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2つのスケーリング戦略を含んでいました: シェーディングとLayer2プロトコル。シェーディングでは、各ノードが取引の一部のみを検証し保存する必要があり、Layer2は主チェーンの外に大部分のデータと計算を保持します。この2つの方法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、これは現在のイーサリアムの拡張戦略となっています。

Rollupを中心にしたロードマップは、シンプル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焦点を当て、L2はエコシステムの拡張を助ける役割を担います。このモデルは社会でよく見られます: 裁判所システム(L1)は契約と財産権を保護するために存在し、起業家(L2)はその基盤の上に構築します。

今年、Rollupを中心にしたロードマップは重要な進展を遂げました:EIP-4844の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 Rollupが第一段階に入りました。各L2は独立した「シャーディング」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となりました。しかし、この道は独自の課題にも直面しています。私たちの現在の課題は、Rollupを中心に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. 未来のイーサリアムはL2を通じて10万以上のTPSに達することができます;
2. L1の分散化と堅牢性を維持する;
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、信頼性があり、オープンで、検閲耐性があります);
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。

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スケーラビリティの三角悖論

スケーラビリティの三角悖論は、ブロックチェーンの3つの特性の間に矛盾が存在することを主張します: 分散化、スケーラビリティ、そしてセキュリティです。これは、ヒューリスティックな数学的議論を提供します: 分散化に優しいノードが毎秒N件のトランザクションを検証でき、あなたが毎秒k*N件のトランザクションを処理するチェーンを持っている場合、(i)各トランザクションは1/kのノードしか見ることができず、これは攻撃者がわずかなノードを破壊するだけで悪意のあるトランザクションを通過させることができることを意味します。または、(ii)あなたのノードが強力になり、あなたのチェーンは分散化しなくなることになります。

しかし、データ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した：それはクライアントが少量のデータをダウンロードし、極めて少量の計算を実行するだけで、一定量のデータが利用可能であること、そして一定量の計算ステップが正しく実行されていることを検証できるようにします。別の解決策はPlasmaアーキテクチャで、データ可用性の監視の責任をユーザーに押し付けます。SNARKsの普及に伴い、Plasmaアーキテクチャはより広範な使用シーンに対してより実行可能になってきました。

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データ可用性サンプリングのさらなる進展

現在、イーサリアムの各スロットは12秒ごとに約125 kBのblobが3つあり、データ利用可能帯域幅は約375 kBです。取引データが直接チェーン上で公開されると仮定すると、ERC20の送金は約180バイトであるため、イーサリアム上のロールアップの最大TPSは173.6です。私たちの中期目標は各スロット16 MBであり、ロールアップのデータ圧縮の改善と組み合わせることで、約58000 TPSをもたらすでしょう。

PeerDASは"1D sampling"の比較的単純な実装です。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ますが、各シェアには合計8192の座標から隣接する16の座標の16の評価値が含まれています。この8192の評価値の中から、任意の4096の値を使ってblobを復元できます。

PeerDASの動作原理は、各クライアントが少数のサブネットを監視し、第iのサブネットが任意のblobの第iのサンプルをブロードキャストし、必要な他のサブネット上のblobを要求するためにグローバルp2pネットワーク内のピアに問い合わせることです。より保守的なバージョンのSubnetDASは、追加のピア層への問い合わせなしにサブネットメカニズムのみを使用します。

理論的には、「1Dサンプリング」の規模をかなり大きくすることができます: blobの最大数を256(に増やし、目標を128)にすると、16MBの目標を達成できますが、データ可用性サンプリングでは各ノードが各スロットで1MBのデータ帯域幅を処理する必要があります。これは、我々の許容範囲ぎりぎりであり、帯域幅に制限のあるクライアントはサンプリングできないことを意味します。

したがって、私たちは最終的にさらに進んで、2Dサンプリングを行いたいと考えています。それはblob内だけでなく、blob間でもランダムサンプリングを行います。KZGコミットメントの線形特性は、同じ情報に対して冗長エンコードされた新しい仮想blobリストを含む、1つのブロック内のblobセットを拡張するために使用されます。

重要なのは、コミットメントの拡張にblobが必要ないため、このソリューションは根本的に分散型ブロック構築に友好的であるということです。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よく、データ可用性サンプリング(DAS)を利用してデータブロックの可用性を検証できます。

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次に、PeerDASの実装と導入を完了させます。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観察し、ソフトウェアを改善して安全性を確保するという漸進的なプロセスです。また、PeerDASや他のバージョンのDAS、およびフォーク選択ルールの安全性などの問題との相互作用を規定するためのさらなる学術研究を望んでいます。

将来的なより遠い段階では、2D DASの理想的なバージョンを特定し、その安全特性を証明するために、さらなる作業を行う必要があります。また、最終的には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できることを望んでいます。

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を使用し続け、サンプリング帯域幅の効率を犠牲にし、シンプルさと堅牢性のためにデータ上限が低くなることを受け入れる
3. DAを放棄し、Plasmaを私たちの注目する主要なLayer2アーキテクチャとして完全に受け入れる。

ご注意ください。L1層で直接拡張実行を決定した場合でも、この選択肢は存在します。これは、L1層が大量のTPSを処理する必要がある場合、L1ブロックが非常に大きくなり、クライアントがそれらの正確性を検証するための効率的な方法を望むためです。そのため、我々はL1層でRollup(のZK-EVMやDAS)と同じ技術を使用しなければなりません。

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データ圧縮

Rollupの各取引は、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、これはLayerプロトコルのスケーラビリティを制限します。各スロットは16 MBで、私たちは得られます:

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るとしたら、どうなるでしょうか？

データ圧縮にはいくつかの方法があります:

• ゼロバイト圧縮: 長いゼロバイトシーケンスを2バイトで置き換え、ゼロバイトの数を示します。

• サインの集約: ECDSA署名からBLS署名に切り替え、BLS署名の特性は複数の署名を一つの署名にまとめることができ、その署名がすべての元の署名の有効性を証明できることです。

• ポインタでアドレスを置き換える: 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ル化:大多数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。最大基本手数料と優先手数料も同様です。したがって、私たちはカスタムの10進浮動小数点形式を使用して、大多数の通貨値を表現できます。

• 取引ではなく、有効性証明に基づくロールアップのリリース状態の違い。

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次に主に行うべきことは、上記の計画を実際に実現することです。主なトレードオフには次のようなものがあります:

1. BLS署名に切り替えるには多大な努力が必要であり、セキュリティを強化できる信頼性のあるハードウェアチップとの互換性が低下します。他の署名方式のZK-SNARKパッケージを代わりに使用できます。

2. 動的圧縮(例えば、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. ステータスの差異をトランザクションではなくチェーン上に公開すると、監査可能性が低下し、多くのソフトウェア(、例えばブロックエクスプローラー)が機能しなくなります。

ERC-4337を採用し、その一部を最終的にL2 EVMに組み込むことで、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での展開が加速されます。

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一般化プラズマ

16 MBのblobとデータ圧縮を使用しても、58,000 TPSでは消費者の支払い、分散型ソーシャル、または他の高帯域幅分野の需要を完全に満たすには不十分な場合があります。特にプライバシー要因を考慮し始めると、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、現在の選択肢の一つはValidiumを使用することで、これはデータをオンチェーンではなくオフチェーンに保存し、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。

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、そのブロックのマークルルートをオンチェーンに置くことを含みます(。Rollupとは異なり、Rollupは完全なブロックをオンチェーンに置きます)。各ブロックに対して、オペレーターは各ユーザーにマークルブランチを送信し、そのユーザーの資産に何が起こったか、または何が起こらなかったかを証明します。ユーザーはマークルブランチを提供することで、自分の資産を引き出すことができます。重要なのは、このブランチが最新の状態をルートとする必要はないということです。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、自分の資産を回復することができます。ユーザーが無効なブランチを提出した場合(、例えば、他の人に送信した資産を引き出す場合や、オペレーター自身が資産を無から創造した場合)、オンチェーンのチャレンジメカニズムによって資産の合法的な帰属が判断されます。

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、効果的にさらなる普及を進めることができませんでした。しかし、各ルートをSNARKで検証す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大部分の可能性の道を排除しました。同時に、Plasma技術がより広範な資産カテゴリーに拡張できる新しい道も開かれました。最後に、オペレーターが不正を行わない場合、ユーザーは挑戦期間を一週間待つことなく、即座に資金を引き出すことができます。

重要な洞察は、Plasmaシステムが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(、例えば、過去1週間内に移動していないトークン)のみを保護できるとしても、あなたはすでに現在の超スケーラブルEVM(、すなわちValidium)の状況を大幅に改善しています。

別のタイプの構造は、混合Plasma/Rollupです。例えば、Intmaxです。これらの構造は、各ユーザーのごく少量のデータをチェーン上に置きます(、例えば5バイト)。このようにすることで、PlasmaとRollupの間にある特性のいくつかを得ることができます：Intmaxの場合、非常に高いスケーラビリティとプライバシーを得ることができますが、理論的には16 MBの容量でも約16に制限されます。