イーサリアム認証システムの未来の発展方向

イーサリアムの共同創設者であるヴィタリック・ブテリンは最近、一連の記事を発表し、イーサリアムプロトコルの将来の発展方向を探討しました。これらの記事は、イーサリアムのロードマップの6つの主要部分をカバーしており、合併(The Merge)、拡張(The Surge)、クリーンアップ(The Scourge)、検証(The Verge)、浄化(The Purge)、そして飛躍(The Splurge)を含んでいます。本記事では、ロードマップの第一部である「合併」に焦点を当て、認証メカニズムにおいてどのような改善が可能であり、これらの改善をどのように実現するかを探ります。

ブトリンは、「合併」がイーサリアムの歴史における最も重要なマイルストーンであり、作業証明(PoW)から認証(PoS)への移行を示すと考えています。現在、イーサリアムはPoSシステムとしてほぼ2年間安定して稼働しており、安定性、性能、分散化の面で優れた成果を示しています。しかし、PoSメカニズムにはまだ改善が必要な重要な分野がいくつかあります。

2023年のロードマップは以下のいくつかの側面に重点を置きます: 技術的特徴の改善(、安定性、パフォーマンス、そして小規模な検証者のアクセス可能性)、さらに中央集権リスクに対処するための経済改革の実施。ブトリンは、これは詳細な改善リストではなく、現在積極的に検討されているいくつかのアイデアであると強調しました。

! 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): 現在、イーサリアムのブロックは最終的に確定するのに約15分かかります。コンセンサスメカニズムの効率を向上させることで、この時間を大幅に短縮し、ブロックが同じタイムスロット内で提案され最終的に確定できるようにします。

2. 中央集権を保ちながら、取引の最速の確認と完了を実現する。

3. 独立したステーキング者の参加可能性を向上させる。

4. システム全体の健全性を強化する。

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

単一時間隙の決定性とステーキングの民主化

現在、イーサリアムは2-3エポック(約15分)を必要とし、最終的に1つのブロックを確定するために、少なくとも32 ETHが必要です。これは3つの目標の間のトレードオフの結果です:

• 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(を達成するために、攻撃者は確定したブロック)を取り消すために大量のETHを破棄する必要があります。そのため、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。

理想的には、イーサリアムは経済的な最終性を維持しながら2つの目標を達成したいと考えています:

1. 1つのタイムスロット内で(理想的には現在の12秒の長さ)を維持または短縮してブロックの最終確定を行う、15分ではなく。

2. 最低ステーキングのハードルを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障の恩恵を受けることを保証できます。第二点は、独立したステーキング者をサポートし、参加のハードルを下げるのに役立ちます。

しかし、これら二つの目標は、コストの最小化という目標と対立しています。これが、イーサリアムが最初に単一スロット決定論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

多数のバリデーターがいる中で単一スロットの確定性を実現し、ノード運営コストが過度に高くならないようにするために、現在いくつかの主要な解決策があります:

1. 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開発し、ZK-SNARKs技術を使用することで、単一のタイムスロット内で数百万のバリデーターの署名を処理することが可能になる。

2. Orbit委員会: これは、新しいメカニズムであり、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、同時に攻撃コスト特性を保持します。Orbitは、検証者のデポジット規模の異質性を利用して、経済的最終性と小型検証者の参加の間でバランスを取ります。

3. デュアルステーキング: このメカニズムでは、2種類のステーキング者が設定されており、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。低いレベルの預金者の権利と責任に関しては、委託ステーキングやランダム抽選によるブロック確認への参加など、さまざまな提案があります。

各ソリューションにはそれぞれの利点と欠点があり、安全性、非中央集権性、技術的実現可能性の間でバランスを取る必要があります。

! 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

現在、次のブロックの提案者は事前に知ることができ、これがセキュリティホールを生じさせる可能性があります。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、ブロックを提案しようとする際にDoS攻撃を開始する可能性があります。

この問題を解決する最良の方法は、次のブロック提案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。単一の秘密リーダー選挙プロトコルは、暗号技術を使用して各検証者に「盲」検証者IDを作成し、その後、複数の提案者が盲IDプールを再構成して再暗号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重要であり、さらなる複雑さの増加は望ましくありません。現在、リング署名を使用した簡略化されたSSLEスキームの探索が行われていますが、効果的な量子耐性SSLEを実現する方法などの問題を解決する必要があります。

より速い取引確認

さらに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、ユーザー体験が大幅に改善され、DeFiプロトコルの効率が向上し、L2がより分散化されます。主に2つの技術的アプローチがあります:

1. 時間の隙間を8秒または4秒に短縮する。
2. 提案者が単一の時間スロット中に事前確認を発行することを許可します。

しかし、隙間時間を短縮することは、特定の地域のステーキング者が証明をタイムリーに取得することが難しいため、バリデーターの集中化リスクを高める可能性があります。プリコンファーム方式は平均確認時間を改善することができますが、最悪のケースでのパフォーマンスを改善することはできず、プリコンファームをどのように促進するかは依然として解決されていない問題です。

! 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

潜在的な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抗する代替案を積極的に開発する必要があります。現在、楕円曲線に依存してい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、認証設計において保守的な性能仮定を採用する合理性を証明し、より積極的に量子攻撃に対抗する代替案を開発する理由でもあります。

まとめ

イーサリアム認証システムの技術進化は挑戦に満ちています。これらの挑戦に対処するために、単一タイムスロットの最終的な確定性、ステーキングの民主化、単一の秘密リーダー選挙、より迅速な取引確認、そして量子攻撃に対する代替案の開発は、イーサリアムが解決すべき重要な問題です。

ブトリンは"合併"アップグレードについて包括的な考察を行い、複数の技術的ソリューションの組み合わせを提案し、認証技術の設計の可能性と現在の実行可能なアップグレードの道筋について議論しました。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行い、さまざまな選択肢の間でトレードオフを図り、より高い安全性、性能、分散化の程度を実現するために最適な発展の道を見つけ出そうとしています。

! 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