イーサリアムメインネット2021年年末レビュー：Rollupは拡張計算の最良の短期ソリューション
本文は、2021年にイーサリアムメインネットで行われた4回のハードフォークを振り返り、どのような改善が行われたかを概説しています。また、イーサリアム2.0のロードマップの進化過程を整理しています……原文タイトル：イーサリアムメインネット 2021 年末レビュー
原文著者：ECN
イーサリアム財団の Tim Beiko は 11 月に「プルーフ・オブ・ステークへの移行プロセスの理解」というテーマで講演を行いました。このシェアでは、彼は 2021 年にイーサリアムメインネットで行われた 4 回のハードフォークを振り返り、それぞれの改善点を概説しました。また、イーサリアム 2.0 のロードマップの進化過程を整理し、なぜ現在はロールアップを中心にし、実行可能なビーコンサインチェーンのアーキテクチャを採用しているのかを説明しました。さらに、合併後のイーサリアムアーキテクチャと移行のプロセスを詳細に分析し、2021 年にクライアントチームが合併の実現とテストを探索した経緯を振り返り、現在の進捗と今後の実現計画について説明しました。
この講演は、イーサリアムメインネットの過去一年のまとめとして非常に適しており、ECN はこのビデオの講演部分を翻訳し、関連する記事リソースを補足および索引として添付し、読者が再確認し整理しやすくしました。
2021 年のイーサリアムの 4 回のハードフォーク ベルリンアップグレード (4 月) 取り入れられた EIP：
➤ EIP-2565：モジュラス冪演算のガスコスト (ModExp Gas Cost)
以前に導入されたモジュラス冪演算のプリコンパイルモジュールに関する EIP-198 (大数モジュラス冪演算) の再評価を行い、このモジュールは RSA 署名検証など、モジュラス冪演算を必要とする多くの暗号アルゴリズムを導入することを可能にしました。EIP-2565 は、このモジュール ModExp (0x00..05) のガスコストを引き下げ、他の操作のコストレベルと同等にしました。
➤ EIP-2718：型付きトランザクションエンベロープ (Typed Transaction Envelope)
この提案は、新しいトランザクションタイプを導入し、さまざまなトランザクションタイプをより簡単にサポートできるトランザクションエンベロープを提供します。イーサリアムがメインネットを開始したとき、トランザクションタイプは 1 つだけで、「To」フィールド（トランザクションの送信先を指定）と「Data」フィールド（トランザクションに含まれる任意のデータ）があり、これによりイーサリアムクライアントは完全に同じ時間に完全に同じ変更を行う必要がありました。その後、トランザクションタイプが変更され、スプリアスドラゴン (Spurious Dragon) ハードフォーク時に EIP-155 (リプレイ攻撃の簡単な防護) が導入され、クライアントがフィールドを異なる解釈をすることが許可されました。EIP-2718 は EIP-155 によって導入された複雑さを解決することはできませんが、将来的にさらに複雑さが導入されるのを防ぎ、新しいトランザクションタイプの追加を簡単にします。例えば、EIP-1559 タイプのトランザクションです。
➤ EIP-2929：状態アクセスオペコードのガスコストの増加 (Gas cost increases for state access opcodes)
この EIP は、トランザクションが初めて SLOAD、CALL、BALANCE、EXT、および SELFEDESTRUCT を呼び出す際のガスコストを引き上げます。ただし、各アドレスまたはストレージスロットに対して、この高コストは初回のトリガー時にのみ発生し、その後の複数回の呼び出しでは毎回 100 ガスのみ消費されます。これらのガスコストを引き上げることは、イーサリアムプロトコル上に残る最大の DoS 攻撃ベクトルの影響を緩和する一方で、将来的に無状態イーサリアムの制限を実現するための証拠データのサイズを制限するためでもあります。
➤ EIP-2930：オプションのアクセスリスト (Optional access lists)
この提案の目的は、EIP-2929 が既存の契約にもたらす破壊を修正し、ガスコストの増加による問題を緩和することです。この提案は、新しいトランザクションタイプを追加し、トランザクション計画がアクセスする予定のアドレスとストレージ項目キーを含むアクセスリストを含みます。アクセスリストを指定することで、クライアントはトランザクションをより簡単に処理でき、ガス消費量を安全に削減できます。
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《ベルリンハードフォーク後のガスコスト》
《イーサリアムベルリンアップグレードのお知らせ》 ロンドンアップグレード (8 月) 取り入れられた EIP：
➤ EIP-1559: Eth1.0 手数料市場の変更 (Fee market change for ETH1.0 chain)
EIP-1559 はイーサリアム史上最も期待されている変更の一つであり、ロンドンアップグレードで最大の変更をもたらす EIP です。この EIP は、ネットワークのブロックに「基本料金 (base fee)」を導入し、これがガス価格を追跡します。これらの価格は、ネットワークが受け入れるトランザクションのブロックスペースの需要に基づいています。これにより、ウォレットやユーザーはトランザクションの価格をより簡単に予測できるようになります。さらに、EIP-1559 は新しいトランザクションタイプを追加し、ユーザーは支払う意向のある最高限度額を指定できます。この最高限度額をマイナーに送信すると、最高限度額から基本料金とマイナーのチップの合計を引いた差額が返金されます。最後に、この EIP は一部のトランザクション手数料が焼却されることをもたらし、これはコミュニティの大多数によってイーサリアムネットワークの経済的改善の重要な措置と見なされています。
➤ EIP-3198: BASEFEE オペコード (BASEFEE opcode)
この EIP は EIP-1559 と組み合わせて使用されます。これは、トランザクションが実行されるブロックの基本料金を返す BASEFEE オペコードを単純に追加したものです。これにより、スマートコントラクトはこの値にオンチェーンでアクセスでき、詐欺証明の提出や信頼のないガス価格デリバティブの作成に役立ちます。
➤ EIP-3529: ガス返還の削減 (Reduction in refunds)
ロンドンで導入されたもう一つの重要な変更は、SELFDESTRUCT オペコードのガス返還を廃止し、SSTORE オペコードのガス返還を削減したことです。返還を設ける目的は、開発者が可能な場合に状態をクリアすることを奨励することでしたが、現実にはこれがガストークンの出現を引き起こし、逆に状態のサイズを増加させました。これらの返還されたガスを利用して、ガストークンはガス価格が低いときに状態を満たし、ガス価格が上昇したときにこれらのトランザクションを実行するための返還を得ることができます。さらに、ガス返還はブロック実行時間の変化を引き起こす可能性があります。EIP-3529 は「実行ガス返還」を 50% から最大 20% に引き下げました。この変更は、EIP-1559 によって導入された追加のブロックサイズの変化を相殺するのに役立ちます。なぜなら、EIP-1559 はブロックが使用するガスが現在のガスリミットの 2 倍であることを許可するからです。
➤ EIP-3541: 0xEF バイトで始まる新しいアドレスの拒否 (Reject new contracts starting with the 0xEF byte)
この EIP は、ロンドンアップグレード後に 0xEF バイトで始まる新しいコントラクトがデプロイできなくなることを意味します。これらは、EIP-3540 の意味に合致する方法として後に保存されます。EIP-3540 が提案した EVM オブジェクトフォーマット (EVM Object Format, EOF) は、展開時に一度だけ検証される拡張可能でバージョン管理された EVM バイトコードコンテナフォーマットです。したがって、EIP-3541 は将来的なより広範な EVM 改良の基盤を築くものです。
➤ EIP-3554: 難易度爆弾を 2021 年 12 月 1 日まで延期 (Difficulty Bomb Delay to December 1st 2021)
EIP-3554 は難易度爆弾を延期し、氷河期としても知られています。難易度爆弾または氷河期は、イーサリアムがプルーフ・オブ・ステークに移行する際に「マイニング」を「凍結」するメカニズムです。プルーフ・オブ・ステークへの移行がまだ準備できていないため、爆弾の「爆発」時間を延期する必要があります。これは過去に 3 回行われました：メトロポリス (EIP-649)、コンスタンティノープル (EIP-1234)、およびミュール氷河 (EIP-2384)。
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《EIP-3529：ガス返還の削減》 ビーコンサインチェーン Altair アップグレード (10 月) Altair はビーコンサインチェーンのアップグレードであり、追加された機能には以下が含まれます：
軽量クライアントの同期委員会のサポート
規格の複雑性を減らすためのインセンティブ計算の改革
インセンティブの互換性を高めるための証明報酬の修正
各バリデーターの怠慢罰則を個別に計算
罰則パラメータを元の罰則レベルに更新
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《Altair アップグレード解説 (第 30 回イーサリアム七日談)》
各期の《コンセンサス層進捗更新》 Arrow Glacier アップグレード (12 月) Arrow Glacier は Muir Glacier に似た別のネットワークアップグレードです。これは、難易度爆弾を来年の夏まで延期する EIP 1 つのみを含み、ブロックチェーンが凍結するのを防ぐためのものです。
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イーサリアム 2.0 ロードマップの進化過程
2018 年の台北でのセミナーで、イーサリアムのコア開発者は 3 つの段階に分かれたイーサリアム 2.0 のロードマップを発表しました。各段階で提供される内容は以下の通りです：
段階 0 ではビーコンサインチェーンが導入されます
段階 1 ではデータシャーディングが追加されます
段階 2 では各シャードに仮想マシンが追加され、システム内で計算を実現します。
2020 年末には、ビーコンサインチェーンが起動する直前に、段階 1 の作業は順調に進んでいましたが、段階 1 で導入されるシャーディングに計算機能を実装する段階 2 にはまだ多くの未解決の問題がありました。同時に、ロールアップ（つまり、レイヤー 2 のスケーリングソリューション）に関しては非常に迅速な進展がありました。複数のチームがテストネットを立ち上げ、鼓舞されるような初期成果を上げました。この頃、Vitalik は Ethereum Magicians フォーラムで長文を発表し、短期および中期のスケーリング作業をロールアップに集中させるべきだと論じました。これらは段階 2 が完了する前にメインネットに上がるだけでなく、段階 1 の最大の受益者でもあります。
同年 11 月、Mikhail Kalinin が発表した「実行可能ビーコンサインチェーン (Executable Beacon Chain)」は、現在の合併アーキテクチャを提案し、いくつかの洞察をもたらしました：
ビーコンサインチェーンはすでに起動しており、現在はコンセンサスエンジンとして使用できます；
ロールアップは計算を拡張するための最良の短期解決策です；
現在の Eth1 クライアントは合併後の実行層の最良の基盤です；
プルーフ・オブ・ステークへの移行は、現在稼働中のアプリケーションへの影響を最小限に抑える方法で実現できます。
記事の中で、Mikhail はプルーフ・オブ・ステークをクライアントとして使用する新しいコンセンサスアルゴリズムとして直接提案しました。
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合併後のアーキテクチャと合併プロセス
概括すると、合併後、クライアントは PoW チェーンに基づいてイーサリアムの最新有効ブロックを決定するのではなく、PoS チェーンに基づいて決定します。さらに、クライアントのほとんどの機能、より重要な EVM、その状態、およびトランザクションの実行方法は変わりません。現在の Eth1 および Eth2 クライアントはそれぞれイーサリアムの実行層とコンセンサス層（またはエンジン）に変わります。これは、Eth1 またはビーコンサインチェーンクライアントのノード運営者が完全な検証ノードを持つためにスタックの「もう一方」を運営する必要があることを意味します。
合併のプロセスでは、ビーコンサインノードが現在の PoW チェーンを監視し、ブロックの総難易度が設定された TERMINALTOTALDIFFICULTY（終結総難易度）に達すると、そのブロックは最後の PoW ブロックとなり、その後のブロックはビーコンサインチェーン上のバリデーターによって構築および証明されます。このブロックがビーコンサインチェーン上で最終的に確定されると、合併が完了します。
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合併の実現の経緯と計画
合併の実現に向けた 3 回の重要なイベントは、4 月の Rayonism ハッカソン、10 月の Amphora ワークショップ、および 11 月に開始された Kintsugi プロジェクトです。
実行可能ビーコンサインチェーンアーキテクチャの実現可能性を検証するために、1 ヶ月にわたる Rayonism ハッカソンで、クライアントチームはプロトタイプを設計し、テストネット Nocturne を構築し、実行可能ビーコンサインチェーンが実現可能なアーキテクチャであることを証明しました。
10 月には、Amphora ワークショップの活動中に、クライアントチームが再び集まり、規格上の未解決の問題を解決しました。活動の最後に、クライアントチームはすべてのクライアントの組み合わせの変換プロセスを実行し、合併後のブロックを最終的に確定しました。
Amphora 活動の後、4 回の短期間の開発テストネットを経て、開発者は Kintsugi テストネット計画を発表しました。11 月から 12 月中旬の期間中、毎週開発者が新しい開発テストネットを立ち上げ、前回のものを基に改善を行いました。クリスマス休暇中には、長期的な公共テストネットが立ち上がり、参加者をテストに参加するよう奨励しました。
現在、実現作業は 80%~90% 完了しており、Arrow Glacier は難易度爆弾を来年の 6 月まで延期しました。つまり、来年の 6 月までは主にテスト作業が行われます。
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