実用情報 | Ethereum 2.0 フェーズ 0 における報酬とペナルティのシミュレーション

著者: ConsenSys

翻訳・校正：ミンミン＆ア・ジアン

出典: Ethereum 愛好家

導入

ConsenSys Codefi は、貿易と金融のためのブロックチェーン オペレーティング システムを構築し、世界市場を「Finance 2.0」時代へと推進しています。この目標を達成するために最も重要なのは、ネイティブデジタル資産をどのように作成して活用し、それをインセンティブとして使用してネットワークの分散化を最大限に高め、新しい金融商品や市場の信頼できる柱となるかということです。 「Ethereum 2.0」の有効化と Proof of Stake への移行が当社の最優先事項です。私たちは、関連する経験や知識を共有し、トークンエコノミーを含む関連トピックについて議論できることを嬉しく思います。

Ethereum 1.0 ブロックチェーンに対する膨大な需要により、ユーザーエクスペリエンスが低下することがあります。たとえば、トランザクションがチェーンにアップロードされるまでに時間がかかり、トランザクション手数料 (ガス) が大きく変動します。高いスケーラビリティ、つまり、現在の1秒あたり約15件という処理速度から、1秒あたり数千件のトランザクションを処理できる能力を高めることは、長い間イーサリアムの目標の1つでした。

現在、Ethereum 2.0 のリリースはフェーズ 0 の段階にあります。2.0 のすべてのフェーズが展開されると、トランザクション量は劇的に増加します。この目標を達成するために、イーサリアムはシャーディングとプルーフ・オブ・ステークという 2 つの主要なアップグレード イニシアチブを実施しようとしています。アップグレード後、Ethereum ネットワークの経済メカニズム、コンセンサス メカニズム、運用メカニズムがすべて変更されます。以下で詳しく紹介させていただきます。

励起

Ethereum 1.0 は、プルーフ・オブ・ワークのメカニズムを使用するブロックチェーンです。つまり、マイナーはブロックをマイニングするために計算問題の解を計算する必要があります。問題を解決する確率は、それらが提供するコンピュータの計算能力に比例し、チェーン全体における問題の難易度の値に反比例します。マイナーがブロックのマイニングに成功すると、2 ETH の報酬と取引手数料を受け取ります。これがプルーフ・オブ・ワークの核心です。前のブロックの難易度値に基づいてネットワーク全体の計算能力を推定し、さらに次のブロックをマイニングする確率を計算して、独自のコストを予測することができます。

コンセンサスメカニズムの点では、Ethereum 2.0 の方が技術的です。

大まかなガイドが必要な場合は、以下の「実用的なネットワーク発行率の推定方法」セクションに進んでください。

この記事の目的は、読者に Ethereum 2.0 のプルーフ・オブ・ステークの実装とその報酬と罰則のシステムについて一般的な理解を提供することです。経済的インセンティブを分析し、ステーキングがもたらす可能性のある投資収益率 (ROI) を簡単に評価します。最後に、Codefi Staking-as-a-Service チームが構築しているシミュレーションを詳しく説明し、読者にこのトピックのより詳細な理解を提供します。

正直な検証者

Ethereum 1.0 ブロックチェーンにデプロイされたデポジット コントラクトに 1 回以上資金をデポジットし、その合計額が 32 ETH 以上であれば、Ethereum 2.0 ビーコン チェーンのバリデーターになる資格が得られます。

証拠金契約には無制限の預金を移すことができます。ただし、実効残高、つまり実行時にビーコン チェーンが決定するステークには上限があります。つまり、残高は最大 1000 ETH まで上げることができますが、受け取れる報酬とペナルティは、有効残高（上限 32 ETH）に応じて決まります。

一方、バリデーターとして処罰され、残高が 16 ETH を下回った場合は、強制/非自発的な退出がトリガーされます。

正直なバリデーターとは、ビーコン チェーン仕様に従って記述されたクライアントを実行し、プロトコルに違反するアクションを避ける個人です。

ペナルティはスラッシュとはまったく異なることを強調することが重要です。前者は、バリデータが誤った投票を行ったり、オフラインになったり（一定のパラメータ内）したために残高の一部が差し引かれる状況を指します。バリデーターが証人メッセージを生成する際にペナルティ条件に違反していることが判明した場合、バリデーターはバリデーターチームから強制的に脱退させられます。出金待ち期間中は、エポック（期間）ごとに残高の一部がペナルティとして差し引かれます。

イーサリアム 2.0 のブロック生成とコンセンサスについて

ビーコン チェーンが実行される基本的な時間単位はスロットと呼ばれます。ハートビートと同様に、12 秒ごとにスロットがあり、ブロックを提案するバリデータが選択されます。ブロックが生成されブロードキャストされると、一部のバリデーターで構成される証人委員会がブロックに投票し、ブロックチェーンに含めるかどうかを決定します。

「委員会」は、バリデーターをさまざまな検証タスクに割り当てるように設計されており、各バリデーターは各エポック（つまり、32 スロット）で 1 回投票できます。委員会内のバリデーターは互いに通信し、投票メッセージ（「証人メッセージ」）を集約することができます。スロット内の選択されたブロック提案者がブロックを提案しない場合、そのスロットはスキップされたスロットと見なされます。この場合、前のスロットの最後のブロックに基づいて、さらなる提案と証明が作成されます。

提案者の役割は、チェーンの先頭に追加できると信じるブロックを生成することです。どのチェーンがメインチェーンであるかは、LMD GHOST フォーク選択アルゴリズムによって決定されます。つまり、投票を受けたすべてのフォークの中で、最も重みの大きいフォークが再帰的に検索され、そのフォークが選択されます。バリデーターがブロックを確認すると、実際にはそのブロックが含まれるフォークに投票していることになります。

ブロックチェーンのファイナリティ（状態がロールバックしないことを保証する）を実現するために、正直なバリデータは、証明メッセージで 2 つの追加投票を提供し、Ethereum 2.0 の Casper the Finality Gadget（FFG）アルゴリズムを駆動します。1 つは最新の正当なエポック用（ソース チェックポイントとして）、もう 1 つは最新のエポック境界用（ターゲット チェックポイントとして）です。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

各エポックの開始時に、認証メッセージ内の投票が計算されます。絶対多数 (2/3 以上) の投票を獲得した最新の合理化エポックがある場合、チェックポイントはそのエポックに進みます。特定のルールに従って、このエポックの親エポック、さらには祖先エポックも確定されます。

システムが連続して数エポック（現在の仕様は 4）にわたってファイナリティを達成できなかった場合、ビーコン チェーン上のすべてのバリデーターは非アクティブ ペナルティの対象となります。ここには拡張すべきことがたくさんあります!さらに詳しい内容を知りたい場合は、Vitalik らが執筆した「GHOST と Casper の組み合わせ」、Ethereum Foundation が公開した Phase 0 ビーコン チェーンの技術仕様、Danny Ryan の Phase 0 に関する記事、Joseph Chow のビーコン チェーンの紹介などを参照してください (編集者注: この記事よりもビーコン チェーンの動作について詳しく説明した記事「Eth2 ビーコン チェーン: 最初に知っておくべきこと」の末尾のハイパーリンクを参照してください)。

報酬と罰則

没収

削減されるということは、バリデータが将来のある時点でビーコン チェーンから強制的に退出させられ、退出する前に罰を受け続けることを意味します。

以下の 3 つの状況のいずれかが発生した場合、バリデーターには罰金が科せられます。

1. ブロック提案者として、同じスロットに 2 つの異なるビーコン チェーン ブロックを提案します。

2. 証人として、FFG 投票では、新しい証人メッセージによって指し示される 2 つのエポックが、前の証人メッセージによって指し示される 2 つのエポックを単に「囲む」だけです (「サラウンド投票」と呼ばれます)。

3. 証人として、送信された複数の証人メッセージは明らかに同じターゲット チェックポイントを指していますが、ソース チェックポイントは異なります (「二重投票」と呼ばれます)。

バリデーターが検出された場合にのみ、スラッシング プロセスがトリガーされます。内部告発者として機能するバリデーターは、ブロック提案者がブロックに含める違反の証拠を含む特別なメッセージを作成してブロードキャストする必要があります。提案されたブロックと報告者の両方が報酬を受け取ります。

仕様では明らかではありませんが、フェーズ 0 では、提案者のみが内部告発者報酬を受け取ります。つまり、提案者は完全なスラッシュ報酬 (8/8) を受け取ります。

• 定数最小ペナルティ係数 = 32

• 内部告発者への恒常報酬係数 = 512

• 一定の提案者報酬システム = 8

ルールに違反したバリデーターには罰金が科せられ、次の 36 日間のエポックセット (8192 エポック) 内に残高を取り戻すことができます。

さらに、削減されたバリデーターには以下のペナルティが課せられます。

1. 提案者が報告情報をブロックにパッケージ化すると、バリデーターには基本ペナルティが差し引かれます。

2. 各エポックの開始時に、バリデーターは終了キューの待機期間を通過するまでヘッド/FFG 投票に参加できないというペナルティを受けます。

3. レポート情報がブロックにパッケージ化されてから残高を取得できるようになるまでの期間中、バリデーターには特別なペナルティが課せられます。

特別ペナルティは、同じ期間に削減された他のバリデーターの数に比例します。特別ペナルティは、違反したバリデータの有効残高まで課せられる場合があります。

• 定数ペナルティ係数 = 32

• 定数ベースボーナス係数 = 64

• エポックごとの一定の基本報酬 = 4

• 一定の有効残高増加 = 1

エポック処理

各エポック (32 スロットを含む Genesis エポックを除く) では、開始時に次のタスクを完了する必要があります。

1. 以前のブロックチェーンの正当性と最終性を確認する

2. 和解証人に対する報奨金および罰金の額

3. バリデータレジストリを更新する

4. 削減されたバリデーターに対する特別なペナルティを定める（上記参照）

5. いくつかの最終的な更新を完了します（有効な残高の計算、リセットなど）

バリデータは、報酬やペナルティを受け取るには、前のエポックでアクティブである必要があります。システムを終了する前に、削減されたバリデーターもこのプロセスに入りますが、FFG に対応する決済を実行する場合にのみ罰せられます。

バリデータが前のエポックでアクティブであったが投票しなかった場合、FFG 投票に一致できなかったためにペナルティが課せられます。バリデーターはオフラインであってもペナルティを受けることはありません。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

仮定

• ファイナリティ遅延 = 前のエポック - ファイナライズされたエポック

• 証人残高 = 削減されていない証人残高の合計。

• 定数ベースボーナス係数 = 64

• エポックごとの一定の基本報酬 = 4

• 一定の提案者報酬係数 = 8

• ペナルティとして使用されない定数の最小エポックスパン値 = 4

• ペナルティ係数として使用されない定数 = 2^25

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

ネットワーク発行を推定する実用的な方法

新しい知識を使って、どのエポックでも報酬とペナルティの量を大まかに見積もってみましょう。シンプルにするために、2 つのパラメータから始めます。

最初のパラメータは理解しやすいです。 2 番目のパラメーターは、ネットワークまたはその他の条件が満たされた場合に、ランダムに選択されたバリデータがビーコン チェーンに参加できる (ホストがオンになっている) 確率を示します。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

ビーコン チェーン上のすべてのバリデーターの残高と有効残高が 32 ETH に等しいと仮定し、上記のオンライン確率を使用すると、次のデータが得られます。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

これで、次の表に示すように、各バリデーターの報酬とペナルティを計算できます。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

最後の 2 つのインセンティブを計算するにはまだ作業が必要です。ブロックの証人は、各エポックに均等に分散されたスロット内のオンライン バリデーターであると想定されます。バリデーターのインセンティブを計算するには、まず期待値の確率ツリーを定義し、次に結果として得られる幾何級数を収束させる必要があります。これは、報酬が証人メッセージが送信された時間とチェーンにアップロードされた時間の差に反比例するためです。

提案者のインセンティブが他の 3 つの値をはるかに上回っていることがわかります。知識のポイントを確認しましょう: 各スロットは、ビーコン チェーン上のすべてのバリデーターから提案者を選択します。総ステーク額が増加すると、提案者になる確率は低下します。言い換えれば、エポック内では、32/n のバリデータだけが提案者になることができます。

また、私たちは、削減されたバリデーターとその内部告発者、または不作為による遅延について、いかなる仮定や計算も行っていないことにも注意してください。

それぞれの値にオンライン/オフラインバリデーターの数を掛けて、結果の値を合計すると、初期条件に基づいた推定値を得ることができます。

したがって、1 エポックでのすべての報酬からすべてのペナルティを差し引いた純増加は 1,247,117,399 Gwei になります。

つまり、合計ステークが 500,000 ETH でオンライン確率が 95% の場合、各エポック (6.4 分) で約 1.25 ETH の報酬が生成されます。

95% のオンライン確率に基づいて、合計ステーク額が異なる場合に各エポックで生成される報酬の変化をさらに計算し、グラフを描くことができます。

- 出典: ConsenSys Codefi 分析 -

要約する

各エポックで生成された報酬を使用して、推定年間報酬を計算する必要がありますか?

肯定的に答える前に、次の要素を考慮しましょう。

バランス

各エポック内で、バランスはさまざまな方法で ETH の作成に影響します。たとえば、バリデータの有効残高が上限（32 ETH）に達して報酬が支払われた場合、超過残高は次のエポックの計算に影響しません。さらに、実効残高の変化におけるヒステリシスにより、各バリデータは実際に ETH の一部を「失う」ことになります。

次のような状況も考慮する必要があります: 有効残高が下限値 (16 ETH) を下回ったためにバリデーターが追放される可能性がある、誰かがバリデーターになるために Ethereum 1.0 マージン コントラクトにデポジットを送信する可能性がある、ステーカーが自主的な退出メカニズムをトリガーする可能性がある。

没収

削減操作のモデルを構築するには、かなりの時間がかかります。まず、Ethereum 2.0 クライアント開発者とステーキング サービス プロバイダーがスラッシング条件と採用する回避方法をどの程度理解しているかを考慮する必要があります。一方、システム内の正直な参加者の割合については推測することしかできません。違反が発見され、ブロードキャストされ、ブロックに含まれる可能性。

可能性

正直な参加者の割合と違反者が報告される確率についてはすでに述べました。ノードがオンラインで、適切に接続され、正常に動作しているかどうか、そのアテステーションが時間どおりに収集されブロックに含まれているかどうか、そしてほとんどのノードが認識するスロットがノードに認識されているかどうかを測定および推測するさまざまな方法について考えてみましょう。

ビーコン チェーンは複雑な適応システムです。システムの個々の部分を十分に理解したとしても、システム全体を十分に理解していることが保証されるわけではありません。

何かを深く理解するための第一歩は、研究方法とツールを選択することです。いくつかの初期条件、仮定、制約の下でバリデーターとビーコン チェーンとの相互作用をモデル化およびシミュレートすることで、プルーフ オブ ステーク実装の複雑さをより深く理解できます。

謝辞

この記事は、ConsenSys Codefi Staking-as-a-Service プラットフォームのアーキテクト兼テクニカル ディレクターである Herman Junge によって執筆されました。

本稿に対するコメントをいただいたJoseph Chow、Ben Edgington、Sylvain Laurent、Diederik Protolambda Loerakker、Tim Lowe、Danny Ryan、Alex Stokes、Kuhan Tharmanantharの各氏に感謝の意を表します。

元記事: https://codefi.consensys.net/blog/rewards-and-penalties-on-ethereum-20-phase-0