Ethereumの未来について

詳細：

－マーケットキャップ（時価総額）で世界第2位のブロックチェーンであるEthereumは最近、The Mergeと呼ばれる大幅なソフトウェアアップグレードを受け、Proof-of-WorkからProof-of-Stakeコンセンサスに移行しました。 －移行は成功しましたが、Ethereumのスケーラビリティと、Web3開発の次の段階への準備情況については疑問が残ります。 －この記事では、Ethereumのスケーリングの課題を掘り下げ、主流の採用ニーズを満たす能力を評価します。 完璧なスケーリングソリューションはまだ存在しませんが、OptimisticとValidity Rollupを含むレイヤー2は、ブロックチェーンのトリレンマ（三者択一を迫られる難しい状況）との適切なトレードオフ（両立性）で、スケーラビリティを向上させる可能性が最も高いと言えるでしょう。 －より正確には、ZKPテクノロジーを使用したOptimistic RollupとValidity Rollupが、トラストレス（信用不要）で複雑でパーミッションレス（許可不要）なトランザクションを大規模に可能にすることで、Ethereumの未来を形作る鍵となるのです。

Ethereumのスケーリング：ソリューションの探求

多くのブロックチェーンと同様に、Ethereumは現在、限られたトランザクション処理能力に直面しています。 ETH転送と数千種類のDAppに対応しているにもかかわらず、使用量の増加により、トランザクションが遅くなり、より高くなりました。

高額な手数料を軽減するために、NFTマーケットプレイス向けのオフチェーンの中央集権型サービスなど、安全とは言い難い設計の採用が促されました。 EIP-1559の導入により、手数料の見積もりとインセンティブが改善されましたが、スケーラビリティは大幅には改善されていません。 スケーラビリティの課題は、スケーラビリティ、分散化、およびセキュリティという一般的なブロックチェーントリレンマが挙げられます。

ブロックチェーンのトリレンマは、分散化、セキュリティ、スケーラビリティという、3つの特性を同時に実現することは不可能であると主張されているのです。 Web2がすでに証明しているように、分散化を犠牲にして、スケーラブルで安全なシステムを構築する方がはるかに簡単と言えるでしょう。 一方、コンセンサス（合意形成）メカニズムを犠牲にしてスケーラビリティを優先した場合、無意味で安全性の低い分散型ブロックチェーンになります。 ブロックチェーンのトリレンマを解決することは非常に複雑であり、過去10年間続く課題です。

スループット（処理能力）の向上：複数のアプローチ

長年にわたり、Ethereumブロックチェーンのトリレンマを解決するために多くのソリューションが検討されてきました。 一般的な提案は、より大きなブロックまたは1秒あたりのブロックを構築することです。 これは良いアイデアのように思えるかもしれませんが、ブロックチェーンノードとバリデーター/マイナーに対するコンセンサスの要求が強まり、中央集権化が進みます。 また、再編成が遅れることで、セキュリティリスクが高まることも懸念されます。

1つの代替手段は、Polygonネットワークで見られるように、メインチェーンの負荷を軽減するためにサイドチェーンを作成することです。 このシステムは、セキュリティのトレードオフが伴います。なぜなら、Ethereumよりも弱いコンセンサス（少ないマーケットキャップ）に依存しているからです。 これは特定のユースケースには適しているかもしれませんが、集中化につながることが多く、Ethereumのスケーラビリティの問題に完全には対応していません。 とにかく、このシステムは、Visaのようなシステムを実行するために必要な、何万件もの要求を処理する能力からはほど遠いです。

レイヤー2とシャーディング（データ分割）：Ethereumのスケーラビリティの課題に対する解決策とは？

シャーディングとレイヤー2は、Ethereumがブロックチェーンのトリレンマを維持しながらスケーリングを改善するための最善策として広く認知されています。

ブロックチェーンのシャーディングは、ブロックチェーンのスケーラビリティの鍵と考えられてきました。 これは、BLS署名スキーム（構想）、PoSコンセンサス（合意）メカニズム、およびeWASMの実装への移行により、2019年のEth2.0の主な機能となったのです。 一方、レイヤー2は、ロールアップメカニズムの継続的な研究を通じて急速な進歩を遂げています。 これら2つの競合するアプローチの現在の状態と、それらの未来がどうなるのかを調べてみましょう。

ブロックチェーンのシャーディングの仕組みは？

シャーディングという用語は、データベースサイエンスに由来し、データベースをシャードと呼ばれる小さくて管理しやすい部分に水平に分割します。 各シャードは、データサブセットを含む個別のデータベースです。 シャーディングは、データとクエリを複数のサーバーに分散することでデータベースをスケーリングするために使用され、単一の強力なサーバーを必要とせずにデータベースが大量のデータを処理できるようにします。

この、ブロックチェーンでシャーディングを活用するというアイデアは、すぐに開発者の間で人気を博しました。 ブロックチェーンのシャーディングは、ネットワークをシャードと呼ばれる小さなサブネットワークに分割し、シャードによってトランザクションを並行して処理できるようにします。 シャードされたブロックチェーンでは、各シャードは独立して動作する個別のチェーンです。 これは、各ノード、マイナー/バリデーターが特定のシャードに集中してローカルコンセンサスを作成できることを意味します。 まず、これによりトランザクションを並行して処理することが可能です。 次に、各シャードで管理するトランザクションが少なくなります。 完璧に聞こえますが、弱点はないのでしょうか？

シャーディングの課題：コンセンサス、クロスシャード通信、およびセキュリティ

ブロックチェーンのシャーディングでは、全体的なコンセンサスを定義するのが容易ではありません。 ネットワークのグローバルコンセンサスとは何でしょか？ 各ローカルコンセンサスの結合でしょうか？ 誰もが信頼できるグローバルなコンセンサスを作成するために、これらのローカルコンセンサスを、どこでどのように固定できるでしょうか？ このような質問に答えるのは簡単ではありません。

シャーディングの実装におけるもう1つの重要な課題は、クロスシャード通信です。 データベースに関しては、この問題はありません。なぜなら、データが異なるシャードに分割されており、実際の問題なしに個別に読み取りや書き込みができるからです。 コードを実行するブロックチェーンシャードに関しては、これははるかに複雑です。 各シャードは、独自のコードを実行し、別のシャードのステート（状態）を参照し、別のシャードでコードを実行できる必要があります。 これは簡単なことではありません。

このシャーディングの難しさは、セキュリティの問題にも関係しています。 この問題は専門家たちによって研究されており、さまざまなシャーディングスキーム（構想）は、多くの新しい形式の攻撃を受けやすいと考えられています。 まず第一に、これは単純に、コンセンサスメカニズムに疑問を投げかけます。 10個のシャードがあり、マイナーがシャードごとに分散されている場合、1つのシャードを引き継ぐコストは、ブロックチェーン全体を引き継ぐコストの10分の1になります。 概略的には、51%攻撃が5.1%に変換されます。 これに対する1つの解決策は、コンセンサスメカニズムをプルーフオブワークからプルーフオブステークに変更することです。 これが、Ethereumがプルーフオブステークに移行した主な動機でした。

セキュリティの面では、The Mergeの影響が大きく議論されています。 分散化の面では、アップデートされたEthereumコンセンサスは、トークンの所有権がネットワーク制御を決定することを考慮し、中央集権化を支持。

Ethereumの新しいコンセンサスに関して、いくつかのパラメータが中央集権化を促進しました。

• Ethereumノードの実行は簡単ではなく、リソースとアップタイム（稼働時間）が必要です。 それにより単純に、ウォレットがそれを実装してラップトップやモバイルで実行するのが妨げられます。

• 32ETHのしきい値と、不明な日付までステーキングを解除できないという事実により、Lidoと取引所が市場の大部分を占めるプールとリキッドステーキングが作成されました。 現在、4アクター（組織）がEthereumブロックチェーンにステーキングされたコインの55%超を管理しています（Lido 29.2%、Coinbase 13.1%、Kraken 7.6%、Binance 6.2%）。

全体として、ブロックチェーンシャーディングはスケーラビリティを向上させるための興味深いアイデアですが、特に全体的なコンセンサスを定義し、効率的なクロスシャードプロトコルを実装する場合は、複雑なアーキテクチャが必要になります。 これらの目標に向けて多くの作業が行われてきましたが、それらを実装してブロックチェーンのトリレンマへの影響を把握するにはまだほど遠い状況です。

ロールアップが救世主となる

ロールアップは、複数のトランザクションを1つのトランザクションに圧縮してEthereumを実行可能にし、Ethereumのセキュリティを使用して多くのトランザクションをオフチェーンで実行できるようにします。 このアイデアには、主に2つの実装があります。

• 論争の際にユーザーが詐欺証明を発行できる、Optimistic Rollup
• L2ネットワークが有効性の証明を発行する、ZK Rollup

Optimistic Rollupとファイナリティ（トランザクションの保証）の問題：

Optimistic Rollupは、最もEVMに見えるロールアップとして設計されています。 Optimistic Rollupは楽観的です。なぜなら、ユーザーが不正なトランザクションを送信しておらず、ブロックチェーンへの直接的な書き込みを許可しているからです。

L2バリデーターが初期化して、数日以内（Optimismでは7日）以内に行われたオフチェーントランザクションをチェックできる、不正防止を使用するメカニズムがあります。 トランザクションプロセスの不正なステップを特定し、トランザクションの取り消しと承認するバリデーターへのペナルティとなる仕組みです。 これにより、Ethereumのメインチェーンのセキュリティを維持しながら、トランザクションのスループット（処理能力）が向上します。

ただし、Optimistic Rollupは、ファイナリティという新たな課題をも生み出すのです。 ブロックチェーンでは、承認されたトランザクションは永続的で取り消し不可能と見なされますが、これはコンセンサスメカニズムに依存します。 例えば、再編成の可能性が低い場合、PoWチェーンはトランザクションを最終的なものと見なし、Bitcoinトランザクションは6回の承認後に最終的なものとなります。 Optimistic Rollupでは、数日後にトランザクションが取り消される可能性があり、ファイナリティ（トランザクションの保証）の課題と別のトレードオフ（両立しない）が生じるのです。

別の種類のロールアップ：ZK-Rollup

ZK-Rollupは、SNARKやSTARKなどのZero-Knowledge Proof（ゼロ知識証明） (ZKP) テクノロジーの使用にちなんで名付けられたもので、別の種類のロールアップです。 ゼロ知識プロパティ（特質）は実際には役に立たないため、有効性ロールアップと呼ぶ方が正確な場合があります。

このロールアップはトランザクションのバッチを実行し、トランザクションの最終結果を承認する、Ethereumブロックチェーンのスマートコントラクトによって認証された、有効性の証明を生成します。 暗号証明は、ゼロ知識暗号プリミティブ（基本暗号）を使用して生成されます。

より広義には、ゼロ知識証明により、一方の当事者（証明者）が、実際の情報を明らかにすることなく、別の当事者（認証者）に特定の情報の所有を示すことが可能です。 証明者は、証明者のステートメントの内容を知ることなく、証明者のステートメントが真実であることに自信が持てます。

もともと機密性のために設計されたZKRollupは、圧縮とトラステッド（信頼された）コンピューティングという、まったく異なる目的でゼロ知識証明を使用します。 2つの主要なゼロ知識テクノロジーは、zk-STARK（ゼロ知識のスケーラブルで透過的な知識の引数を表す)と、zk-SNARK（ゼロ知識の簡潔で非対話的な知識の引数を表す）です。

L2のデータ可用性の問題：

これまで見てきたように、ZKPテクノロジーはL2ステート（状態）の有効性を保証しますが、証明だけではステートへのアクセスは提供されません。 スループット（処理能力）の向上には、オフチェーンで実行され、データは再構築のために容易にアクセスできる必要があります。 実現には、トランザクションデータはEthereumのコールデータ（calldata）として送信され、データが将来の再構築に利用可能でなければなりません。 また、このデータは、IPFSやArweaveなどの信頼できる分散ストレージに保存することもでき、誰でもL2を再構築し、分散されたストレージの内部インセンティブを活用可能です。

このデータをオンチェーンに保存する機能があれば良いのでしょうが、このデータはL2のステート/真理を再構築するためだけに機能し、実行されないため、ブロックチェーン容量の使用が非効率的で高価になります。

この難題に対処するために、Ethereumの開発者は、EIP-4488とEIP-4844の2つのEIPを提案しました（混乱しないように気を付けてください）。 1つ目はコールデータのガスコストを削減し、2つ目はL2データストレージの新しいトランザクションタイプを作成します。 このデータは不変で読み取り専用であり、EVMからアクセスできないため、実行できません。

これらのEIPは、まさに、ZKRollupロードマップが実行シャーディングロードマップと一致する場所であり、どちらも異なる目的に向けて同じ概念を提案しています。 EIP-4488は重要なL2データを保存することを目的としていますが、プロトダンクシャーディング（Proto-Danksharding）としても知られるEIP-4844は、ダンクシャーディングと実行シャーディングの実装に向けた一歩です。

ダンクシャーディング：

ダンクシャーディングでは、大規模なデータセットを小さな部分に分割して分離と処理を行います。これは、多くの場合並行して行われます。 この方法は、トレーニングセットが非常に大きくなる可能性があるビッグデータとAI分野で使用されます。

プロトダンクシャーディング（EIP-4844）はシャーディングを実装していませんが、シャーディング可能な安価なコールデータストレージを提供。 この安価なコールデータストレージにより、L2上のEthereumのスケーラビリティが大幅に向上し、シャーディングが冗長になる可能性があります。

プロトダンクシャーディング：

プロトダンクシャーディングにより、Ethereumブロックチェーンはスケーラブルでない計算とスケーラブルなデータを持つことになります。 そして、ZkRollupは基本的に、このスケーラブルなデータと、スケーラブルではないが信頼できる計算をスケーラブルな計算に変換します。

ブロックチェーンのトリレンマにおけるZKRollup：

ZKRollupには、基盤となるブロックチェーンプロパティ（特性）を変更することのない、強力なスケーラビリティの利点があります。 オンチェーンでゼロ知識証明を認証するのが主な要件である一方、データの可用性はオフチェーンで実装可能です。 長期的には、レイヤー1はシンプルで安全になり、できれば分散化される一方、レイヤー2はスケーラビリティを提供することが期待できます。

弱点は？

L2は確かに大幅に拡張可能と言えるでしょう。 しかし、オンチェーン（L1上）で決済するには、L2の全体的なステートの有効性の証明を作成する必要があり、集中化の問題が発生します。 現在、L2設計には証明者（prover）が1つしかないため、彼らはあなたのトランザクションを検閲可能です。 ネイティブブリッジが構築されているため、彼らはL1資産を実際に凍結させることはできません。 この課題に取り組むための研究が進行中であり、他の当事者が証明を発行できるようにしていますが、これらの証明間の仲裁にはいくつかの難しい問題が残っています。 いずれにせよ、これは今後解決すべき重要な問題です。

Starknetはこれをロードマップの重要なトピックとして特定しましたが、Arbitrumは、検閲が行われた場合に資金を確実に回収できるように、シーケンサーインボックス（遅延インボックスからトランザクションデータを取り込む）と遅延インボックス間で責任を分割しています。

最後に

これまで見てきたように、スケーラビリティはセキュリティと分散化を犠牲にする可能性がありますが、レイヤー2の解決策は、ブロックチェーンのトリレンマの他の側面を損なうことなく、スケーラビリティを向上させる最も有望な方法と見なされています。

ZKPテクノロジーを使用したOptimistic RollupとValidity Rollupが、トラストレス（信用不要）で複雑でパーミッションレス（許可なくアクセスできる自由参加型）なトランザクションを大規模に可能にすることで、Ethereumの未来を形作る上で不可欠です。 Validity Rollupには、Optimistic Rollupよりも大きな利点があります。それは、ファイナリティの短さです。 Ethereumのロードマップは最近、ブロックチェーンレベルでこれらのロールアップをサポートするように変更されました。

ブロックチェーンのスケーラビリティの未来には、レイヤー2（または再帰ロールアップ）で実行される複雑なDAppが含まれます。これにより、分散型で安全なレイヤー1が提供され、事実上無限のスケーラビリティが可能になるのです。 長期的には、レイヤー1が決済レイヤーになり、DAppの複雑さがレイヤー2に移行する可能性があります。