Metisの技術的優位性を詳しく解説し、分散化の新たなページを開く

2024.05.07

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Metisの技術的優位性を詳しく解説し、分散化の新たなページを開く

MetisはzkMIPSと分散型Sequencerをリリースし、L2エコシステムの繁栄を推進。

2024.05.07 - 14:24:27

Metis

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MetisはzkMIPSと分散型Sequencerをリリースし、L2エコシステムの繁栄を推進。

執筆：Biteye コア貢献者 Wilson Lee

編集：Biteye コア貢献者 Crush

01 背景紹介

4月10日、A16z Cryptoはブロックチェーンのスケーリング操作を加速・簡素化するゼロナレッジソリューション「Jolt」を発表した。

JoltはSNARK（非対話型簡潔ゼロナレッジ証明）を統合しており、開発者が迅速にSNARKベースのL2ソリューションを構築できるよう支援する。チームはまた、Joltが現在のzkVMよりも最大2倍高速であると述べている。

ZK技術は暗号資産業界において周期を通じて続く主要テーマの一つであり、特にZK-RollupはVitalikによりイーサリアムの長期的なスケーリングソリューションと称されている。A16zは昨年8月にJoltの開発を開始し、今年正式にリリースしたことから、ZK-Rollupは依然として大きな成長ポテンシャルを持つ分野であることが示されている。

ZK-Rollupにはすでに多数の参入者がおり、プロジェクト間の差異を明確にするためのより細分化された技術カテゴリが形成されつつある。その中でもEVMとの互換性は代表的な分類基準となっている。

EVMは歴史的経緯から多くのZK非対応設計を抱えており、一方で多くの既存プロジェクトは初期段階でEVM上に構築されてきた。またZK-Rollupは将来のスケーリング手段としても期待されているため、ほとんどのZK-Rollupプロジェクトは「EVMとの互換性」と「ZKとの親和性」のどちらを優先するかというジレンマに直面している。

Metis DAOが孵化したZKMは、より根本的なアプローチから出発し、汎用的なzkMIPS方式を提案している。

zkMIPSは、より低レベルなMIPS命令セットを使用してプログラム実行プロセスをZKPに変換するもので、EVMとの互換性に加え、MoveVMやRustVMなど他のVMとも互換可能となり、ZK-Rollupが多様な開発者を受け入れる扉を開くことができる。

本稿では、MetisがZKおよび分散型Sequencerの分野で成し遂げた取り組みと進展について深く解説する。

02 ZKM と Hybrid Rollups：OP と ZK の調和

Metisが市場で目覚ましい成果を挙げられたのは、詐欺証明（Fraud Proof）と有効性証明（Validity Proof）を統合する革新的なHybrid Rollupsメカニズムによるものであり、両者の利点を併せ持つ設計となっている。

ZKMのzkMIPS技術は、このMetisのHybrid Rollupsに堅固な互換性を提供し、ZKとEVMの有機的な融合を実現している。

2.1 Hybrid Rollupsの仕組みと利点

Hybrid Rollupsにおける主な役割は以下の通り：

Sequencer：ユーザーのトランザクションを受信・処理し、最適な順序でまとめてコンセンサス層およびデータ可用性層に公開する。
Proposers：Sequencerが提出したトランザクションおよび状態根（state root）を評価し、状態コミットチェーン（State Commitment Chain, SCC）に記録する。
Verifiers：Rollupチェーン上の状態根を検証し、トランザクションの正確性を保証し、不正行為を防止する。

標準的なL2ソリューションでは、Sequencerがトランザクションを収集・処理し、そのデータをイーサリアムメインネット（L1）に公開する。このプロセスでは、L1が最終的なデータ検証と確定を行うことで、安全性と一貫性を確保している。

（出典：https://mirror.xyz/msfew.eth/WQJaOcFkpTOZLns8MBQaCS4OepRoaZ7uoctnLAnalVw）

Hybrid RollupsはL2トランザクションの処理と最適化において以下のようなハイブリッドアプローチを採用している：

1. トランザクションの発生と処理：

ユーザーがL2上でトランザクションを発生させる。
Sequencerがそれらのトランザクションを受信・処理し、規範トランザクションチェーン（Canonical Transaction Chain, CTC）内での順序を決定する。

2. 状態の提出と検証：

Proposersがトランザクションを評価後、状態根をSCCに提出する。
VerifiersがSCC内の状態根を審査し、正確性を確認する。

3. ゼロナレッジ証明の生成と検証：

ProverがL1からデータを読み取り、ZK証明を生成する。これはHybrid Rollupsの鍵となる特徴であり、具体的なトランザクション内容を明かさずにその有効性を検証できるようにする。
ZK証明が生成された後、期限内に提出されない場合、Verifierは詐欺証明プロセスを起動し、Sequencerに対してペナルティを科す可能性がある。

4. データと状態の最終確定：

スマートコントラクトを通じて、ZK証明が検証されるとトランザクションが最終確定する。
L1とL2はスマートコントラクトで橋渡しされ、資金と状態の安全な移転が保証される。

Hybrid Rollupsの設計にはいくつかの顕著な利点がある：

効率性とコスト効果：ZK証明を利用することで、ガス消費を抑えながらより多くのトランザクションを処理できる。
強化されたセキュリティ：従来の詐欺証明とZK証明を組み合わせることで、悪意ある行動が発生してもトランザクションの安全性と正確性を保てる。
拡張性：再帰的証明（recursive proof）を活用することで、大規模なトランザクション量を処理しつつ性能を維持でき、より広範なブロックチェーンアプリケーションをサポートする。
互換性と柔軟性：複数のスマートコントラクトおよびプログラミング言語をサポートしており、開発者が既存アプリをHybrid Rollupsに容易に移行できる。

2.2 zkMIPSがZK互換性を実現する方法

ZKの核心思想は、プログラムの実行プロセスを誰もが簡単に検証可能な数学的証明に変換し、プログラムを再実行することなくその正しさを容易に確認できるようにすることにある。その難しさは、任意のプログラム論理を安定した数学的証明に変換する方法にある。

開発者は通常、高級言語を使ってプログラムを開発するが、異なる高級言語はそれぞれ異なるロジックでハードウェアと「会話」する。

そのため、既存のZKプロジェクトの実装方法は互いに互換性がないことが多い。ScrollはEVMの各オペコードごとに回路を直接設計し、オペコードレベルでの同等性を実現しているが、正確にEVMを反映する代わりに工数が膨大になる。Polygon zkEVMは最適化された独自VMを作成し、EVMバイトコードを直接VMのバイトコードに変換することで効率的にオペコードレベルの同等性を実現しているが、大量のカスタムコード導入により長期的にはEVMから乖離する可能性がある。

zkSyncは独自のVM（SyncVM）を構築し、レジスタに基づいた代数中間表現（AIR）を定義したうえで、Yul（さまざまなEVMバージョンのバイトコードにコンパイル可能な中間言語。低レベルのSolidityと考えられる）をLLVM-IRにコンパイルし、さらにそれをカスタムVMの命令に変換する専用コンパイラを構築することで、Solidityレベルの互換性を実現しているが、既存のイーサリアムツールを直接使用できない上、言語変換の過程でプログラムの再監査が必要になる可能性がある。

StarkNetはEVM互換をあきらめ、独自の低レベル言語CairoでカスタムスマートコントラクトVM（Cairo VM）を直接実行することで、極限のZK効率を追求している。

これらのプロジェクトと比較して、ZKMはより包括的な道を選んでいる：zkMIPSである。

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）は1985年に登場したシンプルなマイクロプロセッサ命令セットである。

MIPSの基本原則は、複雑なマイクロプロセッサ命令を最も基本的な形まで簡略化することであり、これにより処理速度が向上し、プログラム実行時の複雑性が低下する。

zkMIPSシステムでは、この命令セットを用いてプログラムからZK証明への変換を実現している。

zkMIPSの実現プロセスは以下の通り：

プログラムからMIPSへの変換：まず、SolidityやRustなどの高級言語で書かれたスマートコントラクトまたはプログラムがMIPS命令セットにコンパイルされる。このステップにより、高レベルの抽象概念がハードウェアレベルで実行可能な具体的操作に変換される。
ZK証明の生成：その後、これらのMIPS命令を使って対応するゼロナレッジ証明が生成される。MIPSの簡素性により、この工程は計算的により効率的になり、安全性を損なうことなく証明をより迅速に生成できる。

zkMIPSの利点

互換性：zkMIPSはEVM互換のSolidityだけでなく、RustやMoveといった他の主要開発言語もサポートする。これにより、より広範なブロックチェーン開発エコシステムに対応でき、新たなアプリケーションの可能性を広げる。
コスト効果：MIPS命令セットの効率性により、zkMIPSはゼロナレッジ証明の生成時に計算コストを大幅に削減でき、システム全体の持続可能性を高める。
再帰的証明：zkMIPSは再帰的証明をサポートしており、複数の証明を1つの管理しやすい単位にまとめることができる。これはシステムの拡張性向上において極めて重要である。

実際、MIPSの利点はOptimismなどのプロジェクトでも既に採用されている。OptimismのCannonメカニズムは、実行済みプログラムをMIPSに変換することで、チャレンジ発生時にエラーの特定と再実行をより簡便かつ効率的に行えるようにしている。

Metisもこのトレンドに追随し、Cannonを自らのエコシステムに統合しており、これはzkMIPS技術の実用性と効率性をさらに裏付けている。

03 分散型Sequencer：分散化と持続可能性

Hybrid Rollupsを通じてOPとZKの利点を統合するだけでなく、Metisは分散型Sequencerの実現にも積極的に取り組んでおり、Rollupにおける分散化の模範を示している。

従来のRollupモデルでは、単一のSequencerがトランザクションとデータを効率的に処理できる一方で、権力が集中するため、以下のようなリスクが存在する：

運用リスク：Sequencerに障害が発生したり攻撃を受けたりすると、システム全体のトランザクション処理が停止する可能性がある。
検閲リスク：Sequencerが特定のトランザクションを意図的に処理拒否または遅延させることで、特定のDeFiプロトコルやサービスへのアクセスを制限できる。
操作リスク：トランザクションの並び順において、Sequencerが自身のトランザクションを優先させたり、手数料を上げることで不正に利益を得る（MEV：最大可抽出価値）可能性がある。

これらの問題を解決するため、Metisは複数のSequencerノードからなる分散型Sequencerプールを設計した。このプールは共同でトランザクションの集約、順序決定、実行を行い、システムの公正性と透明性を確保する：

コンセンサスメカニズム：新しいブロックの状態について、三分の二以上のSequencerノードが合意しなければ、トランザクションのバッチをイーサリアムメインネット（L1）に提出できない。
マルチパーティ計算（MPC）署名：L1への提出前に、MPC署名によってバッチの真正性を検証し、データの正確性を保証する。

分散型Sequencerの利点：