Vitalikの新作：イーサリアムのトランザクション確認時間を短縮する方法は？
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Vitalikの新作：イーサリアムのトランザクション確認時間を短縮する方法は？
より短い確認時間が必要なアプリケーションに対しては、slot-and-epochアーキテクチャが唯一の解決策である。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Vitalik Buterin、イーサリアム共同創設者
翻訳：Luffy、Foresight News
ブロックチェーンにおける優れたユーザーエクスペリエンスの不可欠な要素の一つは、迅速なトランザクション確認時間である。今日のイーサリアムは5年前と比べて大きく進歩しており、EIP-1559やPoS統合による安定したブロッキングタイムのおかげで、L1上で送信されたトランザクションは5〜20秒以内に確実に確認できるようになり、クレジットカード決済に近い体験を提供している。しかし、イーサリアムのユーザーエクスペリエンスはまだ改善の余地があり、一部のアプリケーションでは数百ミリ秒、あるいはそれ以下のトランザクション遅延が実際に必要となる。本稿では、イーサリアムのトランザクション確認をさらに高速化するための実用的なアプローチについて紹介する。
既存のアイデアと技術の概要
シングルスロットファイナリティ（Single Slot Finality）
現在のイーサリアムのGasperコンセンサスは、スロットとエポックのアーキテクチャを採用している。12秒ごと（1スロットの長さ）に、検証者のサブセットがブロックチェーンの最新ブロックに対して投票を行い、32スロット（6.4分、1エポックは32スロットから構成される）の間にすべての検証者が1回ずつ投票する機会を持つ。その後、これらの投票はPBFT風のコンセンサスアルゴリズムにおけるメッセージのように解釈され、2エポック（12.8分）後に非常に堅牢な経済的保証——すなわち「最終性（finality）」——を提供する。
ここ数年間、我々はこのアプローチに次第に不満を持つようになった。主な理由は二つある。（i）複雑さ：スロット単位の投票メカニズムとエポック単位の最終性メカニズムの間に多くの相互作用バグが存在する。（ii）12.8分は長すぎる。誰もそんなに待ちはしない。
シングルスロットファイナリティ（SSF）は、Tendermintコンセンサスに類似したメカニズムでこのアーキテクチャを置き換えるもので、ブロックNは次のブロックN+1が生成される前にすでに確定している。Tendermintとの主な違いは、「非アクティブリーク（inactivity leak）」という仕組みを維持している点にある。これにより、検証者の3分の1以上がオフラインになっても、ブロックチェーンは継続して動作し、復旧することが可能になる。
シングルスロットファイナリティの設計図
SSFの主な課題は、各イーサリアムステーキング参加者が12秒ごとに2つのメッセージを送信しなければならないことを意味しているようで、これはブロックチェーンにとって大きな負担となる。これを緩和する巧妙なアイデアもあり、最近のOrbit SSF提案（https://ethresear.ch/t/orbit-ssf-solo-staking-friendly-validator-set-management-for-ssf/19928）などが挙げられる。それでも、このアプローチは「確定性」の速度を向上させることでユーザーエクスペリエンスを大幅に改善できるが、ユーザーが5〜20秒待たなければならないという時間そのものは短縮できない。
Rollupの事前確認（Preconfirmation）
ここ数年、イーサリアムは「Rollup中心」のロードマップを貫いており、データ可用性などの機能を支援するためにイーサリアムレイヤー1（L1）が設計されてきた。これらの機能は、Rollup（およびValidium、Plasmaなど）といったL2プロトコルによって利用され、ユーザーにイーサリアムと同等のセキュリティを提供しつつ、L1よりもはるかに高い取引処理規模を実現している。
これにより、イーサリアムエコシステム内では関心の分離が生まれている。イーサリアムL1は検閲耐性、信頼性、安定性、および特定のコア基盤機能の維持・改善に集中でき、一方L2は異なる文化・技術的トレードオフのもとでユーザーエクスペリエンスに注力できる。しかし、この道を進めば避けられない問題が生じる：L2は5〜20秒でより速い確認を求めるユーザーにサービスを提供することに焦点を当てるべきなのか、ということだ。
これまで、独自の「分散型ソーター（decentralized sequencing）」ネットワークを構築することは、L2にとって避けられない責任であった。おそらく数百ミリ秒ごとに、少数の検証者がブロックに署名し、自らの資産をそれらのブロックにステーキングする。最終的に、これらのL2ブロックのヘッダーがL1に投稿される。
L2の検証者セットは不正を行う可能性がある：まずブロックB1に署名し、その後B1と競合するブロックB2に署名して、B1よりも先にチェーン上に提出する。しかし、こうした行為を行えば、彼らはペナルティを受け、ステークを失うことになる。実際には、このような取り組みの中央集権的バージョンはすでに存在しているが、Rollupが分散型ソーティングネットワークを開発する進捗は遅れている。L2に分散型ソーティングを要求することは不公平だと考えることもできる。それはまるで、Rollupにまったく新しいL1を作成するのと同じ作業を求めているようなものだからだ。いくつかの理由から、イーサリアム財団の研究員であるJustin Drakeは、すべてのL2（およびL1）が共有されたイーサリアムの事前確認メカニズムを利用できるようにする方法——based preconfirmations（ベースド・プリコンファーメーション）——を推奨している。
Based Preconfirmations（ベースド・プリコンファーメーション）
Based preconfirmationsのアプローチは、イーサリアムのブロックスポーザーがMEV関連の理由から高度に洗練された参加者になるだろうという前提に基づいている（MEVに関する私の解説はこちらを参照、また提案も参照）。Based preconfirmationsはこの複雑さを利用して、成熟したスポーザーに事前確認サービスを提供するインセンティブを与える。
基本的な考え方は、ユーザーが次のブロックへの即時包含を保証し、その実行結果に関する声明を得るために追加料金を支払うことができる標準化されたプロトコルを作成することである。スポーザーがユーザーに対する約束を破った場合、彼らは罰則を受ける。
上述の通り、based preconfirmationsはL1トランザクションに保証を提供する。もしRollupが「Based Rollup」（注：Based RollupはJustin Drakeが2023年3月に提唱したもので、ソーティングが完全にL1で行われるRollup）であれば、すべてのL2ブロックはL1トランザクションとなるため、同じメカニズムを使って任意のL2に事前確認を提供できる。
実際に我々が目にするものは何か？
仮に我々がシングルスロットファイナリティを実現したとする。Orbitのような技術を使って各スロットでの署名検証者数を減らし、同時に最低ステーク量32ETHの削減も達成できれば、一石二鳥である。その結果、スロット時間は徐々に16秒まで延長されるかもしれない。そして、Rollupの事前確認またはBased preconfirmationsを使ってユーザーにさらに迅速な保証を提供する。すると我々が得るのは何だろうか？ 「エポックとスロット」のアーキテクチャである。
「これらは同一の図である」というmemeは使いすぎられているため、私はここでは数年前に私が描いた古い図とL2事前確認の図を並べて、Gasperのスロット・アンド・エポックアーキテクチャを説明したい。うまく伝われば幸いだ。
人々が必然的にエポック・アンド・スロットアーキテクチャを使う深い哲学的理由がある：ある事柄に関して「近似的な合意」に達するには、「経済的最終性」に達するよりもはるかに少ない時間がかかるからである。
シンプルな理由の一つはノードの数である。超最適化されたBLS集約や近い将来のZK-STARKのおかげで、かつての漸進的非中央集権性／最終性時間／オーバーヘッドのトレードオフは今やより穏やかに見えるが、根本的には以下の主張は依然として正しい：
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「近似的合意」には少数のノードだけで十分だが、経済的最終性には相当数の全ノードが必要である。
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ノード数がある規模を超えると、署名を集めるためにより多くの時間を要する。
現在のイーサリアムでは、12秒のスロットは(i)ブロックの公開と配布、(ii)証明（attestation）、(iii)証明の集約の3つのサブスロットに分けられている。証明者数がずっと少なければ、これを2つのサブスロットにまで減らし、8秒のスロット時間を実現できる。もう一つ実際上さらに重要な要因は、ノードの「質」である。専門化されたノードのサブセットに近似合意を任せることができ（最終性については依然として完全な検証者セットを使用する）、それなら約2秒まで短縮することが合理的に期待できる。
したがって、私は(i)スロット・アンド・エポックアーキテクチャが明らかに正しいと考えるが、(ii)すべてのスロット・アンド・エポックアーキテクチャが同じではない。我々は設計空間をもっと十分に探求すべきである。特に、Gasperのように密接に絡み合っていないスキームは探求に価する。
L2は何をすべきか？
私見では、現時点でのL2には3つの妥当な戦略がある：
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技術的・精神的に「based」になること。つまり、L2はイーサリアムL1の技術的属性と価値（高度な非中央集権性、検閲耐性など）をより優れた形で伝えるチャンネルとなる。最も単純な形では、これらRollupを「ブランドシャーディング」と見なすことができるが、さらに野心的でありうる。新しい仮想マシン設計や他の技術的改良について多くの実験を行うこともできる。
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「ブロックチェーンの足場を持つサーバー」になり、その利点を最大限に活用すること。サーバーから始めて、(i)サーバーがルールに従うことを保証するSTARK有効性証明、(ii)ユーザーが退出または強制取引を行う権利の保証、さらには(iii)大規模な協調的退出やソーター変更の投票を通じた集団選択の自由を追加すれば、オンチェーンの多くのメリットを得つつ、サーバーの効率性の大部分を維持できる。
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中間案：100ノード程度の高速ブロックチェーンを持ち、追加の相互運用性と安全性をイーサリアムから得る。これは多くのL2プロジェクトが事実上採用している現在のロードマップである。
あるアプリケーション（例：ENS、キーストア、一部の決済シーン）にとっては、12秒のブロック時間で十分である。より短い確認時間が必要なアプリケーションにとっては、唯一の解決策がスロット・アンド・エポックアーキテクチャである。この3つのケースすべてにおいて、「エポック」はイーサリアムのSSFである（首字語SSFを「single slot」以外の意味に再定義してもよいかもしれない。例えば「Secure Speedy Finality」など）。ただし、上記3ケースにおける「スロット」はそれぞれ異なる：
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イーサリアムネイティブのスロット・アンド・エポックアーキテクチャ
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サーバーによる事前確認
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委員会による事前確認
重要なのは、第(1)タイプのものをどこまで良くできるか、という点である。特にそれが非常に優れたものになれば、第(3)タイプの意義は薄れるだろう。第(2)タイプは常に存在し続けるだろう。なぜなら、PlasmaやValidiumといったオフチェーンデータL2には「based」なものは適用できないからだ。しかし、イーサリアムネイティブのスロット・アンド・エポックアーキテクチャが「スロット」（＝事前確認）時間1秒まで短縮できれば、第(3)タイプの存在空間は極めて小さくなる。
現在、こうした問いに対する最終的な答えに到達するのはまだ遠い。ブロックスポーザーはどの程度複雑になるのか？ この鍵となる問いに対する答えは、依然としてかなりの不確実性を含んでいる。Orbit SSFのような設計は非常に新しく、同様のOrbit SSF型スロット・アンド・エポック方式の設計空間は、さらに多くの探求を必要としている。我々が持つ選択肢が多ければ多いほど、L1・L2のユーザーにとってより良いものが提供でき、L2開発者の作業も簡素化できるだろう。
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