Ethereum 2.0 ソリューションと進捗状況の調査レポート

最近、イーサリアム開発者のマリウス・ファン・デル・ワイデン氏は、ソーシャルプラットフォーム上で、現在イーサリアム上でPoSメカニズムをテストしており、最初のメインネットシャドウフォークを実施する予定であると述べた。これは、イーサリアムの「統合」が間もなく行われることを意味します。 「マージ」は、Ethereum 2.0 のスケーラビリティ ブループリントにおける重要なマイルストーンであり、Ethereum ネットワーク全体が PoS コンセンサス メカニズムに移行します。

さらに、イーサリアム 2.0 コア開発者の dapplion 氏は、ソーシャル アカウントで、イーサリアム メインネットのシャドウ フォーク テストが今週の土曜日に再度実施されると述べました。

「合併」が近づくにつれ、イーサリアム 2.0 はさらに進歩しました。分散化の原則を犠牲にすることなく、ブロックチェーンアプリケーションをより高速かつ安価にすることを目指しており、具体的な計画と進捗状況が再び大きな関心を集めています。では、Ethereum 2.0 とは何でしょうか?どのようなアップグレードが含まれていますか?現在の進捗状況はどうですか?その登場は業界の発展にどのような影響を与えるでしょうか?欧米易研究所は、イーサリアム2.0の技術的進歩、イーサリアム2.0の計画、展望とリスクの3つの側面からイーサリアム2.0について詳しく説明します。

注: 合併に備えて、イーサリアム財団は以前、イーサリアムがプロトコルのアップグレード中に位置付けの変更に直面していることを発表しました。 2021年末、コア開発者はEth1.0とEth2.0という用語の使用をやめ、それぞれ「実行レイヤー」と「コンセンサスレイヤー」に置き換えました。ただし、名前の変更は、イーサリアムの確立されたアップグレード ルートには影響しません。 Ethereum 2.0 という名前は人々の心に深く根付いているため、この記事では引き続き「Ethereum 2.0」という名前を使用します。

イーサリアム 2.0 の技術的進歩

ルート計画

イーサリアムは設立以来、最初のパブリックチェーンの地位をしっかりと占めており、世界最大の開発者コミュニティを持ち、DAPPの数は他のパブリックチェーンをはるかに上回っています。しかし、そのような主導的な立場であっても、ただ座ってリラックスできるわけではありません。 「世界のコンピューター」と位置付けられるイーサリアムは、現在1秒あたり約20件のトランザクションしか処理できず、通常規模の商用アプリケーションをサポートすることさえ困難です。頻繁な混雑インシデントによって発生する高額なガス料金とパッケージ化されたトランザクションの待ち時間により、ユーザーエクスペリエンスが非常に悪くなり、Ethereum の開発が大きく制限されました。

Ethereum 2.0 は、Ethereum のネットワーク パフォーマンスの現在のボトルネックを解決するために確立された計画です。分散化を低下させることなく、Ethereum ネットワークのスケーラビリティとパフォーマンスを大幅に向上させ、分散型アプリケーションをより適切に実行し、業界アプリケーションの爆発的な増加を促進することに取り組んでいます。

イーサリアムは、分散型金融およびスマートコントラクト実行プラットフォームとなり、「真の世界コンピュータ」となることを目指しています。世界一のコンピューターになるという目標を達成するために、2014年の発売当初からフロンティア、ホームステッド、メトロポリス、セレニティという4つの開発段階が設定されていました。最初の 3 つのステージはすべて PoW モデルを採用しており、4 番目のステージ「Serenity」は Ethereum の最終形態であり、Ethereum 2.0 と呼ばれることが多いものです。

これまでに、イーサリアムの最初の 3 つのフェーズが完了し、開発の第 4 フェーズが進行中です。この期間中に、PoW から PoS への移行、シャーディング、EVM から eWASM への置き換え、その他の重要なアップグレードが完了します。アップグレードが完了すると、Ethereum のパフォーマンスが大幅に向上します。

もちろん、第 4 段階は一夜にして達成できるものではなく、段階的にアップグレードされます。最新のロードマップによると、イーサリアムの第4フェーズのアップグレードの主なノードは、2021年第3四半期のビーコンチェーンの立ち上げ、2022年の「合併」、その後実装されるシャーディングです。ビーコンチェーンは2020年12月に開始されました。それ以来、ビーコンチェーンはPoSの形で稼働し始めました。実行層でブロックを生成するプロセスは、依然として PoW の形式で元のチェーンによって実行されます。イーサリアムは PoW + PoS 混合マイニングの段階に入り、ネットワーク全体を PoS に移行するための道を開きました。

(イーサリアムアップグレードの最新ロードマップ)

4月12日現在、ビーコンチェーンは順調に稼働しています。オンチェーンデータによると、ビーコンチェーンにはすでに341,300のノードがあり、総ステークは約1090万4600 ETHで、有効な投票参加率は99.84%に達しています。 2021年10月15日以降、ノード数とステーク総額は着実に増加しており、毎日のバリデータ収入もゆっくりと増加しています。

(ビーコンチェーンブロックデータ、画像ソース: https://beaconscan.com/)

合併が近づいている

次に、イーサリアムは2022年第2四半期に「マージ」を行う予定です。コンセンサスレイヤー（PoSビーコンチェーン）が実行レイヤー（PoWオリジナルチェーン）とマージされ、オリジナルチェーンのPoW部分が停止されます。このアップグレードは、Ethereum から PoS コンセンサスへの公式な切り替えを表しています。

この合併により、元のチェーンの PoW 検証が停止され、以前にビーコン チェーンにステークされた ETH のロックが解除されないことに注意してください。ロック解除は合併後の最初のハードフォークで実行されます。これは、ロック解除前にPoSで発行されたETHが流通できなくなることを意味し、PoWによる発行も停止され、イーサリアムはより強いデフレに突入しました。さらに、この合併はイーサリアムのコンセンサスの変更に過ぎず、パフォーマンスの向上は達成できません。したがって、今回のアップグレードによってGAS料金は変更されません。 Ethereum のスケーラビリティを効果的に向上させるには、その後のアップグレードでシャーディングが導入されるまで待つ必要があります。

Ethereum 2.0 ソリューション

Ethereum 2.0 アーキテクチャ モデル

Ethereum 2.0 ソリューション モデル図は、上から下に向かって次のようになります。

• PoW メインチ​​ェーンは、オリジナルの Ethereum メインネットです。 Ethereum 2.0 では、ビーコン チェーンのシャードとして引き続き実行されます。

• Beacon Chain は、Ethereum 2.0 システム全体の中心となるビーコン チェーンです。 Casper コンセンサスは、すべての独立した並列シャード チェーンを調整および管理し、シャード チェーンにバリデータをランダムに割り当てる役割を担っており、システム全体のセキュリティにおいて重要な役割を果たします。クロスリンクは各シャードのアンカーポイントとして使用され、シャード間の通信を実現し、各シャードの現在の状態を追跡して、Ethereum の最終的な決定論を保証します。

• シャード チェーンはシャード チェーンです。 Ethereum 2.0 はスケーラビリティの源です。現在の計画では、64 個のシャード チェーンを確立する予定です。各シャードには、ブロックのパッケージ化と検証を担当するバリデータ委員会のグループがあります。ノードのハードウェア要件を増やしたり、分散化を低下させたりすることなく、ネットワークのパフォーマンスと容量を大幅に向上させることができます。

• VM レイヤーは仮想マシンであり、スマート コントラクトの動作の基本環境であり、Ethereum 全体の動作を駆動します。 Ethereum 2.0 では現在の EVM が eWASM に置き換えられ、スマート コントラクトの互換性と実行効率が向上します。 eWASM は EVM と比較してパフォーマンスとスケーラビリティが優れており、Solidity、C++、Rust、AssemblyScript などのプログラミング言語をサポートできるため、コントラクト開発が容易になります。さらに、eWASM は現在の Web 標準とも互換性があるため、一般的なブラウザでの実行が容易になり、ユーザーは拡張機能なしで dApp にアクセスできます。

(Ethereum 2.0 アーキテクチャ モデル)

主なソリューション

ブロックチェーンには、有名な不可能三角形問題があります。つまり、ブロックチェーン システムは、スケーラビリティ、セキュリティ、分散化の面で同時に最高の結果を達成することはできず、バランスを最適化するために 3 つの間でトレードオフを行う必要があります。 BCH がブロックサイズを拡大しても、効率向上の効果は非常に限られています。 EOS は DPoS コンセンサスを通じてパフォーマンスを確保するために分散化を犠牲にしていますが、これによりセキュリティの問題が懸念されています。さまざまな解決策を試しても、不可能三角形の問題を完全に解決することはできません。現在、パブリックチェーンは、スケーラビリティ、トランザクション効率、セキュリティパフォーマンスなど、多くの面で実際の商用アプリケーションのニーズを満たすことができません。

次世代の分散型ソーシャル基盤プラットフォームとして位置付けられるイーサリアムは、不可能三角形問題に対して以下の解決策を提案しています。

シャーディングを通じてネットワークのパフォーマンスと容量を向上させ、パフォーマンスの問題を解決します。

コンセンサスメカニズム PoW を PoS に変換することで、ノードしきい値が下がり、より多くのユーザーの参加がサポートされ、分散化の問題が解決されます。

シャーディングと PoS によってもたらされるセキュリティの問題は、ビーコン チェーンと Casper コンセンサス メカニズムによって解決されます。

(Ethereum 2.0 の不可能三角形問題に対する具体的な解決策、画像は European Easy Research Institute より)

• パフォーマンス問題の解決 — シャード

シャーディングはブロックチェーンの拡張に最適なソリューションです。ノードのハードウェア要件を増やしたり、分散化の度合いを低下させたりすることなく、ネットワークのパフォーマンスと容量を大幅に向上させることができます。物理空間では、シャーディングとは、パブリック チェーン ネットワーク内のすべてのノードを異なるグループに分割することであり、各グループはシャードと呼ばれます。もともと、パブリック チェーン内のすべてのノードは同じ計算を実行する必要があり、すべてのノードが計算結果を比較して一貫性があることが確認された後、結果がブロック データに書き込まれていました。ネットワーク全体は、ネットワーク内の単一ノードが処理できるタスクの上限によって厳しく制限されていました。これで、ブロック内のタスクはグループ化され、処理のために異なるシャードに割り当てられ、単一のシャード内のノードはネットワーク全体の作業の一部のみを担当すればよくなります。シャードの数が n であると仮定すると、各ノードが処理する必要がある作業負荷は、ネットワーク全体の作業負荷の 1/n になります。したがって、各シャードは並行して動作できるため、ネットワーク全体の収容能力が向上します。同様に、ネットワーク全体の容量も元の n 倍になります。

(シャーディング物理空間図、画像はTokenInsight「シャーディング技術調査レポート」より)

• 分散化問題の解決 - PoW から PoS への移行

PoW メカニズムでは、検証ノードになるためのしきい値が高く、ピアと競争するのに十分な計算能力を生成するには高価な専門的なマイニング マシンが必要です。 PoS メカニズムを採用することで、Ethereum は検証ノードのエントリしきい値を効果的に下げることができます。 32 Eth をステークしたユーザーは誰でもバリデータ委員会に参加する機会があります。ブロック検証者とブロック提案者は、計算能力を競う必要なく、ビーコン チェーンのランダム アルゴリズムによって選択されます。ブロック提案者はトランザクションをパッケージ化して新しいブロックを提案し、他のブロック検証者は新しいブロックを検証し、最終的に協力してブロック生成プロセスを完了します。これにより、PoW コンセンサス ノードの作業が大幅に簡素化されます。

このようにして、Ethereum ネットワーク ノードのハードウェア要件が大幅に削減され、より多くのユーザーが参加できるようになります。検証に関与するノードが増えるほど、Ethereum ネットワークは分散化および分散化され、攻撃に直面してもより安全になります。また、PoW では大量の計算能力が必要となり、リソースが無駄になるという問題も解決します。

（ノードブロック生成プロセス、写真は欧易研究所より）

• セキュリティ問題の解決 — ビーコンチェーン、Casperコンセンサスメカニズム

シャーディングと PoS コンセンサス メカニズムの導入により、Ethereum に新たなセキュリティ上の課題が追加されました。例えば、シャーディングによって発生する単一シャードに対する 51% 攻撃問題、シャード間の二重支出攻撃問題、PoS コンセンサス メカニズムによって発生する無関心攻撃問題、長距離攻撃問題、単純攻撃問題などがあります。 Ethereum は、ビーコン チェーンとコンセンサス メカニズム Casper を通じて、これら 2 種類のリスクを橋渡しし、セキュリティの問題を解決します。

ビーコンチェーン - シャードの 51% 攻撃問題とシャード間の二重支出攻撃問題を解決します

通常のブロックチェーンとは異なり、ビーコン チェーンでは、基本的な時間単位として「ブロック」ではなくスロットとエポックを使用します。

スロット: 将来的には、イーサリアムの各シャードにブロックを検証する検証委員会が設置される予定です。バリデータ委員会は、ブロック提案とブロック検証の 2 つのステップ (現在は 12 秒) でブロック確認を完了します。バリデータ委員会内で合意に達することができれば、スロットはブロックを正常に生成できます。そうでない場合、スロットはブロックを生成できず、「スキップされた」スロットが形成されるため、チェーン上のブロック生成速度は不確実になります。

エポック: 複数のスロット (現在は 32) で構成される期間で、6.4 分です。バリデータ委員会のノードは各エポックの後に再編成され、再分配され、その報酬とペナルティも各エポックの後に決定されます。エポックの最後のスロットはチェックポイントと呼ばれます。

(スロットおよびエポック図、「ブロックの生成と確認」からの画像)

シャーディングの51%攻撃問題を解決するために、バリデータをシステムにランダムに割り当てる

ブロックチェーン システムのブロック生成プロセスのランダム性は非常に重要です。分散され、検証可能で、予測不可能で、譲渡不可能でなければなりません。パブリックチェーンの場合、ネットワーク全体のタスクを異なるシャードに分割すると同時に、計算​​能力も対応するシャードに分割されます。単一のシャードの場合、元の計算能力の 1/n のみが保証されます。このとき、単一のシャードに対して 51% 攻撃を仕掛ける難しさも元の 1/n に減少し、悪意のあるマイナーによるシャードの制御が容易になります。したがって、シャード化されたシステムでは、特定のシャードが個別に攻撃されるのを防ぐために適切なランダム性が必要であり、ビーコン チェーンはシステムにこのランダム性を提供する役割を担います。各シャードのバリデータ委員会がランダムに選択されます。

バリデータ委員会は、ビーコン チェーンによってランダムに選択された検証ノードのグループであり、ビーコン チェーンと各シャードによって生成されたブロックを確認する責任を負います。ビーコン チェーンには対応する委員会があり、各シャードにもバリデータ委員会のグループがあります。委員会は、所属するシャードのセキュリティと整合性を確保し、ビーコン チェーン上のシャードの状態を証明する責任を負います。

各スロットでは、ビーコン チェーンはバリデータ委員会からランダムにバリデータを選択し、チェーンのブロック生成を担当させます。また、一定数の他のバリデータがブロックをチェックしてその正確性を検証します。次のブロックが生成されると、委員会から検証ノードがランダムに選択され、ブロックの生成を提案し、別の検証ノードのグループがその正しさを検証します。

エポックのブロック生成と検証タスクが完了すると、ビーコン チェーンはすべての検証ノードを再シャッフルし、各シャードの次のエポックの新しい検証委員会をランダムに選択します。乱数生成アルゴリズムの助けを借りて、検証ノードの選択プロセスは検証ノード間の共謀を根本的に回避し、プロトコルのセキュリティを向上させます。

シャード間の二重支出攻撃の問題を解決するためのシャード間通信

二重支出攻撃とは、同じ資金を 2 人以上の人に送金することを指します。シャーディングでは二重支出の問題もあります。攻撃者は、二重支出攻撃を実行するために、同じ資金を異なるシャードのアカウントに送信しようとする可能性があります。これには、二重支出攻撃を回避するためのシャード間の通信が必要です。

シャード間の通信は、ビーコン チェーンの助けを借りて完了する必要があります。シャードはビーコン チェーンと直接通信します。ビーコン チェーンは、検証情報としてすべてのシャードのブロック ヘッダーを同期的に更新します。異なるシャードはビーコン チェーンを通じて通信できます。ビーコン チェーン ブロックが完了すると、対応するシャード ブロックは確定したとみなされ、残りのシャードはシャード間のトランザクションにそれを利用できるようになります。ビーコン チェーンはハブとして、すべてのシャードのステータスと情報を記録して、二重支出の問題を回避できます。

具体的には、シャード 1 がシャード 2 にメッセージを送信すると、シャード 1 は関連情報をブロック ヘッダーにパックします。ビーコン チェーンがシャード 1 のブロック ヘッダーを新しいブロックにパッケージ化するのを待ちます。ビーコン チェーンがブロックのコンセンサスを完了すると、シャード 2 はシャード 1 のブロック ヘッダーを含むビーコン チェーンによってブロードキャストされた情報を受信します。その後、シャード 2 はシャード 1 に関する情報を検証し、関連する操作の実行を開始し、完了したブロック情報をビーコン チェーンに送信します。

(クロスシャード通信プロセス、写真は Ouyi Research Institute より)

• コンセンサスメカニズムCasper - 無関心攻撃、長距離攻撃、単純攻撃の問題を解決し、報酬と罰のメカニズムでノードの行動を規制します

Casper は Ethereum 2.0 のコアコンセンサスプロトコルであり、システムノードの管理とバリデーターへの報酬とペナルティの実装を担当します。

ノードステーキングを通じてPoS無関心攻撃問題を解決し、報酬と罰のメカニズムでノードの行動を規制する

PoS には「何も賭けない攻撃」という問題があります。つまり、PoS メカニズムでは、悪意のあるノード検証者がフォークされたチェーンに自分のコインを賭けて、損失なしでハードフォークを促進することができます。したがって、コイン保有者は、ノードになるために申請するために、ビーコン チェーンに一定量の Eth (現在 32 Eth) を寄付する必要があります。プロトコルは、「アクティブ」としてマークされた後にのみ実行できます。

同時に、ビーコン チェーンは検証ノードの追跡と管理も行います。ノードがブロックを正常にパッケージ化するたびに、保有するトークンに比例した Ethereum システム報酬を受け取ります。ノードはブロックの生成と検証を担当し、システムによって割り当てられたタスクを完了するために常にオンラインである必要があります。バリデーターの大多数が構築したブロックを拒否した場合、ノードは約束したトークンを失うリスクに直面することになります。バリデーターがブロックに投票する責任を果たせなかった場合、ステークした Eth も没収されます。バリデータノードの残高が検証しきい値を下回ると、検証ノードプールから追い出され、検証作業に参加できなくなります。したがって、Casper は、報酬とペナルティのシステムを通じて、バリデーターに正直に行動し、コンセンサス ルールに従うことを強制します。

チェーンの最終性を確保し、PoSの長距離攻撃や単純な攻撃を回避する

長距離攻撃とは、ジェネシスブロックから始まる元のメインチェーンよりも長いチェーンを作成し、トランザクション履歴を改ざんして元のメインチェーンを置き換えることを指します。単純攻撃とは、元のメインチェーンの長さを超えるために、分岐したチェーンが単位時間あたりに可能な限り多くのブロックを作成する攻撃を指します。 PoW と比較すると、PoS には 2 つのブロック間の遅延を強制するメカニズムがありません。攻撃者は、履歴を書き換えるチェーンを短期間で元のメインチェーンに追いつかせることができます。最長チェーン原理に従って決定される場合、実際のメインチェーンが奪われる可能性が非常に高くなります。

イーサリアムは、このようなリスクを回避するために、各エポック サイクルのチェックポイントを通じてチェーンのファイナリティを実現します。具体的には、Ethereum は各エポックの最初のスロット ブロックをチェックポイントとして設定します。チェックポイントに関するコンセンサス投票に参加する検証ノード。チェックポイントが 2/3 を超える投票を受け取り、前のチェックポイントも決定論的チェックポイントである場合、このチェックポイントは決定論的チェックポイントとなり、このブロックは決定論的になり、変更できなくなります。したがって、Casper コンセンサスの主な改善点は、明示的なファイナリティの導入です。最終チェックポイント前のブロックが確認されている限り、ブロック情報は改ざんできず、破壊の可能性はなく、後続のマイナーが確認済みブロックのセキュリティを強化する必要もありません。

（検問所、写真は欧易研究所より）

見通しとリスク

見通し

• 業界の地位を確立する

Ethereum 2.0 が正常に実装されれば、Ethereum のパフォーマンスのボトルネックは完全に解決されます。現在最大のエコシステム規模、アップグレード後のガス料金の引き下げ、取引速度の高速化、そしてeWASMの優れた開発者エクスペリエンスと高いアクセシビリティを併せ持つイーサリアムは、パブリックチェーン分野で不可逆的な存在となるでしょう。

• 生態系の繁栄を促進する

基盤となるパブリックチェーンのパフォーマンスボトルネックによって制限されているため、ブロックチェーンは現在、物理的なアプリケーションを提供できず、月間アクティブユーザー数が 1,000 万人を超える Dapps はまだ登場していません。 Ethereum 2.0 が正常に実装されれば、大規模な商用アプリケーションをサポートできるようになります。その時までに、パブリックチェーンが確実にエンティティに権限を与え、Web3の台頭を後押しし、数千万人のユーザーを抱えるDappsが出現するでしょう。

リスク

• 着陸のリスク

Ethereum 2.0 の開発は比較的困難です。イーサリアムの枠組みは決定されているものの、詳細はまだ議論や修正が続いている部分が多く、実装にはリスクが伴います。アーキテクチャ図からわかるように、Ethereum 2.0 の完成にはいくつかの大きな技術革新が必要です。スマート コントラクト シャーディングとステート シャーディング自体の実現には、設計と開発の難しさが極めて高くなります。さらに、元のチェーンとの移行や互換性を考慮する必要があり、実装の難易度がさらに高まります。数年にわたって開発されてきたプラットフォームであるため、Ethereum のコード構造は非常に複雑になっています。基礎となる構造を変更することは難しく、元のアーキテクチャを変更するとシステム全体に影響が及ぶため、多くの要素を考慮する必要があります。

• 競合リスク

パブリックチェーンの TVL 比較データによると、左側の円グラフではイーサリアム パブリックチェーンが依然として 55.4% のシェアで第 1 位にランクされていますが、右側の面グラフではイーサリアムの TVL 比率が低下しており、他のパブリックチェーンによって侵食されていることが明確に示されています。

(パブリックチェーンのTVLチャート、写真はdefillamaより)

多くのパブリックチェーンは、現在 Ethereum が直面している拡張とパフォーマンスの問題の解決に取り組んでいます。それらのほとんどはスマート コントラクト レイヤーで Ethereum コードと互換性があり、開発者は最も速く便利な方法で独自のパブリック チェーンに転送できます。したがって、イーサリアムが直面する競争圧力は非常に大きいです。イーサリアムが時間内にアップグレードを完了できない場合、他のパブリックチェーンにそれを上回る機会を与えることになります。高性能パブリックチェーンのトラックでは、Solana、Avalanche、Terraなどのパブリックチェーンが激しい競争を繰り広げており、アドレス数も急速に増加しており、Ethereum 2.0に残された時間は切迫しています。

参考記事:

TokenInsight「シャーディング技術調査レポート」

Ethereum 2.0 が近づいていますが、Casper をまだ知らないのですか?

イーサリアム 2.0 シリーズ: ブロック生成と確認

イーサリアムのアップグレードを理解する: 最新のロードマップについて学び、統合された PoS に関する誤解を払拭する