イーサリアムの可能な未来：The Surge

イーサリアムのロードマップは最初に二つのスケーリング戦略を含んでいました: シャーディングとLayer2プロトコル。シャーディングは各ノードがトランザクションの小さな部分だけを検証し、保存することを可能にし、Layer2はイーサリアムの上にネットワークを構築し、そのセキュリティを利用しつつ大部分のデータと計算をメインチェーンの外に保持します。この二つの道は最終的に統合され、Rollupを中心としたロードマップを形成し、今でもイーサリアムの主要な拡張戦略です。

Rollupを中心としたロードマップは明確な役割分担を提案しています: イーサリアムL1は強力で分散化された基盤層になることに専念し、L2はエコシステムの拡張を助ける任務を担います。このモデルは社会の中で非常に一般的で、法院システム(L1)が契約や財産権を保護するために存在するのに対し、起業家(L2)はこの基盤の上で革新を行います。

今年、このロードマップは重要な進展を遂げました: EIP-4844 ブロブの導入により、イーサリアム L1 のデータ帯域幅が大幅に増加し、複数の EVM ロールアップが第一段階に入りました。各 L2 は独自のルールとロジックを持つ「シャード」として存在し、シャーディングの実現方法の多様性は今や現実のものとなりました。しかし、この道は独特の課題にも直面しています。私たちの現在の任務は、ロールアップを中心としたロードマップを完成させ、これらの問題を解決しながら、イーサリアム L1 の堅牢性と非中央集権性を維持することです。

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ザ・サージ: 重要な目標

1. 未来イーサリアムはL2を通じて10万以上のTPSを達成できる。
2. L1の非中央集権性とロバスト性を維持する;
3. 少なくともいくつかのL2は、イーサリアムのコア属性(を完全に継承し、信頼性、オープン性、検閲耐性)を持っています;
4. イーサリアムは34の異なるブロックチェーンではなく、統一されたエコシステムのように感じるべきです。

この章の内容

1. スケーラビリティの三角の逆説
2. データ可用性サンプリングのさらなる進展
3. データ圧縮
4. 一般化プラズマ
5. 成熟したL2証明システム
6. クロスL2相互運用性の改善
7. L1での実行の拡張

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スケーラビリティ三角の逆説

スケーラビリティの三角形の逆説は、ブロックチェーンの非中央集権性、スケーラビリティ、およびセキュリティの間に矛盾が存在することを示しています。これは定理ではなく、逆説を打破することが困難であり、既存の思考の枠を超える必要があることを示しています。一部の高性能チェーンは三角逆説を解決したと主張していますが、これはしばしば誤解を招くものであり、これらのチェーン上でノードを運営することはイーサリアム上でより困難です。

しかし、データの可用性サンプリングとSNARKsの組み合わせは、確かに三角パラドックスを解決します：クライアントは少量のデータをダウンロードし、極めて少ない計算を実行するだけで、大量のデータの可用性と計算ステップの正確性を検証できます。SNARKsは信頼を必要とせず、データの可用性サンプリングには微妙なfew-of-N信頼モデルがありますが、スケーラビリティのないチェーンの基本的な特性を保持しています。

Plasmaアーキテクチャは、データの可用性の監視責任をユーザーにインセンティブを与える形で押し付ける別のソリューションです。SNARKsの普及に伴い、Plasmaはより広範な使用シーンに対して実行可能になりました。

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データ可用性サンプリングのさらなる進展

私たちは何の問題を解決していますか？

現在、イーサリアムの12秒ごとのスロットには3つの約125 kBのblobがあり、データ利用可能な帯域幅は約375 kBです。取引データが直接チェーン上に公開されると仮定すると、ERC20の転送は約180バイトになるため、イーサリアム上のRollupの最大TPSは173.6です。さらにcalldataが加わると607 TPSに達します。PeerDASを使用することで、blobの数は8-16に増加し、calldataに463-926 TPSを提供します。

これは重要な進展ですが、まだ不十分です。私たちの中期目標は、各スロット16 MBであり、Rollupデータ圧縮の改善と組み合わせることで、約58000 TPSを達成します。

それは何ですか？どのように動作しますか？

PeerDASは「1Dサンプリング」の簡単な実装です。イーサリアムでは、各blobは253位素数体上の4096次多項式です。私たちは多項式のシェアをブロードキャストし、各シェアには8192個の座標の隣接する16個の座標における16個の評価値が含まれています。任意の4096個の評価値からblobを復元することができます。

PeerDASは各クライアントが少量のサブネットをリッスンすることを可能にし、第iのサブネットは任意のblobの第iサンプルをブロードキャストします。クライアントは、グローバルp2pネットワーク内のピアに問い合わせることで、他のサブネット上のblobをリクエストします。SubnetDASはサブネットメカニズムのみを使用し、追加のピアレイヤへの問い合わせはありません。現在の提案では、ステークプルーフに参加するノードはSubnetDASを使用し、他のノードはPeerDASを使用します。

理論的には、"1Dサンプリング"の規模を非常に大きく拡張することができます: blobの最大数を256に増やすと、16MBの目標に達し、各ノードは各スロットで1MBのデータを処理する必要があります。これはなんとか実行可能ですが、帯域幅が制限されたクライアントはサンプリングできなくなります。blobの数を減らし、blobのサイズを増やすことで最適化できますが、これにより再構築コストが高くなります。

したがって、私たちは最終的に2Dサンプリングを行いたいと考えています。これは、blob内だけでなく、blob間でランダムにサンプリングすることを含みます。KZGコミットメントの線形特性を利用して、新しい仮想blobのセットを通じてブロック内のblobセットを拡張し、これらの仮想blobは同じ情報を冗長にエンコードしています。

2Dサンプリングは分散型ブロック構築に適しており、実際にブロックを構築するノードはblob KZGコミットメントを持っていれば十分であり、データ可用性サンプリングに依存してデータブロックの可用性を検証できます。1D DASも本質的に分散型ブロック構築に適しています。

何をまだする必要がありますか？どのようなトレードオフがありますか？

次はPeerDASの実装とローンチを完了させることです。その後、PeerDAS上のblobの数を増やし続け、ネットワークを注意深く監視し、セキュリティを確保するためにソフトウェアを改善する必要があります。また、PeerDASとフォーク選択ルールのセキュリティなどの問題との相互作用を標準化するために、より多くの学術的な作業が必要です。

将来的には、2D DASの理想的なバージョンを特定し、その安全性を証明する必要があります。また、KZGから量子安全で信頼できる設定を必要としない代替案に移行したいと考えていますが、現在、分散型ブロック構築に適した候補が何であるかは不明です。

私が考える長期的な現実の道筋は:

1. 理想的な 2D DAS を実装します。
2. 1D DASの使用を貫き、サンプリング帯域幅の効率を犠牲にし、単純性と堅牢性のために低いデータ上限を受け入れる;
3. DAを放棄し、Plasmaを主要なLayer2アーキテクチャとして完全に受け入れる。

L1層で直接拡張を実行することを決定した場合でも、この選択肢は存在します。L1が大量のTPSを処理する必要がある場合、L1ブロックは非常に大きくなり、クライアントはその正確性を効率的に検証する必要があります。したがって、私たちはL1層でRollupと同じ技術を使用しなければならないでしょう。

どのようにロードマップの他の部分と相互作用しますか?

データ圧縮を実現すれば、2D DASの需要は減少または遅延し、Plasmaが広く使用されると、需要はさらに減少します。DASは、分散型ブロック構築プロトコルとメカニズムにも課題を提起します。DASは理論的には分散再構築に優しいですが、これは実際にはパッケージインクルージョンリスト提案とその周囲のフォーク選択メカニズムと組み合わせる必要があります。

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データ圧縮

私たちは何の問題を解決していますか？

Rollupにおける各取引は大量のオンチェーンデータスペースを占有します:ERC20の転送には約180バイトが必要です。理想的なデータ可用性サンプリングがあっても、これによりLayerプロトコルのスケーラビリティが制限されます。各スロットは16MBで、私たちは次のようになります:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

もし私たちが分子の問題だけでなく、分母の問題も解決でき、各Rollup内の取引がチェーン上でより少ないバイトを占めることができたら、どうなるでしょうか？

それは何ですか、どのように機能しますか？

ゼロバイト圧縮中、長いゼロバイト列を2バイトで置き換え、ゼロバイトの数を表します。さらに、私たちは取引の特定の属性を利用しました:

署名の集約: ECDSA署名からBLS署名に切り替え、BLS署名は単一の署名に組み合わせることができ、すべての元の署名の有効性を証明します。L1では、検証計算コストが高いため、BLS署名の使用は考慮されません。しかし、L2のようなデータが不足している環境では、BLS署名の使用は意味があります。ERC-4337の集約機能は、この機能を実現するための道を提供します。

アドレスをポインタで置き換える：以前に使用したアドレスがある場合、20バイトのアドレスを履歴内の特定の位置を指す4バイトのポインタに置き換えることができます。

取引値のカスタムシリアライズ:ほとんどの取引値の桁数は少なく、例えば0.25 ETHは250,000,000,000,000,000 weiとして表されます。最大基礎手数料と優先手数料も同様です。したがって、ほとんどの通貨値を表すためにカスタムの10進浮動小数点形式を使用できます。

まだ何をする必要がありますか、どのようなトレードオフがありますか？

次に主に行うべきことは、上記の計画を実際に実行することです。主なトレードオフには次のものが含まれます:

1. BLS署名に切り替えるには大きな努力が必要であり、信頼できるハードウェアチップとの互換性が低下します。別の署名方式のZK-SNARKパッケージを代替として使用できます。

2. 動的圧縮(のように、ポインタを使ってアドレス)を置き換えると、クライアントコードが複雑になります。

3. 状態の差異を取引ではなくチェーン上に公開することは、監査可能性を低下させ、多くのソフトウェア(、例えばブロックエクスプローラー)が機能しなくなる。

どのようにロードマップの他の部分と相互作用しますか?

ERC-4337を採用し、最終的にその一部をL2 EVMに取り込むことで、アグリゲーション技術の展開を大幅に加速することができます。ERC-4337の一部をL1に配置することで、L2での展開を加速することができます。

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一般化プラズマ

私たちは何の問題を解決していますか？

16 MBのblobとデータ圧縮を使用しても、58,000 TPSは消費者の支払い、分散型ソーシャル、または他の高帯域幅分野のニーズを完全に満たすには不十分かもしれません。特に、プライバシー要因を考慮すると、スケーラビリティが3〜8倍低下する可能性があります。高取引量、低価値のアプリケーションシナリオにおいて、現在の選択肢の1つはValidiumを使用することです。これはデータをチェーン外に保存し、興味深いセキュリティモデルを採用しています：オペレーターはユーザーの資金を盗むことはできませんが、すべてのユーザーの資金を一時的または永続的に凍結する可能性があります。しかし、私たちはもっと良いことができます。

それは何ですか、どのように機能しますか？

Plasmaはスケーリングソリューションの一つで、オペレーターがブロックをオフチェーンに公開し、これらのブロックのMerkleルートをオンチェーンに置くことに関与します。各ブロックについて、オペレーターは各ユーザーにMerkleブランチを送信し、そのユーザーの資産の変動または未変動を証明します。ユーザーはMerkleブランチを提供することで資産を引き出すことができます。重要なのは、このブランチのルートは最新の状態である必要はありません。したがって、データの可用性に問題が発生しても、ユーザーは利用可能な最新の状態を引き出すことで資産を回復できます。ユーザーが無効なブランチを提出した場合は、オンチェーンのチャレンジメカニズムを通じて資産の帰属を判断できます。

初期のPlasmaバージョンは、支払いユースケースのみを処理でき、効果的に普及することができませんでした。しかし、各ルートがSNARKで検証されることを要求すれば、Plasmaははるかに強力になります。各チャレンジゲームは大幅に簡素化でき、オペレーターの不正行為のほとんどの可能性のあるルートを排除しました。同時に、Plasma技術がより広範な資産クラスに拡張できる新しいルートも開かれました。最後に、オペレーターが不正行為をしない場合、ユーザーはチャレンジ期間の1週間を待たずに即座に資金を引き出すことができます。

EVM Plasmaチェーンを作成する方法の一つ(は唯一の方法ではありません): ZK-SNARKを使用して並列UTXOツリーを構築し、EVMが行った残高の変化を反映し、歴史の異なる時点での「同じトークン」の唯一のマッピングを定義します。その上にPlasma構造を構築することができます。

一つの重要な洞察は、Plasmaシステムは完璧である必要がないということです。たとえあなたが資産のサブセット(のみを保護できるとしても、過去のように。