モジュラーブロックチェーン：イーサリアムが「世界のコンピュータ」となるための工学的ソリューション
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モジュラーブロックチェーン：イーサリアムが「世界のコンピュータ」となるための工学的ソリューション
2022年現在の視点でCryptoの発展トレンドを見ると、この時期にあえて新しいL1パブリックチェーンを立ち上げるのは少々無理があると言わざるを得ず、モジュラー型ブロックチェーンのナラティブは無視できない。
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ブロックチェーンのモジュラートレンド
2022年の現時点からCryptoの発展トレンドを振り返ると、このタイミングで新しいL1パブリックチェーンを開発するのはやや無理がある。モジュラー型ブロックチェーンというナラティブは無視できない。
The Merge以降、Ethereumの発展路線はますます「モジュラー型ブロックチェーン（Modular Blockchain）」の方向に傾いている。
モジュラー型ブロックチェーンとモノリシック型ブロックチェーン（Monolithic Blockchain）の主な違いは、後者が単一のコンセンサス層で実行、決済、コンセンサス、データ可用性の4つの機能を同時に実現するのに対し、前者ではこれらの機能を複数のモジュールに分ける点にある。
実際、モジュラー型アーキテクチャを計画しているのはEthereumだけではない：
- 最も早くモジュラー型ブロックチェーンのアイデアを提唱したCelestiaは、Cosmosエコシステム上でRollup向けのデータ可用性層を構築している；
- TezosもRollup中心のロードマップを採用しつつある；
- NEARもデータ可用性シャーディングの設計を進めている。
本稿では特にEthereumのモジュラー化の流れについて述べる。
Ethereumの混雑状況は、既にモノリシック型ブロックチェーンの欠点——拡張性の低さ、カスタマイズ不可能、高コスト——を如実に示している。
モノリシック型ブロックチェーンの問題点は、コンセンサス層で多くの異なるタスクを実行しなければならず、いずれか一つの機能に最適化しても全体のパフォーマンス向上にはつながらない点にある。
比喩的に言えば、モノリシック型ブロックチェーンは4枚の板でできたバケツのようなもので、その容量（性能）は最も短い板に制限される。一つでも性能の低い属性があれば全体の性能が制限されてしまう。「ブロックチェーン不可能三角」によりすべての属性を極限まで高めることはできないため、単純にモノリシック型ブロックチェーンの枠組みでスケーリングを図ってもEthereumの課題を解決することはできない。
モジュラー型ハイブリッドスケーリング：layer1（data sharding）＋layer2（rollups）
実際、モジュラー型ブロックチェーンとは本質的にハイブリッドスケーリングの一種である。第6回ブロックチェーングローバルサミットでのVitalikの講演テーマは『Ethereum第二層プロトコルエコシステムの台頭』だったが、彼はここでEthereumエコシステムは単なるLayer1またはLayer2のスケーリングではなく、ハイブリッドスケーリングを採用していると述べた。
モジュラー型ブロックチェーンの本質もまたLayer1とLayer2のハイブリッドスケーリングに近い。
Ethereumのモジュラー型アーキテクチャ
Ethereumのモジュラー型アーキテクチャは主に4層に分けられる：実行層、決済層、コンセンサス層、データ可用性層。
現在多くの場合、業界では実行層と決済層をまとめて実行層と呼び、コンセンサス層とデータ可用性層をまとめてコンセンサス層と呼んでいる。
実行層（Execution Layer）：オンチェーン取引の処理、注文の実行、送金およびスマートコントラクトの実行検証を担当。主にRollupがこれに該当する。モジュラー型ブロックチェーンが一定の段階に達すれば、ユーザーは通常この実行層を通じてブロックチェーンとやり取りすることになり、取引署名、スマートコントラクトのデプロイ、資産移転などが含まれる。実行層はブロックチェーンの拡張性を解決する。
決済層（Settlement Layer）：Rollupなどの実行層の実行結果を検証し、紛争を解決し、ステートコミットメントを確定する。
コンセンサス層（Consensus Layer）：フルノードネットワークがブロック内容をダウンロード・実行し、状態遷移の有効性について合意することで、順序付けと最終確定性を提供し、PoSメカニズムでブロック生成を検証する。
データ可用性層（Data Availability Layer）：取引データが利用可能であることを保証する（保存されており、検証可能かつアクセス可能）。状態遷移の有効性を検証するために必要なデータを公開・保存する。悪意のあるブロックスポーザーが取引データを保持した場合でも、この層のデータが検証に使用できる。
The Merge後の短期～中期内において、Ethereumの決済層、コンセンサス層、データ可用性層は統合されたままである。
将来のDankshardingによって、Ethereum L1のデータシャーディング（Data Sharding）はデータ可用性エンジンへと変貌し、ビーコンチェーンがコンセンサス層となり、従来のEthereumメインネットは実行層となる。さらに多くの実行層はL2のRollupとして存在する。
また、現在のL2に加えて、業界ではカスタマイズ可能なL3も実行層の拡張として探求が始まっている。
現時点のEthereumがまだ理論上の「世界のコンピュータ」にすぎないならば、モジュラー型ブロックチェーンはそれを現実の「世界のコンピュータ」にするための工学的ソリューションなのである。
Ethereumの今後の計画
周知の通り、The MergeはPoWからPoSへの移行であり、ビーコンチェーンと元のEthereumメインチェーンの統合を意味する。
The Merge以外にも、Ethereumは実際にはThe Surge、The Verge、The Purge、The Splurgeを並行して推進している。
これらのアップグレードの導入順序は未定であり、それぞれ独立して並行開発されている。
- The Surgeはシャーディングの導入に関するもので、Ethereumネットワークがシャーディングを通じて大規模なスケーリングを実現できるようにする。
- The VergeはVerkle Treesに関するもので、Ethereum上でのストレージの最適化とノードサイズの削減を目指す。このアップグレードでは、Merkle Treeの進化形である数学的証明であるVerkle Treesを使用してストレージを最適化する。バリデーターがPCに保存する必要のあるデータ量を減らすことで、ノードサイズを小さくし、より多くのユーザーがバリデーターになれるようにする。これによりネットワークの分散化が進み、セキュリティが向上する。
- The Purgeはバリデーターに必要なディスク容量を削減するもので、過去のデータや技術的負債を排除する。つまりストレージが簡素化され、ネットワークの混雑が緩和される。
- The SplurgeはEthereumネットワークに対する一連の微調整で、さまざまな小さなアップグレードを含み、ネットワークをよりスムーズにする。
Vitalikによれば、上記5つの主要フェーズを完了した後、Ethereumは10万TPSを実現し、当初の構想であった「世界のコンピュータ」と真正面から一致する。
上記5つの並行するキーフェーズの名称は韻を踏んでいるが、Ethereumが未来3〜4年で具体的に何を目指しているのか理解するのは難しいかもしれない。より重要な具体的なアップグレードイベントに焦点を当てれば、Ethereumのモジュラー化トレンドがより明確に見えてくる：
1. Proto-danksharding（EIP-4844）
Proto-dankshardingは、完全なDanksharding仕様の大部分のロジックと基本ルール（例：トランザクション形式、検証ルールなど）を実装するための提案だが、この段階ではまだシャーディングは実装されていない。この段階では、すべてのバリデーターとユーザーが依然として完全なデータ可用性を直接検証する必要がある。
Proto-dankshardingが導入する主な特徴は、「blob付きトランザクション」と呼ばれる新しいトランザクションタイプである。blob付きトランザクションは通常のトランザクションと似ているが、追加で「blob」と呼ばれるデータを保持する点が異なる。Blobは約128KBで、同程度のCalldataよりもはるかに安価である。ただし、EVMの実行ではblobデータにアクセスできず、EVMはblobのコミットメントのみを参照できる。
現在、EthereumのブロックサイズはGas容量によって決定されているが、EIP-4844の導入後はBlobの数もブロックサイズを決定する新たな次元となる。Blobは二進データ構造で約128KB。Ethereumブロックは1ブロックあたりのBlob数に制限があり、目標は8個、最大は16個。そのため、各ブロックは追加で1〜2MB（128×8〜128×16）のストレージ空間を獲得する。
Blobは主にLayer2のデータ保存に使用され、それまではLayer2データはCalldataを使って保存されていた。Blobの導入により、ブロック内の保存可能スペースが大幅に増加する。しかしBlobデータは大きいため、毎ブロックに1MBのBlobデータを追加すると、Ethereumブロックチェーンは月間数TBのデータを追加で生成してしまう。このデータ量の急増に対処するため、これらのBlobデータはオフラインで保存され、30日後に自動削除される。
Blobデータは既存のEthereumトランザクションのGas使用量と競合しないため、依然として顕著なスケーリング効果を得られる。Proto-DankshardingのEIP-4844案を簡単に理解するなら、EthereumのLayer1が1MBのブロックサイズを維持しつつ、30日間の短期的・オフライン保存という方式でBlob形式を使ってLayer2データを保存することで、スケーリングを実現する、と言える。
2. Danksharding
DankshardingはEthereum向けに提案された新シャーディング設計である。以前の計画では状態シャーディング（State Sharding）だったが、後にRollup中心のロードマップに方針転換し、Layer1（data sharding）＋Layer2（rollups）のモジュラー型ハイブリッドスケーリングを採用した結果、データシャーディング（Data Sharding）が実施されることになった。データシャーディングは本質的にモジュラー型ブロックチェーンの考え方であり、Ethereumを複数のデータシャードに分割し、各シャードが1つ以上のRollupと接続する。Rollupは実行層、Ethereumはコンセンサス層とデータ可用性層を担う。
Dankshardingが導入する主要なメカニズムは、PBSとDASである。
PBS（Proposer-Builder Separation）とは、ブロック生成時にブロック提案者（Proposer）とブロック構築者（Builder）を分離する仕組み。Proposerがブロックを提案し、Builderが取引の順序権を入札しブロックヘッダーを計算する。ProposerはBuilderの計算結果に基づいて取引をパッケージングし、ブロックヘッダーを書き込むことでブロック生成を完了する。PBS導入前は、ブロック提案者（Merge前はMiner、Merge後はValidator）がmempool内の取引を確認し、MEV機会を得て採掘収益を最大化できる戦略を取れた。PBSの導入により、この役割分離とBuilderによる順序権の入札メカニズムが組み合わさり、一定程度MEV問題を解決できる。最終的なMEV収益はネットワーク全体のバリデーターで共有される形になる。さらに、PBSはシャードとビーコンチェーンの同期問題や、Ethereumネットワークの検閲耐性向上にも貢献する。
DAS（データ可用性サンプリング、Data Availability Sampling）は、ブロックチェーンの状態爆発を解決する有効な手法である。検証ノードがブロックの可用性をチェックするために用いられ、DASを使うことで、軽量クライアントはランダムに選ばれた一部のブロックだけをダウンロードして、ブロックが正しく公開されたかどうかを検証できる。DASによりブロックデータの並列検証が可能になるため、将来的にデータシャーディングの数が増えても、個々の検証ノードの負担は増えず、逆に多くの検証ノードの参加を促進し、十分な分散化を維持できる。
最終的に、DankshardingはPBSによってEthereumの集中出塊を、DASによって分散検証を実現する。ある程度の検閲耐性も備え、Ethereumをスケーラブルなコンセンサス層およびデータ可用性層として確立し、より多くの実行層Rollupを受け入れることを可能にする。（補足：集中出塊・分散検証はVitalikがEndgameで提唱したEthereumの将来像でもある。）
まとめ
個人的には、Ethereum創設チームには情熱があると常々感じている。彼らが初心を忘れず、前向きに歩み続けているという細かい点がいくつもある。
Ethereumのこれまでのアップグレードの中で、特に印象深いのは3回ある：437万番目のブロック高で実施されたビザンチンハードフォーク、728万番目でのコンスタンティノープルハードフォーク、そして906.9万番目でのイスタンブールネットワークアップグレードだ。
興味深いことに、ビザンチン、コンスタンティノープル、イスタンブールは同一都市の異称である。この都市はヨーロッパとアジアをまたぎ、北はゴールデンホーン湾に面し、南はマルマラ海に臨み、東は小アジア半島と海峡を隔て、西側だけが陸地とつながっている。ナポレオンはこの街についてこう語ったことがある。「もし世界が一つの国なら、その首都はイスタンブールであろう」。この古都はEthereumのおかげでブロックチェーン世界と微妙な結びつきを持ち、これらのアップグレード名は一つのメッセージを伝えている——Ethereumは一貫しているということだ。
おそらくEthereumのモジュラー型ブロックチェーンへの道のりはそれほど速くは進まないだろう。しかし、The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurgeという大きなテーマ、あるいはProto-danksharding、Dankshardingといった具体的なキーアップグレードにせよ、最終目的はすべてEthereumが「世界のコンピュータ」という本来のビジョンを実現することにある。
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