スケーリング: Ethereum 2.0 への道

11月24日にイーサリアム2.0デポジット契約に預けられたETHが524,288の閾値に達したため、イーサリアム2.0ビーコンチェーンが2020年12月1日に予定通り開始されることはほぼ確実です。

これはまた、イーサリアムが正式に PoS とレイヤー 1 レベルでの拡張に向けて動くことを意味します。将来的には、イーサリアム上の分散型アプリケーションは、2020 年夏の DeFi ブームの際に経験したような高額なガス料金に耐える必要がなくなるかもしれません。

イーサリアムのビジョンは、誰もが参加できる分散型アプリケーションのためのグローバルでパブリックなオープンソース プラットフォームになることであるため、スケーリングはイーサリアムにとって非常に重要です。次世代のインターネットのインフラストラクチャとなり、主流のインターネット ユーザーのニーズを満たすためには、容量の拡張は避けられない選択です。

ヴィタリックの考えでは、イーサリアム 2.0 が本当のイーサリアムだ

Vitalik Buterin 氏は Ethereum が世界のコンピューターになることを期待していますが、Ethereum 1.0 は PoW コンセンサス メカニズムを使用しており、TPS はわずか 15 程度で、世界のコンピューターの責任を負うことはできません。

ヴィタリック・ブテリンはかつてこう言いました。「イーサリアム 1.0 は、世界規模のコンピューターを構築しようとする少数の人々のたゆまぬ努力の結果です。イーサリアム 2.0 が最終的に世界規模のコンピューターとなるでしょう。」

イーサリアムの歴史を振り返ると、ヴィタリック氏は2014年1月にイーサリアムのホワイトペーパーをリリースし、イーサリアム1.0メインネットは2015年7月に作成されました。

しかし、ヴィタリック氏がイーサリアムのホワイトペーパーを発表したのと同じ月に、彼はPoSコンセンサスアルゴリズムSlasherに関するブログを公開し、イーサリアムの将来的なPoWからPoSへの移行について真剣に議論しました。

2015 年 3 月、イーサリアム メインネットが立ち上げられる前に、イーサリアム コミュニティは、イーサリアムの将来の技術的方向性をフロンティア、ホームステッド、メトロポリス、セレニティの 4 つの段階に分けて計画し、セレニティ ステージで PoW から PoS に切り替えるという合意に達しました。マイナーを PoW から PoS に切り替えるよう促すために、Ethereum 1.0 ブロックチェーン ネットワークは意図的に「難易度爆弾」も設定しました。

2015 年、Vitalik 氏と Ethereum 開発コミュニティはランダム サンプリングの実験を開始しました。これは、チェーン上でのシャーディング技術の応用における画期的な進歩でした。 2017 年には、データ可用性の証明において画期的な成果が達成され、シャーディングが実行可能な拡張ソリューションであることが証明されました。

ヴィタリック氏の考えでは、イーサリアム 2.0 こそが本当のイーサリアムであると言えるでしょう。

Vitalik は特定の技術的な道筋に関する自身の見解を常に改善し続けています。たとえば、Vitalik 氏は最近、Ethereum (1.0 および 2.0) の短期および中期の拡張戦略は Rollup を中心に据えられていると述べました。

イーサリアム 2.0 ロードマップ

まず、Ethereum 2.0 のロードマップを確認しましょう。

前述のように、イーサリアムの発売以来、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 つの開発フェーズが計画されています。

セレニティはイーサリアム2.0の段階であり、その最大の変化はPoW（プルーフ・オブ・ワーク）からPoS（プルーフ・オブ・ステーク）への完全な移行です。この変更のために、Ethereum 2.0 は少なくとも 3 つのフェーズに分割する必要があります: フェーズ 0: ビーコン チェーン。フェーズ 1: シャード チェーン。フェーズ 2: シャード間の転送、コントラクト呼び出し、Ethereum Virtual Machine (EVM) に代わる eWASM など。各フェーズでは、さまざまな方法で Ethereum のパフォーマンスが向上します。

フェーズ 0: Ethereum 2.0 の最初のフェーズ。「ビーコン チェーン」を実装します。ビーコン チェーンはバリデータ ノードのレジストリを保存および管理し、Ethereum 2.0 の Proof-of-Stake (PoS) コンセンサス メカニズムを実装します。 Ethereum 1.0 の PoW チェーンは、データの継続性を確保するために、新しい Ethereum PoS チェーンと並行して実行されます。イーサリアム2.0のフェーズ0は2020年7月に開始される予定

フェーズ 1: Ethereum 2.0 の第 2 フェーズは 2021 年に開始される予定です。フェーズ 1 の主な改善点は、シャード チェーンの統合です。シャーディングは、Ethereum ブロックチェーンを 64 の異なるチェーンに「分割」し、並列トランザクション、ストレージ、および情報処理を可能にするスケーリング メカニズムです。最も保守的な見積もりによると、そのスループットは Ethereum 1.0 の 64 倍になります。

フェーズ 2: Ethereum 2.0 の第 3 フェーズは、2021 年または 2022 年に開始される可能性があります。フェーズ 2 はフェーズ 0 およびフェーズ 1 ほど明確に定義されていませんが、Ethereum アカウントの追加と転送および引き出しの有効化、シャード間の転送とコントラクト呼び出しの実装、Ethereum 2.0 上にスケーラブルなアプリケーションを構築できるように実行環境の構築、Ethereum 1.0 チェーンの Ethereum 2.0 への移行、そして最後にプルーフ オブ ワークのシャットダウンが含まれます。

Ethereum 2.0 ビーコン チェーン メインネットの立ち上げは、Ethereum 2.0 の正式な立ち上げを意味します。

Ethereum 2.0を理解するための10の質問

Ethereum 2.0とは何ですか? Ethereum 2.0（Eth2 または「Serenity」とも呼ばれる）は、Ethereum ブロックチェーンの計画された第 4 フェーズであり、コンセンサス メカニズムを PoW (Proof of Work) から PoS (Proof of Stake) に移行する完全な再設計です。イーサリアムの 4 つのフェーズは、フロンティア、ホームステッド、メトロポリス、セレニティです。

Ethereum 1.0 と Ethereum 2.0 の違いは何ですか? Ethereum 2.0 では、Ethereum 1.0 には存在しなかった 2 つの大きな改善点、Proof of Stake (PoS) とシャード チェーンが導入されます。 Ethereum 1.0 のコンセンサス メカニズムは Proof of Work (PoW) です。 PoW は、マイナーが電気を使用して物理的なマイニング マシンを駆動し、Ethereum ブロックチェーンを生成することに依存しています。 PoS はマイナーや電力に依存せず、検証ノード (仮想マイナー) と ETH デポジットに依存してブロックを生成します。シャーディング チェーンは、Ethereum ブロックチェーンのスループットを大幅に向上できるスケーリング メカニズムです。シャード チェーンは、Ethereum ブロックチェーンを「分割」し、データ処理の責任を多数のノードに分散します。これにより、トランザクションを並列処理できるようになります。各シャード チェーンは車線を追加するようなもので、Ethereum を単一車線から複数車線の高速道路にアップグレードします。シャード チェーンは、Ethereum 2.0 のフェーズ 1 で開始される予定です。

Ethereum 1.0 はどうなるのでしょうか?計画によれば、Ethereum 2.0 フェーズ 1 が開始されると、Ethereum 1.0 は Ethereum 2.0 の最初のシャードになります。それまでは、Ethereum 1.0 は現状のまま残ります。

Ethereum 2.0 トークンはありますか?新しい ETH トークンはありません。

Ethereum 2.0 ステーキングに参加するにはどうすればいいですか? ETH 保有者は、2 つの方法で Ethereum 2.0 ステーキングに参加し、報酬を受け取ることができます。 1. ETH 保有者は、独自の検証ノードを実行するために 32 ETH を担保にすることができます。そのためには、Ethereum 1.0 のデポジット契約に 32 ETH を預ける必要があります。このプロセスは元に戻せません。独自のバリデータノードを実行するということは、ブロックを検証して整理する責任があることを意味し、これに失敗すると ETH が失われる可能性があります。 2. ETH 保有者は、ステーキング サービス プロバイダーを通じて、またはステーキング マイニング プールに参加することで ETH を担保します。誰でも比例してステーキング報酬を受け取ることができます。

Ethereum 2.0 バリデーターになるリスクは何ですか?バリデータノードになるメリットは、ETH 報酬を獲得できることです。ただし、Ethereum 2.0 には「罰則」の仕組みがあるため、担保とした ETH を失うリスクがあります。バリデータが ETH を失う最初の方法は、オフラインになり、その職務を適切に遂行できなくなることです。これにより、得られる可能性のある報酬とほぼ同じ、比較的軽いペナルティが生成されます。バリデータが資金を失うもう一つの方法は、矛盾した情報を公開することです。この場合、検証ノードは重いペナルティを受け、システムから排除されます。ペナルティの金額は、特定の要因に応じて、1 ETH からステーク全体までの範囲となります。

ビーコンチェーンを起動するにはどれくらいの ETH が必要ですか?ビーコン チェーンを開始するには、少なくとも 16,384 個のバリデータ ノードが必要であり、これは 524,288 イーサリアムの誓約に相当します。ビーコン チェーンは、ジェネシスしきい値に達した場合にのみ報酬の配布を開始します。

現在保有しているETHはどうすればよいですか?現在保有している ETH については何もする必要はありません。イーサリアム 1.0 チェーン上で引き続き完全に利用可能です。ある時点で、Ethereum 1.0 チェーンは Ethereum 2.0 の一部となり、保有されている ETH は何も操作しなくても現在と同じように機能し続けます。ステーキングに参加したい人は、Ethereum 1.0 チェーンのデポジット コントラクトに ETH を預けることで、Ethereum 2.0 ビーコン チェーンのバリデータ ノードになることを選択できます。その後、Ethereum 2.0 ビーコン チェーン上のバリデータ ノードの残高になります。このプロセスは元に戻せません。フェーズ 0 では、これらの EHT は使用できません。バリデーターは、フェーズ 2 までこれらの ETH を特定のシャードに引き出すのを待つ必要があります。その時点で、ステークされた ETH と生成された報酬は、Ethereum 2.0 で完全に利用できるようになります。

Ethereum 2.0 を開発しているのは誰ですか? Ethereum 2.0 の開発作業は、主に数百人の開発者を擁する Ethereum Foundation 研究チームによって主導され、調整されています。 Ethereum 2.0 仕様は、Ethereum Foundation Github ページで管理されています。現在、さまざまなユースケース向けに、さまざまなプログラミング言語で Ethereum 2.0 クライアントを構築している独立したチームが 9 つあります。 9 つのチームは、ChainSafe Systems、PegaSys、Parity Technologies、Prysmatic Labs、Sigma Prime、Status、Trinity、Nethermind、Harmony です。

ビーコンチェーンのメインネットの立ち上げに参加するために、なぜ人々は ETH2.0 を誓約するのでしょうか?最も重要な理由の 1 つは、比較的低いリスクで安定した収益が期待できることです。 524,288 ETH の入金のみの場合、APR は 21.6% に達する可能性があります。誓約に含まれる ETH が 2,450,000 に達すると、収益率は 10% に達する可能性があります。ロックされた ETH が 10,000,000 に達した場合でも、APR は 4.9% に達する可能性があり、これは他の DeFi プロトコルの ETH ストレージ収入よりもはるかに高くなります。ここでの APR は ETH を使用して計算され、ETH の価格が上昇すると実際の APY も高くなる可能性があり、より多くの人々が ETH をステークするインセンティブが生まれます。

ビーコンチェーンの詳細な説明

ビーコン チェーンは、Ethereum 2.0 のインフラストラクチャである POS コンセンサス アルゴリズムを使用します。 Ethereum 2.0 の第 2 フェーズでは、シャード チェーンはビーコン チェーンの助けを借りて動作します。

ビーコン チェーンは、ブロックを公開するために各シャードに異なるバリデータをランダムに割り当てると同時に、各シャード チェーンに委員会を割り当てることによって機能します。委員会の責任は、シャード チェーン バリデーターによって生成されたブロックに投票することです。

シャードチェーンのブロックには、委員会メンバーの半数以上の同意が必要です。シャード チェーンは、ビーコン チェーンを使用してシャード間の操作を完了することもできます。ビーコン チェーンは起動されると、Ethereum 1.0 チェーンと並行して実行され、この期間中は Ethereum 1.0 チェーンの状態に依存します。

ビーコン チェーンは PoS アルゴリズムを使用します。 PoS アルゴリズムでは、各マイナーがブロックを生成する確率は、マイナーのエクイティに比例します。ただし、ビーコン チェーン内のすべてのマイナーは実際には同じ権利を持ちます。

各マイナーはビーコン チェーンに 32 ETH のみを担保できます。ビーコン チェーン バリデーターになるには、Ethereum 1.0 の Deposit Contracts にトランザクションを送信する必要があり、そのためには 32 ETH が必要です。 Ethereum 1.0 の Deposit Contracts のパブリック メソッドには、次の 2 つのパラメーターがあります。

Pubkey、ビーコンチェーンのバリデーターの署名公開鍵

Withdrawal_credentials、後で担保されたETHを引き出すために使用

デポジット コントラクトの呼び出しに成功すると、コントラクトはログ イベントを返し、ビーコン チェーンには Ethereum 1.0 チェーン上のイベントが自動的に通知されます。

ビーコン チェーンは、新しく追加されたバリデータを「保留中のバリデータ」としてマークします。しばらくすると、彼らはアクティブバリデーターになり、ブロック生成に参加できるようになります。

ビーコン チェーンは、長期間非アクティブなバリデーターや不良なバリデーターにペナルティを課します。バリデータのステークが 16 ETH に減少すると、POS プロトコルの運用に参加できなくなります。最後に、ビーコンは 16 ETH 未満のステークを持つバリデーターを除外します。

ビーコン チェーン ブロックは次の情報を維持する必要があります。

登録バリデーター

バリデーターを待っているアカウントはバリデーターリストに追加されます

アクティブなバリデーター、これらのアカウントはバリデーターリストに追加されました

バリデーターを終了、これらのアカウントはバリデーターリストから外れます

投票情報

バリデーター投票

提案者と委員会をランダムに選択するために使用される乱数

提案者の選定

ブロックを送信する前に、バリデーターを提案者として選択する必要があります。 Ethereum 1.0 で次のブロックを送信する能力は、マイナーの計算能力に依存します。マイナーの処理能力が大きい場合、そのマイナーが次のブロックのプロデューサーとして選択される可能性が高くなります。

Ethereum 2.0 では、ブロックを生成するノードの選択は乱数に基づいて行われます。ブロックチェーンシステムでは高品質の乱数を生成することは困難です。ただし、POS プロトコルでは、乱数のソースが分散され、検証可能で、予測不可能で、置き換え不可能である必要があります。

提案者は乱数を使用して検証者のセットから選択されるため、検証者は誰が選択されたかを知ることができません。これにより、共謀して攻撃を開始することを防ぐことができます。

ビーコン チェーンでは 6 秒ごとにブロックが生成されます。この 6 秒はスロット ギャップとも呼ばれます。各間隔中に、選択された提案者はビーコン チェーンの以前のブロックのバリデータからのすべての投票を収集し、それらを使用して新しいブロックを形成します。

委員会

提案者によって提案されたブロックがビーコン チェーンのメイン チェーンに入力される前に、投票される必要があります。

委員会は提案者が提案したブロックに投票することができ、投票を通過したブロックは最終確認を受けることができます。理想的には、投票を迅速に収集できる場合、委員会はシステム内のアクティブな検証者で構成されることになります。

主鎖選択ルール

Ethereum では、最長チェーンは計算能力によって決定されますが、Ethereum 2.0 のビーコン チェーンは POS アルゴリズムを使用します。したがって、全員が従う必要のあるフォークされたチェーン (注: メイン チェーン) を決定するには、異なる一連のルールが必要になります。ビーコン チェーンは、LMD GHOST (Latest Message Driven GHOST) を使用してこの問題を解決します。この方法には、メッセージに基づいて、つまり投票によって機能するアルゴリズムが含まれます。一般的に、最も多くの票を獲得したフォークチェーンがメインチェーンとみなされます。

スマイリーフェイスは投票情報を表します。各ブロック内の数字は投票総数を表し、これがブロックの重みとなります。

上の画像では、一番上のチェーンが最も長いチェーンですが、緑色のチェーンがメインチェーンです。

シャードチェーン

シャード チェーンは、Ethereum 2.0 ネットワークの将来のスケーラビリティの中核となる機能です。

シャーディングとは、データベース (分散型データベースや他の種類のデータベースなど) 内の複数のノード間でデータ処理の責任を分離し、トランザクション、ストレージ、および情報を同時に処理できるようにすることです。

シャーディングの概念は、すべてのフルノードがすべてのトランザクションを処理および検証する必要がある現在の Ethereum 1.0 モデルとは大きく異なります。

ビーコン チェーンはシャード チェーンの動作を監視します。

バリデーターが 32 ETH を誓約すると、検証のためにシャード チェーンにランダムに割り当てられます (ここでのランダム性により、バリデーターの割り当てパスが予測不可能になります。そうでない場合、操作のリスクに直面することになります)。

電子WASM

第 2 フェーズでは、新しい仮想マシン eWASM (WebAssembly の Ethereum バージョン) が導入され、シャード チェーンは、かなり基本的な形式のデータ タグ付けから完全なトランザクション チェーンへと進化し、Ethereum ネットワークの拡張の責任を引き受けることになります。

ブロックチェーン エコシステムの正常な動作を維持するために、ノードは仮想マシンでトランザクションとスマート コントラクトを実行する必要があります。 Ethereum 1.0 の仮想マシンは EVM です。 Ethereum 2.0 に切り替えた後、Ethereum ネットワークの仮想マシンは WebAssembly ベースの仮想マシンである eWASM にアップグレードされます。 WebAssembly は、World Wide Web Consortium (W3C) 標準に準拠したオープンソースです。

WASM は複数のプログラミング言語をサポートしているため、eWASM を使用すると、任意の言語で記述されたスマート コントラクトを Ethereum 上で実行できます。 Ethereum 1.0 の EVM と比較すると、Solidity プログラミング言語で記述されたスマート コントラクトのみが Ethereum 上で実行できます。

Ethereum POW 旧チェーン: ETH 1.X

ETH 1.x は、Ethereum 1.0 シリーズのアップグレードのコード名です。Ethereum 2.0 が完全にリリースされるまでには 2 ～ 3 年かかるため、現在の Ethereum が引き続き実行されることになります。フェーズ 0 のビーコン チェーンとフェーズ 1 のシャード チェーンは 1 ～ 2 年以内に完成します。フェーズ 2 で行われる eWASM の実装は、2022 年に完了する予定です。

Ethereum 2.0 は独立したブロックチェーンとして展開されるため、Ethereum 1.0 に取って代わるものではありません。つまり、Ethereum 1.0 ブロックチェーンは今後 5 ～ 10 年間、継続的な開発を維持する必要があります。

Ethereum 1.x 開発者は、特にレイヤー 2 プロトコルの拡張を中心に、Ethereum のパフォーマンスを最適化し続けます。

たとえば、Optimism チームは最近、Optimism のテストネットの第 1 フェーズの開始を発表し、メインネットの開始に向けたロードマップも発表しました。 Optimism は、楽観的なロールアップに取り組んでいる唯一のチームではありません。 Fuel のロールアップもテストネットに向けて進んでおり、Arbitrum もロールアップに取り組んでいます。 LoopringとzkSyncが実装したzk-rollupベースのロールアップソリューションがリリースされ、StarkwareテクノロジーをベースにしたDeversifiもリリースされました。 OMG のプラズマ ソリューションのメインネット テスト バージョンがリリースされました。