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イーサリアムThe Surgeのビジョン：10万TPS拡張の道と課題
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最初に二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のみを検証し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、その安全性を利用しつつ大部分のデータと計算をメインチェーンの外に保持します。研究が進むにつれて、これら二つの道が最終的に統合され、Rollupを中心としたロードマップが形成され、これは現在でもイーサリアムの拡張戦略となっています。
Rollupを中心に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は強力で分散型の基盤層になることに集中し、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至る所に存在します: 裁判所システム(L1)は超高速や高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存在し、起業家(L2)はこの堅固な基盤層の上に構築し、人類の進歩を促進します。
今年、Rollupを中心としたロードマップは重要な成果を上げました: EIP-4844のブロブの導入により、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(EVM) 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、シャーディングの実現方法の多様性と多様性は今や現実のものとなっています。しかし、この道もいくつかの独特な課題に直面しています。したがって、私たちの今の任務は、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特有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
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ます;
L1の分散化とロバスト性を維持する;
少なくともいくつかのL2はイーサリアムのコア属性(を完全に継承しており、信頼性、オープン性、検閲耐性)を持っています;
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。
この章の内容
スケーラビリティトライアングルの逆説
スケーラビリティトライアングルの逆説は2017年に提唱された考えで、ブロックチェーンの3つの特性の間に矛盾が存在するとされています: 非中央集権(、具体的には: 動作ノードのコストが低い)、スケーラビリティ(、処理する取引の数が多い)、そしてセキュリティ(、攻撃者は単一の取引を失敗させるためにネットワーク内の多くのノードを破壊する必要があります)。
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注意すべきは、三角パラドックスは定理ではなく、三角パラドックスを紹介する投稿には数学的証明が添付されていないことです。確かに、啓発的な数学的議論を提供しています: もし、分散型フレンドリーなノード(が例えば消費者向けノートパソコン)で、毎秒N件の取引を検証できる場合、あなたが毎秒k*N件の取引を処理するチェーンを持っているとすると、(i) 各取引は1/kのノードにしか見えず、これは攻撃者が少数のノードを破壊することで悪意のある取引を通過させることができることを意味します。または(ii) あなたのノードが強大になり、あなたのチェーンが分散化しないことになります。この記事の目的は、三角パラドックスを破ることが不可能であることを証明することではありません。むしろ、三元パラドックスを破ることが困難であり、その議論が暗示する思考の枠組みからある程度抜け出す必要があることを示すことを目的としています。
長年にわたり、一部の高性能チェーンは、根本的なアーキテクチャを変更することなく三元悖論を解決したと主張していますが、通常はソフトウェアエンジニアリングの技術を活用してノードを最適化しています。これは常に誤解を招くものであり、これらのチェーン上でノードを運営することは、イーサリアム上でノードを運営するよりもはるかに困難です。本記事では、なぜそうなのか、そしてL1クライアントソフトウェアエンジニアリングだけではイーサリアムを拡張できない理由について探ります。
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の逆説を確かに解決します：それはクライアントが少量のデータをダウンロードし、極めて少ない計算を実行するだけで、一定量のデータが利用可能であり、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ることを可能にします。SNARKsは信頼不要です。データ可用性サンプリングには微妙なfew-of-Nの信頼モデルがありますが、それは51%攻撃さえも悪意のあるブロックがネットワークに受け入れられることを強制できないという不可拡張チェーンが持つ基本的な特性を保持しています。
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、これは巧妙な技術を使用して、互換性のある方法で監視データの可用性の責任をユーザーに押し付けるものです。2017年から2019年の間、私たちが計算能力を拡張する手段として詐欺証明しか持っていなかった時、Plasmaは安全な実行において非常に制限されていましたが、SNARKs(の普及に伴い、Plasmaアーキテクチャは以前よりも広範な使用シーンに対してより実行可能になりました。
) データ可用性サンプリングのさらなる進展
私たちは何の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、イーサリアムブロックチェーンの12秒ごとのスロットには約125 kBのblobが3つあり、各スロットのデータ利用可能帯域幅は約375 kBです。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送金は約180バイトであるため、イーサリアム上のロールアップの最大TPSは:375000 / 12 / 180 = 173.6 TPS
もし私たちがイーサリアムのcalldata###の理論的最大値を加えるなら: 各slotは3000万Gas / 各バイト16 gas = 各slotは1,875,000バイト(となり、607 TPSになります。PeerDASを使用すると、blobの数は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。私たちはより多くのスケーラビリティを望んでいます。私たちの中期的な目標は、各スロット16 MBで、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。
)# それは何ですか？どのように動作しますか？
PeerDASは「1D sampling」の比較的単純な実装です。イーサリアムでは、各blobは253位の素数域###prime field(上の4096次多項式)polynomial(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個の座標から隣接する16個の座標に関する16個の評価値を含んでいます。この8192個の評価値の中で、任意の4096個の)は、現在提案されているパラメータに基づいて、128個の可能なサンプルの中から任意の64個の(を使用してblobを復元することができます。
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PeerDASの仕組みは、各クライアントが少数のサブネットをリスニングすることを可能にし、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、グローバルなp2pネットワーク内のピア)に対して、異なるサブネット(をリスニングする者を尋ねることで、必要な他のサブネットのblobを要求します。より保守的なバージョンのSubnetDASは、追加のピアレイヤ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)、つまりクライアント(がPeerDASを使用することです。
理論的には、"1D sampling"の規模をかなり大きく拡張できます: blobの最大数を256)に増加させ、目標を128(に設定すると、16MBの目標に到達できます。データ可用性サンプリングでは、各ノードは16サンプル * 128 blob * 各blobごとに512バイト = 各スロットで1MBのデータ帯域幅を持ちます。これは私たちの許容範囲ギリギリです: これは実行可能ですが、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、ある程度の最適化が可能ですが、これは再構築コストを高くします。
したがって、私たちは最終的にさらに進み、2Dサンプリング)2D sampling(を行いたいと考えています。この方法は、blob内でのランダムサンプリングだけでなく、blob間でのランダムサンプリングも行います。KZGコミットメントの線形特性を利用して、新しい仮想blobのセットを通じてブロック内のblobセットを拡張します。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。
したがって、最終的に私たちはさらに進んで、2Dサンプリングを行い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使用して、同じ情報に対して冗長エンコーディングされた新しい仮想blobリストを含む、1つのブロック内のblobセットを拡張します。
重要なことは、コミットメントの拡張にblobが必要ないため、この提案は基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(は本質的に分散型ブロック構築にも優しいです。
)# 何をする必要がありますか？また、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の数を継続的に増やし、ネットワークを注意深く監視し、ソフトウェアを改善して安全性を確保することが、段階的なプロセスです。同時に、PeerDASおよび他のDASのバージョンとそれに関する分岐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あることを望んでいます。
将来のさらに遠い段階では、2D DASの理想的なバージョンを特定し、その安全性の特性を証明するために、さらに多くの作業が必要です。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どの候補が友好的であるかは不明です。高価な「ブルートフォース」技術を使用しても、つまり再帰的STARKを使用して行と列を再構築するための有効性証明を生成しても、需要を満たすには不十分です。技術的には、STARKのサイズはO###log(n( * log)log(n()ハッシュ値)はSTIR(を使用しますが、実際にはSTARKはほぼ全体のblobと同じ大きさです。
私が考える長期的な現実の道筋は:
ご注意ください。たとえ私たちがL1層で直接実行を拡張することを決定したとしても、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当性を検証するための効率的な方法を望むようになるためです。したがって、私たちはL1層でRollup)と同じ技術を使用する必要があります。ZK-EVMやDAS(のように。
)# どのようにロードマップの他の部分とインタラクトしますか?
データ圧縮が実現されれば、2D DASの需要は減少するか、少なくとも遅延することになります。Plasmaが広く使用される場合、需要はさらに減少します。DASは、分散されたブロック構築プロトコルとメカニズムにも課題を提起します。DASは理論的には分散再構築に優しいですが、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とその周辺の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。
データ圧縮
私たちは何の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、これは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16MBで、私たちは得ます:
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占めるバイト数を減らすことができたら、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？
私の考えでは、最も良い説明は2年前のこの図です:
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ゼロバイト圧縮中、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