट क्लाइंट सॉफ़्टवेयर में एकीकृत करें। Bitcoin Core में वर्तमान "prune=550" फ्लैग एक सीमित उपकरण है; इसे यहाँ प्रस्तावित अनुकूली मॉडल से बदल देना चाहिए। उद्यमों और खनिकों के लिए, यह एक प्रत्यक्ष लागत-बचत उपाय है—क्लाउड स्टोरेज बिल 90% से अधिक कट सकते हैं। व्यापक पारिस्थितिकी तंत्र के लिए, यह शोध "ब्लॉकचेन स्वाभाविक रूप से फूला हुआ है" तर्क के लिए एक प्रतिवाद प्रदान करता है। यह दर्शाता है कि पवित्र सहमति परत को छुए बिना, क्लाइंट-साइड नवाचार के माध्यम से महत्वपूर्ण स्केलेबिलिटी सुधार संभव हैं। अगला कदम ऑन-डिमांड डेटा फ़ेच प्रोटोकॉल को मानकीकृत करना है ताकि इसे कुशल और गोपनीयता-संरक्षण वाला बनाया जा सके, इस शोध को एक परिनियोज्य मानक में बदल दिया जाए।