イーサリアムの最新動向の概要: 合併、上海アップグレード、データシャーディング

著者: Trent Van Epps、Ethereum Foundation

編集者: サウスウィンド

Ethereum は大きな変化を遂げているプロトコルです。中期的には、イーサリアム プロトコルのアップグレードを推進し、拡大して世界的需要の増大に対応できるようにするとともに、イーサリアム ネットワークのセキュリティと分散化を向上させます。長く曲がりくねった道のりでしたが、イーサリアム「エリア」の研究者や開発者はこれまで以上に活​​発に活動しています。

読み進める前に、これは「公式」ロードマップではなく、Ethereum の現在の状態についての限定的で主観的な見解にすぎないことに留意してください。

01. 名称が変わった

タイムライン → 進行中

まず、イーサリアム空間における命名法についてお話ししましょう。これは奇妙な出発点のように思えるかもしれませんが、Ethereum の命名フレームワークは開発ロードマップによって推進されていることを理解することが重要です。以下は、最近よく見られる用語の変更例 2 つと、そのような名称変更の理由です。

実行と合意

事実上、「Eth1」と「Eth2」という用語は、Ethereum コア開発では使用されなくなりました。Tim Beiko による Great Renaming ドキュメントを参照してください。

https://notes.ethereum.org/@timbeiko/great-renaming

これら 2 つの古い命名方法は、「Eth1 が最初に来て、Eth2 が後から来る」と「Eth2 の誕生後、Eth1 は存在しなくなる」という 2 つの意味を表しています。イーサリアムのコア研究者であるダニー・ライアン氏は、2020年10月からこの問題を指摘してきました。PoSビーコンチェーンは、2020年12月初旬のローンチ以来、現在のPoWイーサリアムメインネットと並行して実行されていますが、Eth1とEth2という用語を使用すると、現在のPoWイーサリアムが何らかの理由で消滅したことを意味します。実際、マージが発生すると、Ethereum メインネット上の現在のチェーン状態はビーコン チェーンとシームレスに結合されます。

データは失われず、移行も必要ありません。

「Eth1」と「Eth2」という用語の代わりに、「実行」と「コンセンサス」を使用するようになりました。 Dany Ryan によるこの詳細な記事を読むことをお勧めします。

https://blog.ethereum.org/2021/01/20/the-state-of-eth2-january-2021/

つまり、「実行」とは、アプリケーション、アカウント残高、トークンなど、ユーザー層のすべてを指し、「状態」とも呼ばれます。 「コンセンサス」とは、トランザクションの最終性、フォークの選択ルール、バリデータ、インセンティブなど、これらすべてを結び付ける PoS コンセンサス メカニズムを指します。

統合された環境では、実行層とコンセンサス層が共存します。

「フェーズ」ではなく「機能」

私たちが使用しなくなっているもう一つの用語は「フェーズ」です。以前は、これは「フェーズ 0 はビーコン チェーンを指します」など、特定のプロトコルの変更を指していました。

昨年末、私たちは段階的に段階的にフェーズをリファクタリングして機能を作り上げる非公式なプロセスを開始しました。まず、具体的な「機能」名を使用すると、柔軟性が高まります。プロトコル設計が更新されたり、範囲が拡大/縮小されたりする場合、機能提案の名前を直接使用するよりも、「フェーズ X」という略語を使用してこれらの変更を伝えることが難しくなります。

第二に、「フェーズ」という言葉は連続性を意味します。つまり、「フェーズ X」の後には「フェーズ X+1」が続く必要があります。この命名が機能しない理由の良い例は、現在進行中の「マージ」（以前は「フェーズ 1.5」と呼ばれていました）が「シャーディング」（以前は「フェーズ 1」と呼ばれていました）よりも優先されることです。

特定の「機能」名を使用することを優先するということは、これらの名前を必要に応じて簡単に並べ替えることができ、最終的な影響をより明確に伝えることができることを意味します。

認知の柔軟性

より抽象的に言えば、上記の両方の変化は認知の柔軟性に基づいていると私は考える傾向があります。言い換えれば、これは知識形成の柔軟な形式であり、これにより私たちのコミュニティは、イーサリアムの「マーケットプレイス」から生まれる構造化されていない創造性をよりよく理解できるようになります。

フェーズやシーケンスに縛られないため、ロードマップに基づいて適応的な決定を下すことができます。完全なロードマップがないことを認め、それを受け入れていくことは謙虚なことです。これはイーサリアムの哲学の重要な部分であり、それが定着していくのを嬉しく思います。

より広範な Ethereum コミュニティが新しい命名規則に適応するにはしばらく時間がかかるかもしれませんが、私たちは適応します!この重要な取り組みにご協力いただきありがとうございます :)

02. マージ

タイムライン → 5〜8か月

名前の変更については説明しましたが、次は Ethereum の次のエキサイティングな機能であるマージについて説明しましょう。この合併は、イーサリアムのコンセンサスメカニズムがプルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）に移行しようとしていることを意味しています。

これは、Ethereum およびより広範な暗号通貨分野で最も期待されているプロトコル変更の 1 つです。ブロックチェーン業界の存在期間の大半において、PoW とそのエネルギー消費に関する否定的な認識が一般メディアを席巻してきました。イーサリアムは、コンセンサスメカニズムを転換する史上最大のプロトコルとなり、その物語を変えることが期待されます。

合併による合意のメリット

このマージには、Ethereum プロトコルに対する多くの重要な改善が含まれています。

合併が完了すると、イーサリアムブロックチェーンはさらに安全になります。ブロックは一定の時点を過ぎると「確定」され、ブロックチェーンを再編成するバリデーターに対してペナルティメカニズムが導入され、バリデーターによるブロックや内部トランザクションの再編成が禁止されます。

第二に、PoS は PoW に関連する膨大なエネルギー消費とハードウェアの無駄を排除します。研究者らは、合併後、イーサリアムのエネルギー消費量は最大99.95%減少すると推定している。通常の消費者向けハードウェアが、現在 Ethereum コンセンサスを実行するために使用されている ASIC と GPU に取って代わります。これら 2 つの大きな影響により、Ethereum はエネルギー効率が向上し、多様性が高まり、地理的に分散され、コンセンサス参加者に対する耐性が高まります。

3 番目に、Ethereum PoS はシャーディング用のプラットフォームを構築します。これは、Ethereum ブロックチェーンを並行して実行される多数のシャード チェーンに分割する主要なプロトコル変更でもあります。シャーディングは、データの可用性と決済のために利用可能なブロックスペースを増やすことで、L2 スケーリングの取り組みにさらなる利点をもたらします。

最後に、合併により、ETH の年間発行率は現在の純 3.5% から約純 0% に低下します。

合併への道

「合併」の基盤を築く最初の大きなイベントは、今年初めに1か月間にわたって開催されたRayonismハッカソンでした。この作業では、統合後の Ethereum ブロックチェーンがどのようになるか、コンセンサス/実行クライアントが相互に通信する方法をシミュレートします。

最近では、Rayonism の成功をさらに発展させ、PoW から PoS への移行の重要な瞬間を追加した 1 週間にわたるイベントである Amphora 相互運用性ワークショップを実施しました。 10 のクライアント チームが貢献し、週末までに PoW から PoS への移行をモデル化する開発者テストネットが正常に実行されました。

このイベントについてさらに詳しく知りたい場合は、Tim Beiko の記事「Amphora: A Major Merge Milestone」をご覧ください。

https://blog.ethereum.org/2021/10/15/amphora-merge-milestone/

この活動で得られた経験は、統合仕様書「Kintsugi」の最新バージョンに反映されています。その間、Pithos と呼ばれる長期開発テストネットが存在します。これは 2021 年第 4 四半期から 2022 年第 1 四半期の間に複数回再開され、更新された仕様で PoW から PoS への移行が再テストされます。この移行が適度に安定すると、Goerli などの既存のテストネットを、統合された仕様に合わせてアップグレードできるようになります。

関心のあるコミュニティ メンバーは、残りの未完了項目の包括的な概要を提供する「マージ メインネット準備チェックリスト」に従うことができます。

https://github.com/ethereum/pm/blob/master/Merge/mainnet-readiness.md

03. 上海アップグレード

タイムライン → 10～12か月

統合された Ethereum の興味深い点の 1 つは、古いチェーンと新しいチェーンが統合されているにもかかわらず、クライアントは、そのアーキテクチャや作業チームを含め、依然として互いに独立していることです。バリデーターにとって、これは膨大な選択肢があることを意味します。つまり、すべての実行クライアントをすべてのコンセンサス クライアントと組み合わせることができ、その逆も同様です。楽しみのために、これらのクライアントの組み合わせで使用される可能性のある新しい名前をリストしました。

ツイッターソース: https://twitter.com/trent_vanepps/status/1445008969756467203?s=20

実行レイヤーとコンセンサスレイヤーを分離することで、必要に応じてアップグレードプロセスを分離することもできます。これは、Ethereum の「関心の分離」の哲学によく適合します。言い換えれば、モノリシックブロックチェーンと比較すると、現時点ではイーサリアムの方が小さな変更の管理が容易になります。

ただし、上海のアップグレードでは、コンセンサス レイヤーと実行レイヤーの両方が連動してアップグレードされるため、バリデーターによる引き出しが可能になります。つまり、バリデーターはコンセンサス レイヤーから実行レイヤーに ETH を引き出すことができるようになり、2 つがより密接に結び付けられることになります。 ETH がビーコン チェーン (コンセンサス レイヤー) から実行レイヤーに引き出されると、ETH は現在の Ethereum チェーンと同じように使用できます。つまり、ETH は価値の保存に使用したり、NFT の支払いや取引手数料の支払いに使用したりできます。現在、上海アップグレードに含めることが検討されているエグゼクティブ レベルの提案は他にもいくつかありますが、これらはまだ正式に承認されていません。

この許容範囲がどの程度なのかは、合併が実際に実行されるまでわかりません。

04. イーサリアム研究

タイムライン → 進行中

上記の作業が規定され、実装され、テストされている一方で、Ethereum を前進させる他の研究も並行して行われています。

データシャーディング

シャーディングは、Ethereum が PoS に切り替わるときに起こる最も重要な変更点かもしれません。現在の提案は、シャード実行ではなくデータシャーディングに重点を置いていることに注意することが重要です。データ シャーディングにより、L2 ネットワークにデータの保存に使用できるブロック スペースが増えますが、これらのシャードは、私たちがよく知っている現在の Ethereum メインネットのようなローカル ユーザー トランザクション実行機能をまだサポートしていません。現在、Rollups ネットワークは、このような決済操作に Ethereum メインネットを使用しています。このタイプのシャーディングの基礎研究は複雑ではないため、データ シャーディングはメインネット上でより早く稼働し、L2 ネットワークにメリットをもたらすことができます。

上: クォンツスタンプがデザインした、王孝偉のオリジナル図

このデータ可用性の優先順位付けは、過去 18 か月間のスケーラビリティ研究と dApp のダイナミックな進歩と一致しています。 Vitalik の 2020 年 10 月の投稿「ロールアップ中心の Ethereum ロードマップ」は、この可能性のある未来をうまく説明しています。これは、Ethereum コミュニティの認識の柔軟性を示す素晴らしい例です。

将来のある時点で、Ethereum コミュニティはシャーディング強制機能を追加することを決定する可能性があります。しかし、これは研究する必要がある問題のままです。

国家の有効期限切れと弱い無国家性

この分野の研究は、Ethereum プロトコルが状態を処理する方法に革命をもたらすでしょう。状態とは、契約、トークン、NFT、アドレスなど、すべてのユーザー レコードを指します。現在の Ethereum では、ユーザーはトランザクションごとに 1 回限りのコストを負担するため、トランザクション レコードは Ethereum 状態に無期限に保存されます。これは長期的には持続可能ではありません。

過去数年間、州家賃やReGenesisなど、さまざまなトレードオフを伴ういくつかの提案が検討されてきました。

主な提案の 1 つは「弱いステートレス性」と呼ばれ、Ethereum ノードが状態を保存および処理する方法を変更します。具体的には、ブロック提案者のみが状態を保存する必要があり、他のすべてのノードはブロックを検証するために状態を保存する必要がなくなります。このアプローチがさまざまなプレーヤーに与える影響は次のとおりです。

ユーザー: 状態を破棄できますが、トランザクションを送信するときに「証人」を送信する必要があります。証人は、トランザクションの有効性を確認するためにトランザクションとともに送信される証拠です。

非バリデータノード: 状態を破棄できます。

バリデーター/ブロック提案者: ブロックの生成を第三者に依存している場合は状態を破棄できます。

ブロックプロデューサー: すべての状態を保存する必要があります。ユーザーが送信した証人を使用して、有効な状態変更を含むブロックを生成する責任があります。

もう一つの提案は「State Expiry」と呼ばれます。この提案によれば、指定された期間アクセスされなかった状態は非アクティブになるか、アクティブから「期限切れ」に変わる可能性があります。これは、コールド ストレージ内の ETH や、コミュニティが離脱した後に放棄された ERC20 トークンなどです。ユーザーが自分の状態を再アクティブ化したい場合は、そのユーザーが送信したトランザクションに証人が付随している必要があります。 Ethereum のアクティブ状態のサイズを制限することの大きな利点の 1 つは、ノードがネットワークと同期し、ネットワークを維持し続けることが容易になることです。

どちらのコンセプトも、概念実証 (PoC) を通じて積極的に研究、ベンチマーク、実装されています。現在の進捗状況の詳細については、以下を参照してください。

ギヨーム・バレエによるリンク付きの概要:

https://notes.ethereum.org/@gballet/Sy-a6T5St

EthR&R Discord ガイドブックの以下のリンク:

https://github.com/tvanepps/EthereumDiscordGuidebook#statelessness--state-expiry

…その他

EVM (Ethereum Virtual Machine) の改善やコンセンサスを強化する方法など、書きたいことはまだまだたくさんありますが、それは次の記事に残しておきます。

これらの重要な問題に取り組むことに興味がある場合は、Twitter (@trent_vanepps) で私にダイレクトメッセージを送って、Ethereum R&D Discord チャット チャンネルに参加するよう招待してください。または、詳細については EthResearch フォーラムにアクセスしてください。

https://ethresear.ch/top