イーサリアム設計の芸術（パート 2）

「イーサリアム設計の芸術（パート1）」では、イーサリアムの創設者Vitalik Buterin氏が主にETH2のPoSモデルを詳細に分析しました。その後、Vitalik 氏は ETH2 の拡張計画について詳しく説明しました。

イーサリアムがシャーディングを選択する理由

(Lvdong からの注記: シャーディングの概念は、データベース内のパーティションテーブルのアイデアから来ています。シャーディングとは、実際にはデータを異なるデータベースとホストに配置して、データを並行して処理し、処理効率を向上させることです。ブロックチェーンでは、各シャードが独自のシャード内でトランザクションを処理するため、容量拡張の効果が得られます。)

2014 年初頭、Vitalik 氏と Ethereum コミュニティはシャーディングの調査と研究を始めました。関係する研究者は当初、チェーン上のすべてのトランザクションがすべてのノードによって検証されるのは愚かであり、イーサリアムはチェーンのセキュリティを確保するためにより効率的な方法を使用すべきであることに同意しました。

過去数年間のコンピューターサイエンスの研究と調査は、Vitalik に大きなインスピレーションをもたらしました。学習の過程で、Vitalik は、効率的なアルゴリズムをもう少し複雑にすると、最適な効率を達成できることを深く理解しました。

良い例は、ランダムな数字のシーケンスを小さいものから大きいものへとどのように並べ替えるかというシーケンスソート問題です。普通の人は、シーケンスから最も小さいものを 1 つずつ選択して並べ替えることを選択するかもしれません。このアルゴリズムは通常、実行時に O(N^2) と呼ばれます。これは、シーケンスを処理するステップ数がシーケンスの長さの 2 乗であることを意味します。

ただし、このソートアルゴリズムは最も効率的ではありません。よりスマートなアルゴリズムは、マージソート、クイックソート、その他の分類アルゴリズムに似ている場合があります。これらのアルゴリズムに必要な手順は、O(N^2) ではなく、O(LogN) になります。

たとえば、100 個の数字のシーケンスがあり、100 は 3 桁の数字なので、必要な処理ステップ数は 100 * 3、つまり 300 ステップになります。これらのアルゴリズムの動作ロジックを理解すると、これらのアルゴリズムが数学的な観点から非常に単純で明確であることがわかります。これらのアルゴリズムは通常のアルゴリズムよりも少し複雑ですが、効率は大幅に向上します。

元のブロックチェーンは、各ノードがすべての転送を検証する通常のアルゴリズムのようなものでした。シンプルで分かりやすいのですが、非常に非効率的でした。ブロックチェーンに今必要なのは、少し複雑だがより効率的なアルゴリズムです。シャーディングはそのようなアルゴリズムかもしれません。シャード化された世界では、バリデーターはすべてを検証する必要はなく、一部だけを検証すればよいため、非常に効率的です。

しかし、この場合、1% 攻撃 (攻撃者が計算能力を集中してチェーンの一部を攻撃し、攻撃された部分が正常に動作できないようにする) からどのように防御するのでしょうか?研究者たちは、いくつかの研究と調査を経て、この攻撃から身を守るための巧妙な方法をいくつか考案しました。

シャーディングに関する疑問

シャーディングは実現不可能だと考える人はまだたくさんいます。批判は主に2つのレベルに分けられます。

1 つ目は、彼らが「間接検証」や「確率的検証」などの概念をまったく理解していないことです。彼らは検証は白か黒かだと信じています。転送を確認するか、確認しないかのどちらかです。中間イベントはありません。

第二に、彼らはシャーディングにおけるさまざまな仮定に深い疑念を抱いており、実際のシステムが稼働しているときにこれらの仮定がシステムをより脆弱にする可能性があると考えています。

「詐欺防止」を例に挙げてみましょう。不正防止は本質的には大規模な「確率的検証」です。少人数のグループが計算結果を検証し、検証証明に署名し、その証明にいくらかの ETH を賭けます。誰でもその証明を検証し、異議を申し立てることができます。誰かがその証明を検証し、それが間違っているとわかったら、異議を申し立てることができます。チャレンジが成功すれば、報酬として証明に賭けた ETH を受け取ることができます。

では、詐欺証明の何が問題なのでしょうか?本質的に、彼の問題は「同期の仮定」にあります。一般的に、ネットワークが正常に動作している場合、不正の証拠はタイムリーに検証され、タイムリーにネットワークに同期されます。しかし、ネットワークに問題が発生して遅延が発生すると、「同期の仮定」が崩れ、「不正防止」は有効ではなくなります。

アルゴリズムやメカニズムがこれらの仮定を回避でき、システムが仮定なしで適切に動作できれば最適です。シャーディングに関しては、研究者は仮定の数をできるだけ少なくしようと努めてきました。たとえば、シャーディングは以前は「多数決の誠実さの仮定」に依存していました。現在、バリデーターの 2/3 を制御していても、無効なブロックをチェーンに配置することはできません。「不正防止」に関しては、zk Rollup を使用すれば、不正防止を適用しなくてもシャードのセキュリティを確保できます。

Rollupを中核とするイーサリアムのロードマップ

今年 10 月、Vitalik 氏はフォーラムに「Rollup を中核とする Ethereum ロードマップ」と題したディスカッションスレッドを投稿しました。多くの人が、イーサリアムがシャーディングを放棄し、拡張のためにロールアップソリューションに目を向けるかどうか疑問に思っていました。ヴィタリック氏はこの主張を明確に否定した。さらに詳しく説明します。

(注: Rollup は、Ethereum 上の第 2 層の拡張ソリューションです。簡単に言うと、第 1 層のメインチェーンの運用負担を軽減するために、Rollup が大量のトランザクションを処理し、処理が完了した後、その結果が最終的にメインチェーンに通知されます。)

1. ロールアップとシャーディングの類似点と相違点

シャーディングとロールアップの違いについて、ヴィタリック氏は、シャーディングはノードのグループであると誤解している人が多いが、これはヴィタリック氏が理解しているシャーディングとは異なると述べた。

Vitalik 氏は、シャード内の各シャードはブロックチェーンの論理サブセットであり、この論理サブセットを検証するためにノードのグループがディスパッチされ、各ノードは複数のシャードを検証できると考えています。

Rollup にはシャーディングの特性の一部が備わっていますが、すべてを備えているわけではありません。

類似点の 1 つは、オンチェーン計算の分割です。ロールアップが多数ある場合、異なるロールアップが独自の計算を担当し、ロールアップがスケーリングされます。

もう 1 つの類似点は、クロスシャードまたはクロスロールアップの同期と実行 (同期相互作用/実行) が不可能なことです。各シャードまたはロールアップは個別の「ドメイン」です。ドメイン内のやり取りは同期できますが、ドメイン間のやり取りは同期できません。ロールアップ間での同期的な相互作用は可能ですが、困難です。

シャーディングとロールアップの違いの 1 つは、セキュリティモデルです。チェーン上のさまざまなロールアップのセキュリティは、同じデータレイヤーが担当します。たとえば、Ethereum 上の Rollups のデータはすべて ETH ノードによって検証されますが、シャーディングの場合はそうではありません。したがって、ロールアップは、シャーディングで発生する可能性のあるセキュリティ上の欠陥をある程度回避します。

シャーディングとロールアップには多くの類似点と相違点がありますが、ユーザーエクスペリエンスはそれほど変わりません。もう 1 つ興味深いのは、ETH2 が Rollup を適用すると、異なる Rollup が異なるシャードを使用することが分かることです。 1 つのロールアップが 5 つのシャードを使用するか、5 つのロールアップが 1 つのシャードを共有する可能性があります。

2. Rollup は Ethereum コミュニティにとって何を意味しますか?

ヴィタリック氏はまず、ビットコインとイーサリアムの価値の違いについての自身の見解を改めて述べた。ビットコインコミュニティと比較すると、イーサリアムコミュニティはより実用的です。たとえば、イーサリアムのガス制限の問題に関しては、コミュニティ内のさまざまな利害関係者グループ間の調整の後、最終的にフォークにつながる統一された標準に固執するのではなく、最適なブロックサイズに到達するために最終的にトレードオフが行われることになります。

イーサリアムは現在、2つの非常に現実的な問題に直面しています。ガス料金の高騰は、イーサリアムが容量拡張を切実に必要としていることを示しており、拡張がすぐに実現されることを期待しています。過度に高いガス料金により、Ethereum 上の多くのアプリケーション、特に非金融アプリケーションが廃業に追い込まれました。

現実的な技術的観点から見ると、Rollup は既存の技術的オプションの中で最良のものです。状態チャネルは現在利用可能ですが、個々のアプリケーションにのみ適用可能であり、制限が多すぎます。 Plasma も選択肢の 1 つですが、Plasma は支払い分野にのみ適しており、一般的な契約はサポートしていません。したがって、中期的な観点から見ても、Rollup は容量拡張のための最良の選択肢となります。

もうひとつ興味深いのは、RollupとETH2のロードマップを一緒に見ると、フェーズ0（Phase 0）のPoS、フェーズ1のデータシャーディング、フェーズ2の実行シャーディング、そしてフェーズ1にRollupが追加される限り、Ethereumは非常に高いスループットを実現できることがわかります。したがって、人々がロールアップ技術を遵守し続ける限り、現在のイーサリアムが拡張を達成できるだけでなく、将来的には、ETH2 のフェーズ 1 スループットが人々の想像をはるかに超えるものになるでしょう。

したがって、人々は現実に直面する必要があり、Ethereum コミュニティは Rollup の開発に注力する必要があります。ヴィタリック氏はいくつかの理由を挙げた。

1. ロールアップは迅速に実装でき、強力なスケーラビリティを備えています。

2. 基盤となるパブリックチェーンの機能が十分に単純であれば、ETH2 は「詐欺防止」などのセキュリティ上の仮定の一部を放棄できるため、セキュリティが大幅に向上し、Rollup も業務にさらに集中できるようになります。

3. 「Ethereum Satellite Ecosystem」で述べたように、Ethereum が Rollup に集中できれば、ETH2 はエコシステム内の他の Ethereum ヘルパー、イネーブラー、さらには競合相手とも協力できるようになります。イーサリアムはこれらのプロジェクトのプラットフォームとなり、これらのプロジェクトはイーサリアムを取り囲む衛星のようなもので、ブリッジングを通じてイーサリアムと相互作用し、最終的に実行層で相乗効果を生み出します。