イーサリアムの可能な未来：The Surge

イーサリアムのロードマップには、最初に2つのスケーリング戦略がありました: シャーディングとLayer2プロトコル。研究が進むにつれて、これらの2つの道は融合し、Rollupを中心にしたロードマップが形成されました。これは今でもイーサリアムの現在のスケーリング戦略です。

Rollupを中心としたロードマップはシンプルな役割分担を提案しています: イーサリアムL1は強力で非中央集権的な基盤層になることに焦点を当て、L2はエコシステムの拡張を助ける役割を担います。このモデルは社会において非常に一般的です: 裁判所システム(L1)の存在は効率を追求するためではなく、契約と財産権を保護するためにあり、起業家(L2)はこの堅固な基盤の上に構築し、人類の発展を推進します。

今年、Rollupを中心としたロードマップは重要な進展を遂げました: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EVM Rollupが第一段階に入りました。各L2は独自のルールとロジックを持つ「シャーディング」として存在し、シャーディングの多様性は今や現実となりました。しかし、この道にはいくつかの独自の課題もあります。我々の現在の任務は、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ながら、イーサリアムL1特有の堅牢性と非中央集権性を維持することです。

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サージ: 重要な目標

1. 未来イーサリアムはL2を通じて10万以上のTPSに達することができる;
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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スケーラビリティの三角矛盾

スケーラビリティ三角悖論は、ブロックチェーンの非中央集権性、スケーラビリティ、安全性の三つの特性の間に矛盾が存在することを主張しています。これは定理ではなく、ヒューリスティックな観点です。多年にわたり、いくつかの高性能チェーンが三元悖論を解決したと主張していますが、これは通常誤解を招くものです。

しかし、データ可用性サンプリングとSNARKの組み合わせは、三角パラドックスを確かに解決します：クライアントは、わずかなデータをダウンロードし、ごく少量の計算を実行するだけで、一定量のデータが利用可能であることと、一定量の計算ステップが正しく実行されていることを検証できます。

三つの難題を解決する別の方法はPlasmaアーキテクチャであり、これはインセンティブ互換の方法でユーザーに監視データの可用性の責任を押し付けます。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より実行可能になりました。

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データ可用性サンプリングのさらなる進展

私たちはどのような問題を解決していますか？

2024年3月13日Dencunアップグレードがオンラインになると、イーサリアムは12秒ごとに3つの約125 kBのblobを持つslotを持ち、各slotのデータの利用可能な帯域幅は約375 kBになります。取引データが直接チェーン上に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 TPSです。

イーサリアムのcalldataを加えると、607 TPSになります。PeerDASを使用すると、blobの数が8-16に増加する可能性があり、これによりcalldataは463-926 TPSを提供します。

これはイーサリアムL1に対する重大な向上ですが、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をもたらします。

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それは何ですか？どのように動作しますか？

PeerDASは「1Dサンプリング」の比較的簡単な実装です。イーサリアムにおいて、各blobは253位素数体上の4096次多項式です。私たちは多項式のシェアをブロードキャストし、各シェアには合計8192個の座標から隣接する16個の座標の16個の評価値が含まれています。この8192個の評価値の中から、任意の4096個を使用してblobを復元することができます。

PeerDASの動作原理は、各クライアントが少数のサブネットをリスニングし、i番目のサブネットが任意のblobのi番目のサンプルをブロードキャストし、世界のp2pネットワーク内のピアに対して必要な他のサブネットのblobをリクエストすることです。より保守的なバージョンである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、ステークプルーフに参加するノードが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」の規模をかなり大きく拡張することができます: blobの最大数を256に増やすと、16MBの目標を達成でき、データ可用性サンプリングでは各ノードが各スロットで必要とするデータ帯域幅は1MBのみです。これは、私たちの許容範囲ギリギリです: これは可能ですが、帯域幅が制限されたクライアントはサンプリングできません。blobの数を減らし、blobのサイズを増やすことで最適化できますが、これは再構築コストを高くします。

したがって、私たちは最終的に2Dサンプリングをさらに進めたいと考えています。それは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。KZGコミットメントの線形特性を利用して、一つのブロック内のblobセットを新しい仮想blobのセットで拡張します。これらの仮想blobは同じ情報を冗長にエンコードしています。

重要なのは、コミットメントの拡張にblobが必要ないことであり、したがってこの提案は根本的に分散型ブロック構築に優しいということです。実際にブロックを構築するノードは、blob KZGコミットメントを持っているだけで済み、データの可用性サンプリング(DAS)に依存してデータブロックの可用性を検証できます。一次元データ可用性サンプリング(1D DAS)も本質的に分散型ブロック構築に優しいです。

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まだ何をすべきですか？どのようなトレードオフがありますか？

次に、PeerDASの実施と導入を完了します。その後、PeerDAS上のblobの数を増やし続けながら、ネットワークを注意深く観察し、安全性を確保するためにソフトウェアを改善するという、段階的なプロセスです。また、PeerDASや他のバージョンのDAS、およびそれらと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定するために、さらなる学術的な作業が必要です。

将来的なさらなる段階では、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ために、より多くの作業を行う必要があります。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。現在、分散型ブロック構築に対して友好的な候補がどれであるかはまだ不明です。

私が考える長期的な現実の道筋は:

1. 理想的な 2D DAS を実装します。
2. 1D DASの使用を維持し、サンプリング帯域幅の効率を犠牲にし、単純性と堅牢性のために低いデータ上限を受け入れる
3. DAを放棄し、Plasmaを私たちが注目する主要なLayer2アーキテクチャとして完全に受け入れます。

注意してください。L1層で直接拡張実行を決定した場合でも、この選択肢は存在します。これは、L1層が大量のTPSを処理する必要がある場合、L1ブロックが非常に大きくなり、クライアントがそれらの正確性を検証する効率的な方法を望むためです。そのため、L1層ではRollup(と同じ技術を使用しなければならないでしょう。例えば、ZK-EVMやDAS)です。

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どのようにロードマップの他の部分と相互作用しますか?

データ圧縮が実現すれば、2D DASの需要は減少するか、少なくとも遅延するでしょう。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。理論的にはDASは分散再構築に対して友好的ですが、これは実際にはパッケージインクルージョンリスト提案およびそれに関連するフォーク選択メカニズムと組み合わせる必要があります。

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データ圧縮

私たちはどんな問題を解決していますか？

Rollup内の各取引は大量のオンチェーンデータスペースを占有します: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、これによりLayerプロトコルのスケーラビリティが制限されます。各スロットは16 MBであり、私たちは次のように得られます:

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たら、どうなるでしょうか？

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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、私たちは取引の特定の属性を利用しました:

署名の集約: 私たちはECDSA署名からBLS署名に切り替えました。BLS署名の特性は、複数の署名を単一の署名に組み合わせることができ、その署名がすべての元の署名の有効性を証明できることです。L1レイヤーでは、たとえ集約を行っても検証の計算コストが高いため、BLS署名の使用は考慮されません。しかし、L2のようなデータが不足している環境では、BLS署名を使用することは意味があります。ERC-4337の集約機能は、この機能を実現するための道を提供します。

アドレスをポインタに置き換える: 以前に使用したアドレスがある場合、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:ほとんどの取引値の桁数は少なく、例えば、0.25 エーテルは250,000,000,000,000,000 weiとして表されます。最大基礎手数料と優先手数料も同様です。したがって、ほとんどの通貨値を表すためにカスタムの10進浮動小数点形式を使用できます。

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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ようなものがあります:

1. BLS署名に切り替えるには大きな努力が必要であり、セキュリティを強化できる信頼性の高いハードウェアチップとの互換性が低下します。他の署名方式のZK-SNARKパッケージを代わりに使用できます。

2. 動的圧縮(例えば、ポインタをアドレス)に置き換えると、クライアントコードが複雑になります。

3. ステータスの差異を取引ではなくチェーン上に公開することで、監査可能性が低下し、多くのソフトウェア(、例えばブロックエクスプローラー)が機能しなくなります。

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どのようにロードマップの他の部分と相互作用しますか?

ERC-4337を採用し、最終的にその一部を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に置くことで、L2での展開を加速できます。

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一般化プラズマ

私たちはどのよう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は消費者の支払い、分散型ソーシャルまたはその他の高帯域幅分野の要求を完全に満たすには不十分であり、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。高取引量、低価値のアプリケーションシナリオについては、現在