イーサリアム認証システムの技術進化の道

イーサリアムの共同創設者であるVitalik Buterinは、最近イーサリアムの未来の発展に関する一連の記事を発表し、イーサリアムのロードマップの6つの重要な部分をカバーしました。本記事では、ロードマップの第一部「The Merge」に焦点を当て、認証(PoS)メカニズムにおいてどのような技術設計の改善が可能か、そしてこれらの改善を実現するための可能な方法について探ります。

"合併"はイーサリアムの歴史の中で最も重要なイベントの一つと見なされており、作業証明(PoW)から認証(PoS)への移行を示しています。約2年間の安定した運用を経て、イーサリアムのPoSシステムは安定性、パフォーマンス、及び分散化において優れた成果を示しています。しかし、認証メカニズムには依然として重要な分野がいくつかあり、さらなる改善が必要です。

2023年のイーサリアムの発展ロードマップは主に二つの側面に焦点を当てています。一つは、安定性、性能、小型バリデーターのアクセシビリティを向上させるなど、技術的特性の改善です。もう一つは、経済メカニズムの変革を通じて中央集権リスクに対処することです。これらのアイデアは、認証に対する包括的な改善リストではなく、現在積極的に検討されている提案であることに注意が必要です。

! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通しの分析(1):マージ

マージの主な目的

1. 単一タイムスロットの確定性(SSF): ブロックの最終確定時間を15分から大幅に短縮し、理想的には同一タイムスロット内でブロックを提案し最終確定することを実現します。

2. 中央集権を維持しながら、最速で取引を確認し、完了させる。

3. 独立したステーキング参加者の参加可能性を高める。

4. システムの堅牢性を強化する。

5. イーサリアムの51%攻撃に対する耐性を高めること、最終性の逆転を防ぎ、最終性を阻止し、検閲を防ぐことを含む。

単時隙確定性とステーキングの民主化

現在、イーサリアムのブロックは約15分で確定する必要があり、32 ETHを必要としています。これは3つの目標の間でのバランスの結果です:

• ステーキングに参加するバリデーターの数を最大化する
• ファイナライズ時間の最小化
• ノードの運用コストを最小化する

この3つの目標には矛盾があります。経済的最終性(を実現するためには、攻撃者が大量のETHを破壊する必要があり、確定したブロック)を復元する必要があります。毎回確定する際には、各バリデーターが2つのメッセージに署名する必要があります。したがって、バリデーターの数が多い場合、すべての署名を処理するのに長い時間がかかるか、すべての署名を同時に処理できる非常に強力なノードが必要になります。

イーサリアムの核心目標の一つは、攻撃が成功した場合でも、攻撃者が高い代償を払わなければならないことを確保することです。これが「経済的最終性」の意味です。それに対して、経済的最終性を持たないブロックチェーン(、例えばAlgorand)は、各タイムスロットを決定するためにランダムに選ばれた委員会を採用していますが、この方法の問題は、攻撃者が51%の検証者を支配した場合、攻撃コストが非常に低いことです。

したがって、イーサリアムは経済的最終性を実現するために全ての検証者の参加が必要であり、委員会に基づく単純な方法を採用することはできません。

理想的には、イーサリアムは経済的な最終性を保持しながら、2つの改善を実現したいと考えています:

1. 1つのタイムスロット内でブロック確定(理想的には現在の12秒のタイムスロットの長さを維持または短縮する)
2. ステーキングの敷居を32 ETHから1 ETHに引き下げる

第一点はすべてのユーザーがより高いレベルのセキュリティ保護を享受し、プロトコルと周辺インフラを簡素化できるようにします。第二点は独立したステーキング者を支援し、32 ETHの最低限度が個人の参加を妨げる問題を解決するのに役立ちます。

しかし、より迅速な確定性とより民主的なステーキングの目標は、コストを最小限に抑える目標と対立しています。これが、イーサリアムが当初、単一のスロット確定性を採用しなかった理由です。しかし、最近の研究ではいくつかの可能な解決策が提案されています。

! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通しの分析(1):マージ

単一タイムスロット決定論的提案

大規模なバリデーターの参加がある中で、単一のタイムスロットの決定性を実現し、ノードの運営コストが過度に高くならないようにするために、現在いくつかの先進的なソリューションがあります:

1. サインアグリゲーションプロトコルを改善し、ZK-SNARKs技術を利用することで、単一のタイムスロット内で数百万のバリデーターのサインを処理することを可能にします。Hornは、アグリゲーションプロトコルを改善するために提案されたソリューションです。

2. Orbit委員会メカニズムは、ランダムに選ばれた中型委員会がチェーンの最終確定を担当し、高い攻撃コストの特性を保持します。Orbitは、バリデーターの預金規模の異質性を利用して、経済的最終性を保証しつつ、小型バリデーターにマッチする役割を割り当てます。

3. 二重ステーキングメカニズムでは、二種類のステーカーを設定します: 一つは高い預金を必要とし、もう一つは比較的低い預金要件です。高い預金層のみが経済的最終性の提供に直接参加します。低い預金層の権利と責任については、委託ステーキング権、ランダム抽選によるブロック確認への参加、リストへの生成権など、さまざまな提案が既にあります。

各方案にはそれぞれの長所と短所があります:ブルートフォース攻撃は技術的に困難であり;Orbit委員会は安全性と特性を検証する必要があります;二重ステーキングメカニズムは中央集権化のリスクに直面する可能性があります。

シングルシークレットリーダー選挙

現在、次のブロックの提案者は事前に知ることができ、これにはセキュリティの脆弱性があります: 攻撃者はネットワークを監視し、検証者のIPアドレスを特定し、彼らがブロックを提出しようとする際にDoS攻撃を仕掛ける可能性があります。

単一の秘密リーダー選挙プロトコルは、各バリデーターに「ブラインド」バリデーターIDを作成し、その後、複数の提案者がブラインドIDプールを再構成および再ブラインド化する機会を与えることで、この問題を解決します。

しかし、十分に単純な単一の秘密指導者選挙プロトコルを実現することは容易ではありません。イーサリアムプロトコルの簡潔性は非常に重要であり、さらなる複雑さの増加は望まれていません。リング署名を使用した簡略化されたSSLEスキームは数百行の規範コードしか使用していませんが、新しい暗号仮定を導入しました。

十分効率的な量子耐性SSLEを実現することも課題です。おそらく、他の理由からL1エーテルプロトコルに汎用ゼロ知識証明を実行するメカニズムを導入した場合にのみ、SSLEの追加の複雑性が許容可能なレベルに低下するでしょう。

! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通しの分析(1):マージ

より速い取引確認

イーサリアムの取引確認時間を12秒から4秒に短縮することで、L1およびrollupsに基づくユーザー体験が大幅に向上し、DeFiプロトコルの効率が向上し、L2がより分散化されます。

主な技術路線は2つあります:

1. インターバル時間を8秒または4秒に短縮する
2. 提案者が単一のタイムスロット内で事前確認を発表することを許可する

しかし、スロット時間を短縮することの実現可能性はまだ不確かです。現在でも、多くの地域のステーキング者は十分に速く認証を取得することが難しいです。4秒のスロットは、バリデーターの集中化を引き起こし、ほとんどの地域がバリデーターになることを難しくする可能性があります。

プレ確認方法は平均的な取り込み時間を改善できますが、最悪のケースを改善することはできません。さらに、プレ確認をどのように動機づけるかは依然として解決すべき問題です。

量子攻撃耐性の代替案

未来の量子コンピュータの脅威に直面して、イーサリアムは量子攻撃に対する代替案を積極的に開発する必要があります。現在、楕円曲線に依存する各プロトコル部分は、ハッシュまたは他の量子耐性の代替案に基づく必要があります。これは、認証設計の性能仮定において保守的であることが合理的であることを示しています。

! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通し分析(1):マージ

サマリー

イーサリアム認証システムの技術進化は多くの課題に直面しています。単独のステーキングのハードルが高いため、Lidoをはじめとするステーキングサービスプロバイダーがノードのステーキングの第一選択肢となっており、二重ステーキングプランにもある程度の中央集権的リスクが存在します。

これらの課題に対処するために、単一タイムスロットの決定性とステーキングの民主化、単一の秘密指導者の選挙、より迅速な取引確認、ならびに量子攻撃に対する代替策の開発は、イーサリアムが解決すべき重要な問題です。

ヴィタリックは「ザ・マージ」アップグレードについて広範な考察を行い、さまざまな技術的解決策の組み合わせを提案し、PoS技術設計の可能性と実行可能なアップグレードの道筋について探討しました。

技術アップグレードの過程で、イーサリアムは継続的に革新を探求し、さまざまなソリューションの間でトレードオフを行い、最も適した発展の道を見つけ、高い安全性、性能、そして分散化の程度を実現しています。

! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通し分析(1):マージ