イーサリアムの可能性のある未来：The Surge

イーサリアムのロードマップは当初、2つのスケーリング戦略を含んでいました: シャーディングとLayer2プロトコル。シャーディングは各ノードが取引の一部だけを検証・保存することを可能にし、Layer2プロトコルはイーサリアムの上にネットワークを構築します。この2つの道は最終的に統合され、Rollupを中心にしたロードマップが形成され、今日に至るまでイーサリアムの主要な拡張戦略となっています。

Rollupを中心としたロードマップは、明確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専念し、L2はエコシステムの拡張を助ける役割を担います。このモデルは社会の中で非常に一般的であり、例えば裁判所システム(L1)が基盤保障を提供し、起業家(L2)がその上で発展を推進します。

今年、EIP-4844 blobs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、複数のイーサリアム仮想マシンRollupが第一段階に入っています。各L2は独自の内部ルールと論理を持つ「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と多元化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。私たちの現在の任務は、Rollupを中心としたロードマップを完成させ、これらの問題を解決しつつ、イーサリアムL1の堅牢性と分散化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の非中央集権性とロバスト性を維持する;
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、オープン性、検閲耐性)を持っています;
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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チャプター内容

1. スケーラビリティの三角パラドックス
2. データ可用性サンプリングのさらなる進展
3. データ圧縮
4. 一般化プラズマ
5. 成熟したL2証明システム
6. クロスL2相互運用性の改善
7. L1での実行の拡張

スケーラビリティのトライアングルの逆説

スケーラビリティの三角矛盾は、ブロックチェーンの三つの特性の間に矛盾があると考えています: 分散化、スケーラビリティ、そして安全性。この概念は厳密な数学的定理ではなく、啓発的な論点です。分散化に優しいノードが1秒間にN件の取引を検証でき、1秒間にk*N件の取引を処理するチェーンがある場合、取引は1/kのノードにしか見えない(安全性が低下する)か、ノードが強力になり(分散化が低下する)ということを指摘しています。

いくつかの高性能チェーンは三角パラドックスを解決したと主張していますが、実際にはこれらのチェーンを運営するノードはイーサリアムのノードよりも難しいです。しかし、データ可用性サンプリングとSNARKsの組み合わせは三角パラドックスを実際に解決しました: それはクライアントが少量のデータをダウンロードし、最小限の計算を実行することで、大量のデータの可用性と計算ステップの正確性を検証できることを可能にします。

三角の逆説を解決する別の方法はPlasmaアーキテクチャであり、それはデータの可用性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実現可能になりました。

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データの可用性サンプリングのさらなる進展

私たちはどんな問題を解決していますか？

2024年3月Dencunアップグレード後、イーサリアムは12秒ごとに3つの約125 kBのblobを持つslotがあり、各slotあたり約375 kBのデータ利用可能帯域幅があります。トランザクションデータが直接チェーン上で公開されると仮定すると、ERC20の転送は約180バイトであるため、イーサリアム上のRollupの最大TPSは173.6です。イーサリアムのcalldataを加えると、607 TPSに達します。PeerDASを使用すると、blobの数は8-16に増加し、calldataに463-926 TPSを提供します。

これはイーサリアムL1の重大な向上ですが、まだ不十分です。私たちの中期目標は、各スロット16 MBであり、Rollup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。

それは何ですか？どのように機能しますか？

PeerDASは「1Dサンプリング」の比較的単純な実装です。イーサリアムでは、各blobは253ビットの素数体上の4096次の多項式です。私たちは多項式のシェアをブロードキャストし、各シェアは合計8192個の座標の隣接する16個の座標からの16個の評価値を含みます。この8192個の評価値の中から、任意の4096個を使ってblobを復元できます。

PeerDASは各クライアントが少量のサブネットを監視し、グローバルなp2pネットワーク内のピアに問い合わせることで他のサブネット上のblobをリクエストします。より保守的なSubnetDASは、追加のピアレイヤ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。現在の提案は、参加しているプルーフ・オブ・ステークのノードがSubnetDASを使用し、他のノードがPeerDASを使用することです。

理論的には、"1Dサンプリング"のスケールを大きくすることができますが、これにより帯域幅が制限されたクライアントはサンプリングできなくなります。したがって、最終的には2Dサンプリングを望んでおり、これは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。

既存の研究との関連は何ですか？

1. データの可用性についての元の投稿(2018)
2. フォローアップペーパー
3. DAS、パラダイムに関する解説記事
4. KZGコミットメントを伴う2Dの可用性
5. PeerDASと ethresear.ch に関する論文
6. EIP-7594の
7. ethresear.ch 上のSubnetDAS
8. 2Dサンプリングにおけるリカバリーの微妙な差異

まだ何をする必要がありますか？どのようなトレードオフがありますか？

次に、PeerDASの実装と導入を完了し、PeerDAS上のblobの数を増やし続ける必要があります。同時に、DASおよびその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範化するために、より多くの学術的な作業が必要です。

将来的に、私たちは2D DASの理想的なバージョンを特定し、その安全性を証明する必要があります。また、最終的にはKZGから量子安全で信頼できる設定が不要な代替案に移行できることを望んでいます。

長期的な現実的な道筋は次のようになるかもしれません:

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て、単純さと堅牢性のためにデータの上限を低く受け入れる;
3. DAを放棄し、Plasmaを私たちの主要なLayer2アーキテクチャとして完全に受け入れます。

ルートマップの他の部分とどのように相互作用しますか？

データ圧縮を実現すれば、2D DASの需要は減少するか、少なくとも遅れることになるでしょう。Plasmaが広く使用される場合、需要はさらに減少します。DASは分散型ブロック構築プロトコルとメカニズムにも挑戦をもたらします。

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データ圧縮

私たちはどのような問題を解決していますか?

Rollupの各取引は大量のオンチェーンデータスペースを消費します: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、これが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なので、次のようになります:

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れば、どうなるでしょうか？

それは何ですか、どのように機能しますか?

ゼロバイト圧縮中、各長いゼロバイトシーケンスを2バイトで置き換え、ゼロバイトの数を表します。さらに、私たちはトランザクションの特定の属性を利用しました:

• 署名の集約: ECDSA署名からBLS署名に切り替え、複数の署名を一つの署名に統合することができます。
• アドレスをポインタで置き換える: 以前に特定のアドレスを使用していた場合、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:カスタムの10進浮動小数点形式を使用してほとんどの通貨値を表現します。

既存の研究との関連は何ですか？

1.sequence.xyz を探索する 2. L2 Calldataがコントラクトを最適化します 3. トランザクションではなく、有効性証明に基づくロールアップのリリースステータスの違い 4. BLSウォレット - ERC-4337を通じてBLSアグリゲーションを実現

まだ何をする必要がありますか？どのようなトレードオフがありますか？

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ものが含まれます:

1. BLS署名に切り替えるには大きな努力が必要であり、信頼できるハードウェアチップとの互換性が低下します。
2. ダイナミック圧縮はクライアントコードを複雑にします。
3. 状態の差異をトランザクションではなくチェーンに公開することは、監査可能性を低下させ、多くのソフトウェアが機能しなくなる可能性があります。

ルートマップの他の部分とどのように相互作用しますか？

ERC-4337を採用し、その一部を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できます。ERC-4337の一部をL1に配置することが、L2での展開を加速します。

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一般化プラズマ

私たちはどんな問題を解決していますか？

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、非中央集権的なソーシャル、またはその他の高帯域幅分野のニーズ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。現在の選択肢の一つは、Validiumを使用することです。これはデータをチェーン外に保存し、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久に凍結する可能性があります。しかし、私たちはより良いことができます。

それは何ですか、どのように機能しますか?

Plasmaはスケーラビリティ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に関与しています。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変化したか、または何も変化し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によって、彼ら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して持つ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によって、その資産を回復することができます。

初期のPlasmaバージョンは支払い用例のみを処理でき、効果的にさらなる普及ができませんでした。しかし、もし私たちが各ルートを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ほとんどの可能性を排除しました。同時に、Plasma技術がより広範な資産カテゴリに拡張できる新しい道が開かれました。最後に、オペレーターが不正を行わない場合、ユーザーは1週間のチャレンジ期間を待つことなく、即座に資金を引き出すことができます。

重要な洞察は、Plasmaシステムは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、過去一週間に移動していないトークン)だけ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、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)です。このようにすることで、PlasmaとRollupの間のいくつかの特性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、容量が16 MBの場合でも、理論的には約16,000,000 / 12 / 5 = 266,667 TPSに制限されます。

既存の研究に関連するリンクはどれですか？

1. オリジナルプラズマペーパー
2. プラズマキャッシュ
3. プラズマキャッシュフロー 4.イントマックス(2023)

まだ何をする必要がありますか？どのようなトレードオフがありますか？

残された主なタスクは、Plasmaシステムを実際の生産アプリケーションに投入することです。どのValidiumも、その退出メカニズムにPlasmaの特性を組み込むことで、少なくとも一定の程度でそのセキュリティ属性を向上させることができます。研究の焦点は、EVMに対して最適な属性(を信頼の要求、最悪の場合のL1 Gasコスト、DoS攻撃に対する耐性などの観点から取得することにあります。