イーサリアムのアップグレードパスの再検討

イーサリアムは世界のコンピューターとして位置づけられています。この目標を達成するために、開発者は当初から、フロンティア、ホームステッド、メトロポリス、セレニティの4 つのステージからなるアップグレード パスを計画していました。

現在、ネットワーク全体は第3段階に到達しています。最初の 3 つのステージは Ethereum 1.0 に属し、最後のステージである Senerity は、Ethereum 2.0 についてよく耳にするものです (誤解を避けるために、Ethereum の関係者は Ethereum 2.0 という用語を放棄しましたが、この記事では引き続きこの用語を使用します)。

Ethereum 2.0 のアップグレードは、主にEthereumの開発中に発生し、ネットワーク全体の開発を制限してきたいくつかの問題を解決することを目的としています。主な問題は3つあります。

• 1 つ目は、採掘によって生じる大量のエネルギー消費です。 Ethereum はコンセンサス メカニズムとしてPoW (Proof of Work) メカニズムを使用するため、マイニングのための計算能力を提供するノードが必要です。さまざまなマイニングマシンによるマイニングの計算プロセスは大量の電力を消費するため、ネットワークは環境に優しくないという批判を受けることがよくあります。

• 次にパフォーマンスの問題があります。現在、イーサリアム チェーンは 12 ～ 15 秒ごとに 1 つのブロックを生成し、TPS (1 秒あたりのトランザクション数) は約 15 です。この処理速度では、通常の商用アプリケーションをサポートするのに十分ではありません。 Ethereum ネットワーク上で時々発生する混雑も、その開発を制限します。

• 3つ目は、使用料の問題です。 Ethereum ネットワークを使用するには、ネットワークを維持するマイナーにガス料金を支払う必要があります。この料金は、ネットワークの混雑状況に応じて通常数ドルから数十ドルの範囲ですが、数百ドルに達することもあります。ガス料金の高騰により、一部のプロトコルはSolana 、Near、その他のパブリックチェーンなど、イーサリアムの競合に目を向けるようになりました。

これらの問題に対応して、開発者コミュニティは Ethereum 2.0 のアップグレードに向けていくつかのステップを計画しました。以下は、 Ethereum 2.0 アップグレードのロードマップの紹介です。

イーサリアム 2.0 ロードマップ

Ethereum 2.0 のロードマップには、主に並列チェーン ビーコン チェーン、マージ、シャーディングの 3 つのステップが含まれます。最初の 2 つのステップの目的は、ネットワーク全体のコンセンサス メカニズムを PoW からPoS (Proof of Stake) に変更することであり、最後のステップは、Ethereum ネットワーク全体のパフォーマンスを向上させ、スケーラビリティを高めることです。

1. 並列チェーン - ビーコンチェーン

コンセンサスメカニズムのスムーズな移行を実現するために、イーサリアムは2020年12月1日に、現在のPoWメインネットの実行中に、ビーコンチェーンと呼ばれる並列チェーンを初めて有効化しました。ビーコン チェーンは、コンセンサス メカニズムとして PoS を使用し、メイン ネットワークとは独立して動作します。参加者は、チェーン上のスマート コントラクトへのステーク証明として 32 ETHを誓約する必要があります。審査後、バリデーターリストに追加され、ビーコンチェーンのバリデーターになります。このチェーンでは、バリデーターがマイナーの役割を担い、チェーンの構築者になります。

PoW メカニズムでは、ノードがマイニングを計算して次のブロックを生成しますが、PoS メカニズムのビーコン チェーンでは、次のブロックの生成はバリデータによって選択されます。この選択はランダムであり、単一のバリデーターによって決定されるものではないため、分散化の特性が反映されています。バリデーターのパフォーマンスが良ければ、報酬を受け取ります。彼らの行動が悪ければ、システムは彼らがステークした 32 ETH の一部を差し引きます。ステークされた ETH が 16 未満になると、バリデータ リストから削除されます。

現在の段階である合併前、イーサリアムは PoW+PoS が並行して実行されている段階にあります。 PoS パラチェーンを事前に有効にする主な理由は 2 つあります。 1 つ目は、現在実行中の PoW チェーンへの影響を最小限に抑え、コンセンサス変換によるネットワークへの影響を軽減することです。 2 つ目は、新しい PoS ネットワークに、ステークされた ETH を収集するのに十分な時間を与えて、ネットワークの安全な運用を確保することです。

2. マージ

Ethereum 2.0 について話すときによく言及される統合は、PoW メインネット (Ethereum ではトランザクションを処理するための実行レイヤーと呼んでいます) と PoS ビーコン チェーン (Ethereum では正式にはコンセンサス レイヤーと呼んでいます) を統合することです。イーサリアムの統合は、まずテストネットワークでテストする必要があります。テストプロセス中に問題が見つかった場合、ノードは適切に修復します。

現在、イーサリアムのテストネットワークであるロプステンとセポリアは、それぞれ6月9日と7月6日に合併を完了している。残りの Goerli テストネットも近い将来に統合される予定です。すべてが順調に進めば、公式イーサリアムネットワークは9月中旬から下旬に合併を完了することになる。その後、PoW メカニズムは廃止され、ネットワーク全体が PoS を通じて新しいブロックを生成するようになります。

コンセンサスメカニズムの切り替えを確実に成功させるために、イーサリアムの開発者は、PoWマイニングの難易度を上げる難易度爆弾の実装を提案しました。ディフィシャス・ボムは2015年にイーサリアムのコードに追加されました。これは、 PoWアルゴリズムにおいて、あらかじめ決められたブロック数でパズルの難易度を上げ、ブロックを生成する計算時間を長くしてマイニングを困難にすることで、マイナーのマイニング報酬を減らし、マイナーの熱意を削ぐものと説明されています。ディフィカルティボムが実装されると、マイナーは利益を上げられなくなり、元の PoW ネットワークは運用を継続できなくなります。

3.シャーディング

コンセンサスメカニズムの変更によって、Ethereum のパフォーマンスは向上しません。パフォーマンスの向上はシャーディングを通じて実現する必要があります。

シャーディングは、ストレージと高速処理を最適化するために使用されるデータベース パーティション分割の概念です。組織のネットワークを小さなパーティションに分割し、データベースを水平に分割して負荷を分散します。各シャードには独自の独立したデータがあり、複数のシャードを並行して処理できるため、ネットワークの輻輳が軽減され、TPS が向上し、ネットワークのスケーラビリティが実現します。

イーサリアムの以前のシャーディング計画では、メインネットワークを 64 個のシャードに分割する予定でした。各シャードには独立したブロック提案者と委員会があります。ブロック提案者と委員会はランダムに選択され、割り当てられます。ブロック提案者は、トランザクション プールからブロックに含めるトランザクションを選択します。委員会の投票の 3 分の 2 を獲得すると、ブロックをチェーンに含めることができます。

この初期のシャーディング スキームは、Ethereum メイン チェーンのパフォーマンスを拡大することを目的としています。ただし、実装は複雑です。さらに、数年後にはLayer2が急速に発展し、Rollupが繁栄しました。そのため、 Vitalikを中心とするイーサリアム開発者は徐々に当初の計画を放棄し、新しい技術の選択に目を向けるようになりました。つまり、より多くのトランザクションを実行するために Ethereum メインネット上で直接シャーディングすることはなくなり、 Rollup がトランザクション レベルで容量を拡張し、メイン チェーンは Rollup の基盤となるチェーンのデータ可用性のみを提供するという、Rollup 中心のロードマップに切り替わります。

新しいスキームでは、イーサリアムは、簡単に言えば、最終決済と会計として理解できる、スケーラブルなデータ可用性レイヤーとして機能することを目指しています。メインチェーンの拡張は、チェーン上の計算効率を向上させるのではなく、ブロックのデータ容量を拡張することに重点を置きます。つまり、Ethereumシャーディングは、 Rollup をサポートするために、より多くのデータ BLOB (バイナリ ラージ オブジェクト) スペースを提供することを目的としています。 Ethereum はこのデータを解釈する必要はなく、Rollup の計算と証明の結果を収集してデータが利用可能であることを確認するだけです。一方、より多くの計算実行とトランザクションの有効性は、 Layer2 Rollup によって実現されます。具体的には、Rollup はトランザクションを計算および検証し、検証された複数のトランザクションと証明結果を 1 つのパッケージに組み込みますが、メイン チェーンのブロックにはこれらのパッケージのみが記録されます。

ブロックには複数のロールアップによって生成されたパッケージを含めることができるため、将来的には Ethereum 上に複数のロールアップが存在し、ネットワーク全体の容量が拡大されることになります。現在主流となっているのは、zkRollup と Optimistic Rollup であり、それぞれ有効性証明と不正証明の 2 つの証明方法に対応しています。

イーサリアム2.0アップグレードの影響

• エネルギー消費の削減

PoS メカニズムに切り替えた後は、ネットワーク全体が大量の電力を消費するマイナーノードに依存しなくなり、より環境に優しくなります。 PoS メカニズム下のノードのエネルギー効率は PoW よりも 99% 以上高いため、PoS ネットワークのエネルギー効率は大幅に向上します。 PoW メカニズムが採用されると、マイナーノードは複雑な数学的計算を実行するために強力でエネルギーを大量に消費するハードウェア機器を必要とします。最初に計算を完了した人は、ブロックを構築してブロック報酬を獲得する資格を得ます。この場合、マイナーは最大の利益を得るために、マイニング機器を 1 日 24 時間フル稼働することしかできません。これらの高エネルギー消費機器の電力需要は間違いなく膨大です。

PoSネットワークでは、ブロックの提案者がランダムに選択され、ブロックを生成する権利を競うために大量のマイニングハードウェアを必要としないため、膨大な電力消費が必要ありません。

• ETH生産

Ethereum が PoW コンセンサスから PoS に切り替えた後、マイナー報酬は生成されなくなり、代わりにステーキング報酬が生成されます。そのため、ETHの発行率は90％削減されます。この状況は、ビットコインの半減期が 3 回同時に発生することに相当するため、「トリプル半減期」と呼ばれています。イーサリアムは発行量が瞬間的に減少するでしょう。同時に、ステークされたETHは市場に流入できないため、ETHはデフレの段階に入ります。

• ETHステーキング

合併が完了すると、ほぼリスクのないステーキング収入を得ることができるため、より多くのユーザーが ETH をステーキングすることを選択するでしょう。推定によると、ETH をステーキングした場合の年間利回りは約 4% です。クラーケンはレポート「2022年第1四半期のステーキング状況」の中で、イーサリアムの合併が完了した後、ステーキングユーザーの年間利回りは8.5％～11.5％に達する可能性があると推定している。

また、質入れニーズの増加により、質入れサービストラックの活況が見込まれます。現在、ビーコンチェーンには1,300万ETH以上がステークされており、これはイーサリアムの総量の10%を超えています。合計 410,000 人のバリデータがステーキングに関与しています。

ネットワークには最低 32 ETH をステークする必要があり、ノード機器を実行するには一定の技術的および財務的しきい値があるため、ステーキング サービス プロバイダーを選択することは、自分でステーキングするよりもはるかに魅力的です。ステーキングトラックの現在のリーダーであるLido (stETH の割引から始まる前回の記事 - stETH の価格設定、流動性、リスクを参照) は、流動性ステーキング市場ですでに 90% 以上の市場シェアを占めています。

• 鉱夫

イーサリアムの合併後、元のPoWチェーンは徐々に放棄され、元のマイナーの所在も重要な懸念事項となるでしょう。暗号通貨の世界で 2 番目に大きいマイニングエコシステムとして、マイナーはどのような選択をするのでしょうか?元のチェーンをフォークするか、 ETCに切り替えてマイニングを継続するかを選択する必要がありますか? Ethereum のフォークチェーンである Ethereum Classic は、Ethereum のマイニングマシンを使用してマイニングを行うことができますが、Ethereum Classic が実行できる計算能力には限界があります。理由の 1 つは、ETC の価格が比較的低く、マイニングのコストと利益のバランスを取るのが難しいことです。さらに、合併後に大量の計算能力が流入すると競争が激化し、マイナーの収入がさらに減少することになる。元のチェーンをフォークする計画も、難易度爆弾の設計上、実行が難しい可能性があります。

結論

イーサリアムの合併はもうすぐです。アップグレード計画は何度か変更されていますが、これまでのところ進捗は基本的に順調です。ブロックチェーンの世界で最も影響力があり、最も多くの開発者を抱えるパブリックチェーンであるイーサリアムのアップグレードは、間違いなく大きな影響を与えるでしょう。 Ethereum 2.0の登場により、パブリックチェーンの開発は新たな章に入りました。イーサリアムユーザーを長い間悩ませてきたパフォーマンスの低さ、手数料の高さ、エネルギー消費量の高さといった問題は、一連のアップグレードを通じて解決されると期待されています。これから起こるすべてのことを楽しみにしています。