Vitalik新記事：イーサリアムの将来の可能性、ザ・マージ

2024.10.15

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Vitalik新記事：イーサリアムの将来の可能性、ザ・マージ

ステーキングの民主化、より高速なトランザクション確認、量子攻撃への耐性……イーサリアムの未来はどのようになるのか？

2024.10.15 - 11:56:25

Vitalik以太坊

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ステーキングの民主化、より高速なトランザクション確認、量子攻撃への耐性……イーサリアムの未来はどのようになるのか？

執筆：Vitalik Buterin

翻訳：Alex Liu、Foresight News

Justin Drake、Hsiao-wei Wang、@antonttc、Anders Elowsson、Francescoによるフィードバックおよび査読に感謝します。

当初、「マージ（the Merge）」とは、イーサリアムのプロトコルが導入されて以来、その歴史の中で最も重要なイベントを指していました。それは長年待ち望まれ、苦労して実現した、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行です。現在、イーサリアムは安定して稼働するプルーフ・オブ・ステークシステムとして、ほぼ2年近くが経過しています。このプルーフ・オブ・ステークは安定性やパフォーマンス、中央集権化リスクの回避において非常に優れた成果を上げています。しかし、プルーフ・オブ・ステークには依然として改善が必要な重要な分野があります。

私の2023年のロードマップでは、これを2つの部分に分けました。1つ目は技術的な機能の改善——すなわち安定性、パフォーマンス、そして小規模バリデータのアクセシビリティの向上。もう1つは、中央集権化リスクに対処するための経済的変革です。前者が「the Merge」の名を受け継ぎ、後者が「the Scourge」の一部となっています。

本稿では、「Merge」の側面に焦点を当てます。プルーフ・オブ・ステークの技術設計には、まだどのような改善の余地があるのか？また、それを達成するための道筋は何か？

これは、プルーフ・オブ・ステークで可能なすべての事項に関する網羅的なリストではなく、現在積極的に検討されているアイデアのリストです。

単一スロットでのファイナリゼーションとステーキングの民主化

何の問題を解決しようとしているのか？

現在、ブロックのファイナリゼーションには2〜3エポック（約15分）かかり、ステーカーとなるには32ETHが必要です。これは当初、以下の3つの目標をバランスさせるために採られた妥協案でした：

ステーキングに参加できるバリデータ数を最大化する（つまり、必要な最低ETH量を最小化する）
ファイナリゼーションまでの時間を最短にする
ノードの運用コストを最小化する。ここでは特に、他のすべてのバリデータの署名をダウンロード、検証、再ブロードキャストするコストのこと

これら3つの目標は互いに矛盾しています。経済的なファイナリゼーション（つまり、攻撃者が大量のETHを燃やすことでしか確定済みブロックを巻き戻せない状態）を可能にするには、各ファイナリゼーションのたびに、すべてのバリデータが2つのメッセージに署名する必要があります。したがって、バリデータ数が多くなるほど、全署名を処理するのに長い時間がかかるか、あるいは同時に処理できる非常に高性能なノードが必要になります。

ここで重要なのは、これらのすべてがイーサリアムの核心的な目標に依存している点です。成功した攻撃であっても、攻撃者にとって極めて高コストなものにすること。これが「経済的ファイナリゼーション」という言葉の意味です。もしこの目標がなければ、各ブロックのファイナリゼーションにランダムに選ばれた委員会を使用することで問題を解決できます。Algorandのような経済的ファイナリゼーションを追求しないチェーンでは、通常そうしています。しかし、この方法の問題点は、攻撃者がバリデータの51％を支配すれば、非常に低いコストで攻撃（確定済みブロックの巻き戻し、検閲、またはファイナリゼーションの遅延）を実行できることです。委員会内の少数ノードを制御するだけでよく、攻撃に関与したことが検出されればスラッシング（slashing）や社会的合意に基づくソフトフォークによって罰則が科される可能性はありますが、攻撃者は繰り返し攻撃を仕掛けることができ、毎回失うのはごくわずかなステークだけです。したがって、経済的ファイナリゼーションを求める場合、委員会ベースのシンプルなアプローチは通用せず、一見するとすべてのバリデータの参加が必要になります。

理想としては、経済的ファイナリゼーションを維持しつつ、以下の2つの課題を改善したいと考えています：

単一スロットでブロックを確定する（理想的には、現在の12秒よりも短く保つ）
バリデータが1ETHでステーキングできるようにする（32ETHより低く）

第1の目標には2つの目的があり、どちらも「イーサリアムの特性を（より中央集権的な）パフォーマンス重視のL1チェーンの特性に近づける」と言えます。

まず第一に、すべてのイーサリアムユーザーがファイナリゼーションメカニズムによって提供される高度なセキュリティ保証を実際に享受できるようにすることです。現在、多くのユーザーは15分待つことを望まないため、この恩恵を受けていません。単一スロットでのファイナリゼーションにより、取引の確認後すぐに完了したと感じられるようになります。第二に、ユーザーとアプリケーションがチェーンの巻き戻しの可能性を気にする必要がなくなる（稀なinactivity leakの場合を除く）ことで、プロトコルおよび周辺インフラの簡素化が図れます。

第2の目標は、個別ステーカー（solo stakers）を支援したいという願いから来ています。繰り返し行われるアンケート調査では、個別ステーキングを妨げている主な要因が32ETHの最低額であることが示されています。これを1ETHまで引き下げれば、この問題は解決され、他の要因が個別ステーキングの主要な制約となります。

現在の課題は、より速いファイナリゼーションとより民主的なステーキングという目標が、ともにコスト最小化の目標と衝突しているということです。実際、この事実こそが、当初から単一スロットでのファイナリゼーションを採用しなかった根本的な理由です。しかし、最近の研究により、この問題を解決するいくつかの可能性が提示されています。

それが何であるか、どのように動作するか？

単一スロットでのファイナリゼーション（SSF: Single Slot Finality）とは、1つのスロット内でブロックを確定するコンセンサスアルゴリズムの使用を意味します。これ自体は難しい目標ではありません。Tendermintコンセンサスなど、すでにこれを実現している多くのアルゴリズムがあります。イーサリアムに特有の要件は非アクティブリーク（inactivity leak）であり、Tendermintはこれをサポートしていません。非アクティブリークは、1/3以上のバリデータがオフラインでもチェーンが進行し、最終的に復旧できるようにするものです。幸いにも、これはすでに解決されています。既に提案があり、Tendermint型のコンセンサスを非アクティブリークに対応させることができます。

有力な単一スロットファイナリゼーション提案

より困難なのは、極めて高いバリデータ数と単一スロットでのファイナリゼーションを組み合わせても、ノード運用者の負荷が極端に高まらないようにする方法を見つけることです。これに対して、いくつかの有力なソリューションがあります：

オプション1：力技 — より優れた署名集約プロトコル（ZK-SNARKなどを使用）の開発により、実質的に各スロットで数百万のバリデータの署名を処理できるようにする。

Horn、より良い集約プロトコルのための設計の一つ

オプション2：オービット委員会（Orbit committees） — ランダムに選ばれた中規模委員会がチェーンのファイナリゼーションを担当する新機構だが、攻撃コストの属性を保持する形で実現する。

Orbit SSFについて考える一つの方法は、x=0（経済的終局性なしのAlgorandスタイルの委員会）からx=1（現行のイーサリアム）までの妥協点を探し、その中間で「十分な経済的ファイナリゼーションを持ちながらも、各スロットで中規模のランダムバリデータサンプルのみを必要とするため効率性の利点を得られる」領域を開拓することです。

Orbitは、バリデータ預入額の異質性を活かして可能な限り多くの経済的ファイナリゼーションを得つつ、小規模バリデータにも適切な役割を与えます。さらに、Orbitは委員会のゆっくりとしたローテーションにより、隣接する法定人数（adjacent quorums）間に高い重複を確保し、委員会切り替えの境界でも経済的ファイナリゼーションが維持されることを保証します。

オプション3：二段階ステーキング — 預入額が高い層と低い層の2種類のステーカーを持つ機構。経済的ファイナリゼーションに直接関与するのは高額層のみ。低額層がどのような権利と責任を持つべきかについてはさまざまな提案があります（例：レインボーステーキング）。共通するアイデアには以下が含まれます：
上位層のステーカーにステーキングを委任する権利
各ブロックの承認とファイナリゼーションにランダムに選ばれた下位層のステーカーを必要とする
包含リスト（inclusion lists）の生成権

既存の研究との関連は？

単一スロットファイナリゼーションへの道（2022）: https://notes.ethereum.org/@vbuterin/single_slot_finality
イーサリアム向け単一スロットファイナリゼーションプロトコルの具体的提案（2023）: https://eprint.iacr.org/2023/280
Orbit SSF: https://ethresear.ch/t/orbit-ssf-solo-staking-friendly-validator-set-management-for-ssf/19928
Orbit方式メカニズムのさらなる分析: https://ethresear.ch/t/vorbit-ssf-with-circular-and-spiral-finality-validator-selection-and-distribution/20464
Horn、署名集約プロトコル（2022）: https://ethresear.ch/t/horn-collecting-signatures-for-faster-finality/14219
大規模コンセンサスのための署名マージ（2023）: https://ethresear.ch/t/signature-merging-for-large-scale-consensus/17386?u=asn
Khovratovichらが提案した署名集約プロトコル: https://hackmd.io/@7dpNYqjKQGeYC7wMlPxHtQ/BykM3ggu0#/
STARKベースの署名集約（2022）: https://hackmd.io/@vbuterin/stark_aggregation
レインボーステーキング: https://ethresear.ch/t/unbundling-staking-towards-rainbow-staking/18683

何をすべきか、どのようなトレードオフがあるか？

主に4つの道が考えられます（混合路線もあり得ます）：

現状維持
力技SSF
Orbit SSF
二段階ステーキング付きSSF

(1)は何もせず現状を維持するという意味ですが、それによりイーサリアムのセキュリティ体験とステーキングの中央集権化傾向が悪化します。

(2) 高度な技術を用いて問題を力技で解決する。これには、非常に短時間（5〜10秒）で多数の署名（100万以上）を集約する必要があります。このアプローチの本質は、システムの複雑性を最小化するために、カプセル化された複雑性を受け入れることです。

(3) 「高度な技術」を避け、プロトコルの前提を巧妙に再考することで問題を解決します。経済的ファイナリゼーションの要件を緩和し、攻撃コストが高くつくようにしつつ、それが今日の10倍未満（例えば25億ドル、250億ドルではない）でも許容できるようにします。現在のイーサリアムの経済的ファイナリゼーションは必要以上に強固であり、主なセキュリティリスクは他にあると考えられているため、これは受け入れ可能な犠牲と言えるかもしれません。

主な作業は、Orbitメカニズムが安全で所望の性質を持っていることを検証し、完全に形式化して実装することです。また、EIP-7251（最大有効残高の増加）により、任意のバリデータ残高の統合が可能になり、チェーン検証のオーバーヘッドをある程度即座に削減でき、Orbit導入の初期段階として機能します。

(4) 巧妙な再考や高度な技術を避けますが、中央集権化リスクを伴う二段階ステーキングシステムを作成します。リスクの程度は、低額層に与えられる具体的な権利に大きく依存します。例えば：

低額層のステーカーが証明権を上位層に委任する必要がある場合、委任先が集中化する可能性があり、結果として2つの高度に中央集権化されたステーキング層が生まれます。
各ブロックの承認に低額層のランダムサンプルが必要な場合、攻撃者はごく少量のETHを使ってファイナリゼーションを阻止できます。
低額層のステーカーが包含リストの生成しかできない場合、証明レイヤーは中央集権化されたままとなり、証明レイヤーに対する51%攻撃によって包含リストを単独で検閲できます。

複数の戦略を組み合わせることも可能です。例えば：

(1 + 2)：単一スロットファイナリゼーションなしでOrbitを追加

(1 + 3)：単一スロットファイナリゼーションなしで、力技技術を用いて最小預入額を削減。必要な集約量は純粋な(3)の場合より64倍少なくなり、問題が容易になります。

(2 + 3)：保守的なパラメータ（例：8kや32kではなく128kバリデータ委員会）でOrbit SSFを実施し、技術的に超効率化する。

(1 + 4)：単一スロットファイナリゼーションなしでレインボーステーキングを追加

ロードマップの他の部分との相互作用は？

単一スロットファイナリゼーションは、特定タイプのマルチブロックMEV攻撃のリスクも低下させます。また、単一スロットファイナリゼーションの世界では、証明者－提案者分離設計やプロトコル内ブロック生成パイプラインも異なる設計が必要になります。

力技戦略の弱点は、スロット時間を短縮するのが難しくなる点です。