四大DA層の全面比較：Avail、Celestia、イーサリアム、EigenDA

執筆：Avail Team

編纂：Modular 101

異なるデータ可用性層の間にはどのような違いがありますか？この記事では、さまざまな方法の利点と欠点を探ります。

近年、拡張実行（scaling execution）への関心の高まりにより、Layer2が採用され始めています。同時に、ますます多くの参加者が限られたブロックスペースと高額なコストによる成長の課題に直面しています。彼らは、ブロックチェーンのスケールを効果的に拡大するためには、拡張可能なデータ可用性層が非常に重要であることに気づき始めています。これは、さまざまなタイプのロールアップをサポートするために、コストを節約し、より大きなブロックスペースを持つ基盤技術層が必要であることも意味します。

Availや他のいくつかのチームは、ゼロから拡張可能なデータ可用性ソリューションを構築していますが、Ethereumのような他のチームは、既存のブロックチェーンのデータ可用性容量を増やそうとしています。どのアプローチを取るにせよ、開発者が今日選択する基盤層は、今後数年間の競争優位性を決定することになります。

Availは急速に発展しているモジュラーエコシステムの一部であり、ブロックチェーンのデータ可用性を向上させることを目指しています。Availの他にも、CelestiaやEigenDAなどのデータ可用性（DA）ソリューションが同じ目標に向かって努力しています。さまざまなソリューションは、ブロックチェーンのスケーラビリティを実現するために異なる戦略と技術的アプローチを採用しています。その一例として、Ethereumは現在、Proto-Dankshardingと呼ばれる技術を採用しており、これはEIP-4844としても知られています。この技術は、Ethereumがその長期目標である完全なDanksharding技術を実現するための一歩です。

この記事では、各アプローチの利点と欠点を評価します。さまざまな設計選択を強調し、皆さんが全体像を理解できるようにし、開発者が最適なDA層を見つける手助けをします。

まずは概要から始め、その後各カテゴリに深く入りましょう：

ネットワークセキュリティ

基盤層を考慮する際、ネットワークのセキュリティと弾力性が最初に注目される事項です。以下は、ネットワークの強度を確認する際の重要な要素です。

コンセンサスメカニズム

コンセンサスメカニズムには、活性とセキュリティの間に基本的なジレンマがあります。活性は取引が迅速に処理され、ネットワークが稼働し続けることを保証し、セキュリティは取引が正確かつ安全であることを保証します。異なるブロックチェーンシステムは、それぞれのユニークなユースケースに応じて、適切なバランスを達成するために異なる選択を行います。

AvailはPolkadot SDKのBABEとGRANDPAの2つのコンセンサスメカニズムを使用しています。BABEは主にブロックを生成するために使用されます。ネットワークの活性を確保するために、検証ノードと調整し、どのノードが新しいブロックプロデューサーになるかを決定します。GRANDPAは主にブロックの最終確認を担当します。3分の2を超える検証者が特定のブロックを含むチェーンを確認すると、GRANDPAはその特定のブロックまでのすべてのブロックを確認することを許可します。この2つのメカニズムを組み合わせることで、Availは混合型の台帳を形成し、ネットワークの弾力性を強化し、ネットワークの一時的な分断や多数のノードの故障が発生した場合でも正常に機能できるようにしています。

Availの設計選択は、Ethereumで使用されているCasperとLMD GHOSTに似ています。LMD GHOSTはEthereumのブロック生成エンジンであり、BABEのような確率的な最終性に依存し、GRANDPAのようなCasper FFGは最終性保証を提供する最終メカニズムです。

CelestiaはTendermintの設計選択を使用しており、生成時にブロックを確認することができます。しかし、この選択のトレードオフは、3分の1を超えるオペレーターまたは検証者が停止した場合、チェーンが停止するリスクがあることです。同様に、ブロックの最終性はデータの可用性を保証するものではないことに注意することも重要です。Celestiaは詐欺証明（fraud-proof）に基づく設計を採用しています。この設計では、ブロックが迅速に最終性を得た場合（つまり、確認され、変更されないことが保証された場合）でも、ユーザーは関連データが可用であることを確信するまで待つ必要があります。

データ可用性委員会（Data Availability Committees、略称DAC）は、データがアクセス可能であることを保証するか、データの可用性を検証する責任を持つ組織または実体のグループです。彼らがデータが可用であることを確認すると、特定の暗号署名を使用してその確認を示します。これは、過半数の委員会メンバーが特定のデータが可用であることに同意した場合、彼らがその事実を証明するために特別なデジタル署名を採用することを意味します。

EigenDAはそのようなDACであり、Ethereumのメインチェーンに直接保存されないため、「オフチェーン」（off-chain）DACと呼ばれています。Ethereumネットワークの検証者はEigenDAに参加する権利があります。DACメンバーが特定のデータの可用性を確認すると、彼らはスマートコントラクトに基づく証明または声明を提供します。この証明は、彼らがデータの真実性または完全性を検証したことを示します。さらに、データの順序や構造を確保するために、DACメンバーは外部の独立したサービスに依存してデータをソートまたは整理します。

非中央集権化

ネットワークのセキュリティを考慮する際、考慮すべき2つの重要な要素があります：総質権額とその質権の分布。非中央集権化の程度、つまり質権額がどのように均等に分布しているかは、ネットワークのセキュリティに直接影響します。潜在的な攻撃のコストは、ネットワークのセキュリティを評価するために使用されます。これは、質権の額がより大きな検証者の集合に均等に分布している場合、ネットワークを攻撃しようとする破壊者が同じ質権額を得るためにより多くのノードを説得する必要があるからです。

AvailはPolkadotから指名権証明（NPoS）を継承しており、最大1,000の検証者をサポートできます。順序的なPhragmén方式を採用しているため、NPoSは効果的な報酬配分を持ち、質権の中央集権化のリスクを減少させます。

Availはすべてのデータ可用性ソリューションの中でユニークであり、その軽量クライアントのP2Pネットワークからデータをサンプリングする能力を持っています。これは、他のシステムがネットワークに問題やボトルネックが発生したときに完全にフルノードに依存するのとは対照的です。この特性により、Availは他の既存および今後のデータ可用性ソリューションと区別されます。この特性を持つことで、Availは効率的で信頼性の高いバックアップメカニズムを提供し、障害が発生した場合でもデータの可用性を確保します。これにより、Availのデータ可用性ネットワークの安定性と耐障害性がさらに強化されます。

CelestiaはTendermintをコンセンサスプロトコルとして採用しており、検証者の集合は数百に達します。

一方、Ethereumは単一のブロックチェーンとして、90万を超える検証者ノードを持ち、セキュリティのゴールドスタンダードとされていますが、この数字の中でネットワークの分布の程度は十分に反映されていません。

対照的に、DACは通常、ブロックチェーンデータの可用性を確認する責任を持つノードが少数しか含まれません。

重要なのは、再質権のプロセスはEthereumから得られるセキュリティに依存しておらず、そのセキュリティは主にそのプラットフォーム上で再度行われるEtherの質権の総額に依存していることです。つまり、再質権自体はそのプラットフォームのセキュリティを向上させる直接的な助けにはならず、Ethereum上にロックされた既存の質権の一部を利用しているだけです。

EigenDAはそのフルノードの集約署名から得られます。しかし、データ可用性サンプリングと比較して、スマートコントラクトを介して検証される声明は、同じレベルのデータ可用性（DA）保証を提供できません。EigenLayerは再質権の戦略を採用しており、Ethereum上でロックされた資金や資産を使用して質権を行い、自身のネットワークをサポートします。しかし、このアプローチは一部の批判を受けており、特定の検証者を再利用し、コンセンサスメカニズムの過負荷を引き起こす可能性があります。

実行環境の追加消費

過去10年間、スマートコントラクト機能を持つ単一のブロックチェーンは画期的な革新をもたらしました。しかし、データ可用性、実行、決済が統合されたこの時代の最先端技術であるEthereumでさえ、顕著なスケーラビリティの制限をもたらしました。これらの制限は、実行をチェーン外に移し、EIP-4844（Proto-dankshardingおよびDankshardingとも呼ばれる）などの改善提案の発展を促しました。

神聖なスマートコントラクトは状態を定義し、ロールアップへの橋渡しを行います。この方法では、Ethereumがロールアップの正確性を検証する権威と基準として機能します。

Availは実行と決済を基盤層から分離し、ロールアップが直接Availにデータを公開できるようにします。このモジュラーアプローチの利点は、Availに基づくロールアップがAvailのP2P軽量クライアントネットワークを利用してその状態を簡単に検証できることです。さらに、このネットワークが実行証明を伝達するために使用される場合、ロールアップはスマートコントラクトや基盤層に依存せずに自らアップグレードする能力を持ちます。これにより、ロールアップはより大きな柔軟性と自律性を得ます。この新しいアプローチは、開発者にニーズに応じて拡張可能な基盤層を提供し、任意の実行サポート層（supported layer）を選択して決済を行うためのブリッジオプションを与えます。

CelestiaはAvailと類似のアプローチを採用しています。唯一の違いは、その軽量クライアントがフルノードがダウンした場合にネットワークをサポートできないことです。

EigenDAにも固定の決済層はありません。

発展の可能性

データ可用性（DA）層のセキュリティと弾力性に加えて、その上に構築されるロールアップやブロックチェーンの増加する需要を受け入れる能力は、彼らの成功にとって重要です。考慮すべきいくつかの重要な要素を見てみましょう。

有効性証明

有効性証明について議論する際、データ可用性層における詐欺証明と有効性証明のトレードオフを理解することが重要です。Availが使用するKZGコミットメントは、DAの有効性証明を確保するためのもので、メモリ、帯域幅、ストレージの要件を削減し、簡潔さを提供します。これは、証明のサイズが多項式の複雑性に影響されずに固定されることを意味します。これにより、KZGコミットメントは、効率、プライバシー、スケーラビリティが重要なゼロ知識ベースのブロックチェーンにとって理想的な選択肢となります。

さらに、Availの軽量クライアントは迅速にデータにアクセスし、サンプリングし、正しいブロックエンコーディングを確保し、新しいブロックが最終確定されるときにデータ可用性保証を提供しますが、詐欺証明はチャレンジ期間の終了を待つ必要があります。KZGコミットメントとAvailの軽量クライアントの組み合わせは、Avail上での検証プロセスを加速し、その上に構築されたロールアップや主権チェーンがその迅速な検証プロセスを利用できるようにし、今後数年間のブロックチェーン設計におけるスケーラビリティと柔軟性を生み出します。この検証方法は、AvailがCelestiaのようなDA層と区別される重要な要素です。

Celestiaは安全なハッシュ関数を使用しており、これはKZGコミットメントの生成よりもはるかに速いです。ここでのトレードオフは、彼らが詐欺証明に依存して消去符号の正確性を確認する必要があるため、データ可用性保証を確保するための潜在的な遅延が生じることです。

Celestiaの軽ノードは、データが可用であるかどうか、またはまだ受信していない詐欺証明があるかどうかを明確に確認することができません。言い換えれば、詐欺証明の使用は、ネットワークの軽ノードがサンプリング後にデータの可用性を明確に確認する能力を低下させます。なぜなら、楽観的検証の一部には必要なチャレンジ期間が必要だからです。

EigenDAはKZGコミットメントを使用し、完全なデータブロックではなく少量のデータをダウンロードし、有効性証明を採用します。彼らのアプローチは、消去符号を使用してデータを小さなブロックに分割し、オペレーターに完全なデータブロックサイズの一部をダウンロードして保存するよう要求します。

Ethereumについては、現在のバージョンは有効性証明を使用していませんが、EIP-4844と完全なDankshardingは実施時に有効性証明を採用する予定です。

拡張能力

Ethereum上の制限、例えば高額なコストや遅い取引がL2の急増を引き起こしました。これらはEthereumの実行層となり、ブロックスペースの需要を増加させています。現在、Ethereumにデータを公開するコストは、ロールアップの総コストの70%から90%を占めると推定されています。これは、Ethereum上で開発される検証者やアプリに追加のコストをもたらします。

AvailやCelestiaのような基盤層はこの問題を解決することを目指しています。彼らはデータ可用性を最適化し、需要の増加に応じて動的にブロックサイズを拡張する能力を持っています。軽量クライアントとデータ可用性サンプリング（DAS）を組み合わせることで、彼らはネットワークの需要が増加する際にデータ可用性ブロックサイズを拡張する利点を持っています。これは、ブロックスペースが増加するにつれて、その上に構築されたアプリが影響を受けないことを意味します。なぜなら、これらのネットワーク内の軽量クライアントがDASを実行できるからです。

2023年9月時点で、Ethereumは1910億ドルの時価総額を持つ最大のコミュニティを有しています。Ethereum上に構築されたプロトコルは規模の経済を享受していますが、過去数年間のブロックスペースの制限により、高額な取引コストにも直面しています。ロールアップの成長に伴い、ユーザー数と取引量はピークに達し、ロールアップは実行の最良の選択肢となっています。ブロックチェーン技術がより普及するにつれて、ブロックスペースの需要は今後も増加し続けるでしょう。

DACはその単純な中央集権的アプローチにより拡張可能ですが、一部のロールアップはDACを一時的な手段として使用し、非中央集権的なDAソリューションを設計するまでの間に利用しています。

データ可用性サンプリング

AvailとCelestiaはデータ可用性サンプリング（DAS）を持つ軽量クライアントをサポートしており、軽量クライアントが最小限の信頼性のセキュリティを提供できるようにします。前述のように、主な違いは検証の方法と、障害やボトルネックが発生した場合にAvailの軽量クライアントP2Pネットワークがフルノードの代わりにネットワークをサポートする方法です。

対照的に、EIP-4844後のEthereumはDASを装備しません。これは、軽量クライアントがこのアップグレードされた最小限の信頼性のセキュリティ機能を持たないことを意味します。さらに、EthereumのDAソリューションにはそのスマートコントラクト環境が含まれています。完全なdankshardingでは、blobスペースを拡張するためにDASが実施される予定であり、これは今後数年内に実現されると予想されています。

EigenDAのセキュリティは、データ可用性サンプリング（DAS）がないため、少数のフルノードや他の実体に対する信頼に基づいています。プロトコルの完全性は、委員会内の絶対多数が誠実であり、少なくとも1つの実体がデータのコピーを持っていることに依存しています。これは楽観的構造に似ています。二重法定数の方法は単一法定数よりもセキュリティを向上させますが、DASによる独立した検証の理想的な状況には達していません。

コスト

混雑と需要に対して、Ethereumは最も高価なソリューションです。EIP-4844があっても、Ethereumは依然として高価であり、単発のブロックスペースの増加しか提供しません。DACは最も安価ですが、これはより中央集権的なアプローチを取ることの代償です。

実行層がないため、AvailとCelestiaは低コストを維持できます。彼らはブロックスペースを簡単に増加させることができ、今日のEthereumはDASなしではそれができません。

EigenDAは、柔軟なコストモデルを導入することを示していますが、可変料金と固定料金の両方を含みますが、その実際のコストはまだ発表されていません。

パフォーマンスのハイライト

成長の可能性を確認したので、これらのブロックチェーンのパフォーマンスを見てみましょう。

ブロック時間

上記の表を参照して、各ブロックを構築するのに必要な時間を確認してください。

ブロックを構築するのに必要な時間だけでブロックチェーンのパフォーマンスを測定するのは単純です。なぜなら、この指標はブロックの確認から検証の完了までのプロセスの一側面にしか関与していないからです。即時の確定性を提供するコンセンサスメカニズムがあっても、詐欺証明に基づく方法を使用する場合、DAの検証には時間がかかることがあります。

EthereumはCasperを使用して64〜95スロットごとにブロックを最終確定します。これは、Ethereumのブロックの確定性が約12〜15分であることを意味します。

EigenLayerはブロックチェーンではなく、Ethereum上で動作するスマートコントラクトのセットです。これは、Ethereumと同じ確定性時間を継承することを意味します。したがって、ユーザーがロールアップに取引を送信すると、ロールアップはその取引のデータをEigenLayerに転送してデータが可用であることを証明する必要があります。しかし、Ethereumのブロックが最終確定されるまで、取引は完了したと見なされず、ロールアップが取引を受け入れた場合でも遅延が生じます。より迅速なDA保証を提供し、暗号経済的手段で問題を回避する方法が議論されています。

ブロックスペース

ロールアップが将来の実行層となるにつれて、ブロックスペースの需要は増加する一方です。AvailやCelestiaのようなDA層は、そのモジュラー設計により需要を満たすことができ、Ethereumのブロックスペースの成長は制限されます。AvailのKateテストネットはブロックサイズを2MBに設定しており、このブロックサイズはコピーされて消去符号化されて4MBになります。Availのユニークな点は、高効率のクライアント検証技術を使用してブロックサイズを増加させる能力です。内部ベンチマークテストにより、Availは128MBのブロックサイズを問題なくテストしました。

Celestiaも、DASのおかげでブロックスペースの需要が増加するにつれてブロックサイズを増加させることができます。

EigenDAは、DAとコンセンサス、消去符号、直接のユニキャストを分離することでスループットを拡張します。しかし、これは上に構築されたロールアップが基盤層の検閲耐性を継承できないという代償を伴います。

まとめ

堅実な基盤層を選択して構築することは挑戦的である可能性があります。この記事が、異なる設計選択の利点と欠点をより理解し、あなたに適したDA層を選ぶ手助けとなることを願っています。