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イーサリアムPoS進化ロードマップ：単一タイムスロットの確定性とステークの民主化の技術的課題
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Vitalik Buterinは最近、イーサリアムプロトコルの将来の発展方向について探討した一連の文章を発表しました。これらの文章は、イーサリアムのロードマップの6つの主要な部分をカバーしており、The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge、そしてThe Splurgeが含まれています。本記事では、ロードマップの第一部であるThe Mergeに重点を置き、認証(PoS)メカニズムにおける改善可能な技術設計について探討し、これらの改善を実現する可能な方法について考察します。
"合併"はイーサリアムの歴史上最も重要なマイルストーンイベントと見なされており、作業証明(PoW)から認証(PoS)への移行を示しています。現在、イーサリアムは安定したPoSシステムとしてほぼ2年が経過し、安定性、パフォーマンス、分散化の面で優れた結果を示しています。しかし、認証メカニズムには依然として重要な改善が必要な分野がいくつかあります。
イーサリアム2023年の発展ロードマップは、二つの側面に重点を置いています。一つは、安定性、パフォーマンス、小規模バリデーターのアクセス性を向上させるなどの技術的特性の改善です。もう一つは、中央集権的リスクに対処するための経済モデルの調整です。注目すべきは、Vitalikがこれらは認証改善の包括的なリストではなく、現在積極的に検討されているアイデアであると強調していることです。
! 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
単一スロットの決定性(SSF)を実現する：現在、イーサリアムのブロックは約15分で最終的に確定します。コンセンサス機構の効率を向上させることで、この時間を大幅に短縮し、ブロックを同じスロット内で提案し、最終的に確定できるようにします。
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。
独立したステーキング者の参加可能性を高める。
システムの堅牢性を強化する。
イーサリアムの51%攻撃に対する抵抗力と回復能力を向上させること、最終性の逆転、最終性の阻止、検閲を防ぐことを含む。
単一タイムスロットの決定論とステーキングの民主化
現在、イーサリアムのブロックの最終確定には2-3エポック（約15分）が必要で、バリデーターになるには32 ETHが必要です。これは3つの目標の間でのトレードオフの結果です：
これらの三つの目標には矛盾があります。経済的最終性（つまり、攻撃者が確定したブロックを取り戻すために巨額のコストを支払う必要があること）を実現するためには、毎回の確定時に各バリデーターが二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非常に多い場合、すべての署名を処理するのに長時間かかるか、または同時に大量の署名を処理できる超高性能の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、成功した攻撃であっても攻撃者に高いコストをもたらすことを保証することであり、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、ランダムに選ばれた委員会によって各タイムスロットを最終決定します。しかし、この方法の問題は、攻撃者が51%のバリデーターを制御している場合、攻撃コストが非常に低いことです：委員会の中で一部のノードのみが攻撃に参加したと見なされて罰せられるため、攻撃者はそのチェーンを何度も攻撃することが可能です。
したがって、イーサリアムが経済的最終性を実現するためには、単純な委員会ベースの方法は実行不可能であり、全体の検証者の参加が必要です。
理想的には、イーサリアムは経済的な最終性を保持しつつ、2つの側面で現状を改善することを望んでいます。
スロット内でブロックの最終確定を行う（理想的には、現在の12秒のスロットの長さを維持または短縮する）、15分ではなく。
ステーキングのハードルを32 ETHから1 ETHに引き下げ、より多くのユーザーがステーキングに参加できるようにします。
第一点は、すべてのイーサリアムユーザーがより高いレベルのセキュリティ保護から恩恵を受けられることを保証できます。現在、ほとんどのユーザーは15分待つことを望んでおらず、その保護を享受できません。単一の時隙決定論的メカニズムを通じて、ユーザーは取引確認後ほぼ即座に取引の最終確定を確認できます。さらに、ユーザーとアプリケーションがチェーンのロールバックの可能性を心配する必要がなくなれば、プロトコルや周辺インフラストラクチャが大幅に簡素化されます。
第二点は独立したステーキング者をサポートすることを目的としています。複数の世論調査により、32 ETHの最低限度が独立したステーキングの主要な障壁であることが示されています。門戸を1 ETHに引き下げることで、この問題は効果的に解決されるでしょう。
しかし、現在直面している課題は、より速い確定性とより民主的なステークの目標がコスト最小化の目標と矛盾していることです。これがイーサリアムが初めて単一スロットの確定性を採用しなかった理由でもあります。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の決定論的提案
検証者の数が非常に多い状況で単一スロットの決定性を実現しつつ、ノードの運営コストが過度に高くならないように、現在いくつかの先進的な解決策があります。
ブルートフォース攻撃：より効率的な署名集約プロトコルを実現するために、ZK-SNARKs技術を使用する可能性があり、数百万の検証者の署名を単一のスロットで処理することが可能になります。Hornは、より良い集約プロトコルを設計するために提案された提案の一つです。
Orbit委員会：これは、新しくランダムに選ばれた中型委員会がチェーンの最終確定性を担当し、高い攻撃コストの特性を保持することを可能にするメカニズムです。Orbitは、バリデーターの預金規模における既存の異質性を利用し、最大の経済的最終性を得ると同時に、小型バリデーターにマッチングの役割を与えます。
ダブルステーキング：このメカニズムは2種類のステーカーを設定しており、一方は高い預金要件、もう一方は低い預金要件です。高い預金要件のレベルのみが経済的最終性を提供するために直接参加します。低いレベルの預金に関する権利と責任については、さまざまな提案が既に存在します。
各ソリューションには利点と欠点があり、イーサリアムの安全性とステーキングの中央集権化の程度との間でバランスを取る必要があります：ブルートフォース攻撃のアプローチは実行可能ですが、非常に短期間で大量の署名を集約する必要があり、技術的な難易度が非常に高いです；Orbit委員会はその安全性と特性を検証し、正式化と実施を行う必要があります；二重ステーキングメカニズムは中央集権のリスクに直面しており、そのリスクの程度は低いステーキングレイヤーが得る具体的な権利に大きく依存します。
! 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
シングルシークレットリーダー選挙
単一の秘密リーダー選挙は、イーサリアム認証システムにおける重要な問題でもあります。現在、どのバリデーターが次のブロックを提案するかを事前に知ることができるため、セキュリティ上のリスクがあります。攻撃者はネットワークを監視し、バリデーターのIPアドレスを特定し、バリデーターがブロックを提案しようとする際にDoS攻撃を行うことができます。
この問題を解決する最良の方法は、次のブロック生成者の情報を隠すことであり、少なくともブロックが実際に生成される前に秘密にすることです。
単一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、複数の提案者にブラインドIDプールを再構成し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リーダー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さは非常に重要であり、その複雑さをさらに増すことは望まれていません。リング署名を使用した簡略SSLEは数百行の規範コードしか使用していませんが、複雑な暗号の中に新しい仮定を導入しています。
十分効果的な量子耐性SSLEを実現することも課題です。最終的には、他の理由からL1イーサリアム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「限界的追加の複雑性」が十分に低いレベルに下がる可能性があります。
より速い取引確認
イーサリアムの取引確認時間をさらに短縮（12秒から4秒に短縮）することで、L1およびロールアップに基づくユーザーエクスペリエンスが大幅に改善され、DeFiプロトコルがより効率的になります。また、L2の分散化を促進し、より多くのL2アプリケーションがロールアップ上で実行できるようになり、L2が委員会に基づく分散型ソートを構築する必要性を減少させます。
２つの主要な技術ソリューションがあります：
しかし、現在、スロット時間を短縮することの実現可能性は不明です。現在でも、多くの地域のステーキング者は十分に迅速に証明を得ることが難しいです。4秒のスロット時間の試みは、バリデーターの集中化のリスクをもたらす可能性があり、ネットワーク遅延のため、少数の地理的に恵まれた地域を除いてバリデーターになることは現実的ではないかもしれません。
提案者の事前確認方法は、平均的な取り込み時間を大幅に改善することができますが、最悪のケースを改善することはできません。さらに、事前確認をどのように促進するかは、依然として解決すべき問題です。
! イーサリアムプロトコル技術アップグレードの見通し分析(1):マージ
量子攻撃に対する耐性
未来の量子コンピュータの脅威に直面して、イーサリアムは積極的に量子攻撃に対する代替案を開発する必要があります。現在、楕円曲線に依存している各イーサリアムプロトコル部分には、ハッシュまたは他の量子耐性技術に基づく代替案が必要です。これは、認証設計の性能仮定で保守主義を維持する合理性を強調しており、量子攻撃に対する代替案のより積極的な開発の動機でもあります。
まとめ
イーサリアム認証システムは、技術進化の道のりで多くの課題に直面しています。独立したステーキングのハードルが高いため、Lidoを代表とするステーキングサービスプロバイダーがイーサリアムノードのステーキングの主要な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、単一の時間スロットによる最終的な確定性とステーキングの民主化、単一の秘密リーダー選挙、取引確認の加速、量子攻撃に対する代替手段の開発は、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の包括的な考察を行い、複数の技術的解決策の組み合わせを提案し、イーサリアムのPoS認証技術の設計の可能性と現在の実行可能な技術アップグレードの道筋を探りました。
技術のアップグレード過程において、イーサリアムは絶えず探索と革新を続け、異なる技術ソリューションの間で選択を慎重に行い、最も適した発展の道を見つけて、より高い安全性、パフォーマンス、そして非中央集権の度合いを実現しています。
! 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