Stacks Nakamoto アップグレード、飛び出す準備が整った蝶

著者：DeSpread

ビットコインネットワークに新たな可能性を示す

2023年初頭、「オーディナル（Ordinals）」がビットコインネットワークに導入され、ネットワークのブロックスペースをどのように扱うべきかについて新たな議論を引き起こしました。同年5月、市場でのBRC-20の需要が急増し、ビットコインネットワークが一時的にブロックを処理できなくなり、世界最大の中央集権型取引所であるバイナンスがビットコインの出金を一時停止せざるを得なくなりました。

オーディナルの名前は「順序を示す数字」を意味する「ordinal」に由来し、2023年1月にCasey Rodarmorによって作成されたプロトコルで、ビットコインスクリプトを改編し、任意のデータをビットコインの最小単位である「サトシ（sats）」に付加する機能を実現しました。オーディナルを通じてビットコインブロックチェーンにテキスト、画像、音声、動画、コードを保存できるため、ビットコインエコシステム上に多くのPFPやNFTが登場し、イーサリアムと同様の状況が生まれました（詳細はこちら）。

4月24日現在、市場価値ランキング上位10のNFTコレクション；出典：Coingecko

現在、オーディナルが登場して1年以上が経過し、ビットコインネットワーク上で発行されたNFTプロジェクトの中で、NodeMonkes、Runestone、Bitcoin Puppetsの3つが全てのNFT市場価値のランキングで上位10位に入っており、スマートコントラクトプラットフォームとしての潜在能力を示しています。

ビットコインL2とStacks

これにより、ビットコインネットワーク上でのL2プロジェクトが急増しました。defillamaのデータによれば、この記事執筆時点（4月15日）で、「ビットコインサイドチェーン」として分類された11のプロジェクトがあり、総TVLは約9億ドルに達しています。これらのプロジェクトが実際にビットコインネットワークをL1として利用しているかどうかについては議論がありますが、急成長しているTVLとプロジェクト数は、ビットコインの物語に対する市場の関心が高まっていることを反映しています。

これらのプロジェクトの中で、Stacksの最近の発展は特に際立っています。Stacksは2017年に立ち上げられたOGプロジェクトであり、2021年からはビットコインネットワークにスマートコントラクトを導入することを目指しています。ここでは、Stacksの現状と、間もなくリリースされる重要なアップグレード「中本アップグレード」について探ります。

Stacksの始まり - Blockstack

Munib Aliの2016年のTED講演動画；出典：TEDx Talks

2017年、Muneeb Ali博士は学位を取得し、Stacks（当時はBlockstackと呼ばれていた）のホワイトペーパーを発表し、CoinListでのトークンセールで5200万ドルを成功裏に調達しました。それ以前に、彼と彼の初期チームは、ビットコインL1上に「Onename」と呼ばれるプロトコルとアプリケーションを直接構築し、ビットコインネットワーク上で分散型のアイデンティティとプロフィールページを作成できるようにしました。これらの経験は2017年にStacksのアイデアを形作るのに役立ち、チームをより強力なプラットフォームの構築へと駆り立てました。

Blockstackは、既存のインターネットが中央集権的なデータストレージと管理に過度に依存していることに気づき、ブロックチェーン技術を利用してユーザーが自分のデータに主権を持つ分散型ネットワークを作成し、開発者がdAppsを簡単に構築できるブロックチェーン層を作成することを望みました。

2019年には、BlockstackエコシステムのトークンであるStacks（STX）が米国証券取引委員会（SEC）からA+規制に基づいて承認され、2300万ドルを成功裏に調達しました。これは、米国証券取引委員会から承認された最初のトークンセールであり、市場でかなりの注目を集めました。

2018年から2020年にかけて、Stacksチームは堅実なプロジェクトインフラの構築に注力しました。Stacksはクロスチェーンコンセンサスブロックチェーンであり、ビットコインネットワークとシームレスに統合され、ビットコイン上のプログラム編集機能を支援することを目的としています。チームはまた、Stacksのためにカスタムプログラミング言語Clarityを開発しました。この期間中、StacksはUnion Square Ventures、Harvard Endowment、Winklevoss Capital、Naval Ravikantなどの著名な投資家から資金を調達しました。

Stacks 2.0

「私はビットコインが最高で最も分散化された通貨層だと思います。現在、流通しているビットコインの1%がイーサリアム上でラップされたビットコイン（wBTC）として発行されており、これはユーザーがスマートコントラクトでビットコインを使用する必要があることを意味します。ビットコインをどこかのスマートコントラクトプラットフォームにラップするのではなく、なぜスマートコントラクト機能をビットコインネットワークに移植しないのでしょうか？」 -- 『Bitcoin DeFi? It's a Thing, Says Stacks Founder Muneeb Ali, Decrypt』より抜粋。

2021年1月、BlockstackはStacks 2.0メインネットを立ち上げ、Stacksネットワークとなりました。Muneeb Aliのインタビューによれば、Stacks 2.0の出発点はビットコインを変更することなく、スマートコントラクト機能をビットコインネットワークに移植することでした。このチェーンの設計は、ビットコインネットワークの分散化と安全性を継承しつつ、スマートコントラクト機能を追加してネットワークのスケーラビリティを向上させることを目指しています。

転送証明（Proof-of-Transfer）

転送証明プロセス；出典：stacks.co

Stacksのコンセンサスメカニズムである転送証明（Proof-of-Transfer、PoX）は、燃焼証明（Proof of Burn）の延長と見なすことができ、ビットコインネットワークの安全性を継承するための重要な要素です。燃焼証明は、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）環境におけるコンセンサスメカニズムの一種であり、ネットワーク内の暗号通貨を燃焼させることでマイニングを行います。

マイナーがビットコインを燃焼させる「燃焼証明」とは異なり、「転送証明」では、マイナーがビットコインをStacksプロセスに参加するSTX保有者に送信します。マイナーはStacksノードを運営することでマイニングプロセスに参加でき、Stacksノードはビットコインネットワークをアンカーチェーンとして使用してブロックを生成およびマイニングします。転送証明メカニズムは以下のようになります：

• 登録（Registration）：マイナーはネットワークにコンセンサスデータを送信することで候補マイナーとして登録します。
• コミットメント（Commitment）：登録されたマイナーは、STXトークン保有者にビットコインを送信することでマイニングに参加します。
• 選挙（Election）：検証可能なランダム関数（VRF）を使用してマイナーを選定し、選ばれたマイナーはStacksブロックチェーン上で新しいブロックを作成します。
• 組立（Assembly）：選ばれたマイナーがブロックを作成し、STXトークンを報酬として得ます。

選挙プロセスで選ばれたマイナーは、Stacksチェーン上のすべての新しい取引のハッシュ値をビットコインブロックに記録し、転送証明に従ってビットコインマイナーとStacksチェーンを維持するStackerのインセンティブシステムを完成させます。「Stacking」の操作は、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）ネットワークの「Staking」に似ていますが、StackingはSTXをロックすることでアンカーチェーンBTCのトークンを報酬として得る点が異なります。マイナーとStackerの具体的な役割は以下の図の通りです：

マイナーとStackerの役割；出典：stacks docs

[マイナー]

1. マイナーはStackerにBTCを送信し、Stacksの取引手数料とブロック報酬を得ます。
2. マイナーが送信するBTCの数量に基づいて、各マイナーがVRFで選ばれる確率が決まります。
3. 選ばれたマイナーはStacksチェーン上で新しいブロックを作成し、流播マイクロブロックの権利を得ます。
4. 選ばれたマイナーはSTXと取引手数料をブロック報酬として得ます。

[Stacker]

1. Stackerは保有するSTXを一定の期間ロックします。
2. 独立したStackingを選択するか、他のStackerと共同でStacking（プール化）することができます。
3. Stackerは自分のBTCアドレスを提供し、BTC報酬を受け取ります。報酬を受け取る確率はロックされたSTXの数量に比例します。
4. StackingのSTXは、最初に設定されたロック期間が終了した後に解除されます。

ビットコインL2？

Stacks 2.0の意義は、Stacksがメインネットの立ち上げと転送証明メカニズムの導入に伴い、ビットコインネットワーク上でスマートコントラクトプラットフォームの機能を発揮できるようになることです。しかし、ビットコインネットワーク上でL2と呼ぶことにはいくつかの議論があります。

• Stacks 2.0は独自のトークンを持ち、独立したセキュリティ予算があり、ビットコインネットワークとは全く異なります。
• セキュリティ予算：ネットワークの完全性を維持するために割り当てられるリソースで、マイニング報酬資金、運営コスト、ネットワーク手数料などを含みます。
• L1では、資産はセキュリティや検証者によって預け入れられたり引き出されたりすることはなく、イーサリアムや他のエコシステムのL2のように。

上記の理由から、Stacks 2.0を従来のL2と同じカテゴリに分類することは難しいです。しかし、Stacksもサイドチェーンと呼ぶことは難しいです。なぜなら、Stacksチェーン上の取引は最終的にビットコインネットワークで決済されなければならないからです。Stacksチェーンのこの独特な構造により、Stacksの共同創設者であるMuneeb Aliは、2021年にDecryptのインタビューでこれを「Layer 1.5」と呼びました。

ビットコインネットワークは最初からスマートコントラクトプラットフォームではなかったため、スマートコントラクトを導入したりスケーラビリティを向上させたりする取り組みは、イーサリアムやEVMチェーンのようには進んでいません。2023年12月にSpartan Groupが発表した記事『BITCOIN LAYERS - Tapestry of a Trustless Financial Era』を参考にすることで、ビットコインL2の違いをさらに理解できます。

ビットコインL2の三難困難；出典：BITCOIN LAYERS --- Tapestry of a Trustless Financial Era

上の図に示すように、ビットコインL2の三難困難には以下が含まれます：

1. オープンネットワーク（Open Network）：オープンネットワークを採用し、アライアンスモデルではない。
2. 新しいトークンなし（No New Token）：新しいトークンを導入しない。
3. 完全な仮想マシン/グローバルステート（Full VM/Global State）：限定的なオフチェーン契約形式ではなく、「グローバルステート」を採用する。

Stacksは条件1と3を満たしていると見なされますが、条件2は満たしていません。対照的に、ライトニングネットワークは条件1と2を満たしていますが、「ローカルコンセンサス」方式を採用しているため、取引をメインチェーンとは異なるピアツーピアネットワークに記録することで条件3を満たしていません。

Stacks 3.0へ向けて、中本アップグレード

Stacksの現存する問題

上記のStacksチェーンの独特な構造は、Stacksがビットコインネットワーク上でスマートコントラクトプラットフォームとして機能する理由ですが、それによりシステムにいくつかの問題ももたらしています。これには以下が含まれます：

• セキュリティモデル
• Stacksチェーンは独立したセキュリティ予算を持ち、これはビットコインネットワークのセキュリティ予算とは異なり、前者はStacksマイナーが支払うBTCによって定義されます。
• これにより、チェーンの安全性はStacksマイナーの予算に大きく依存し、安全リスクが増加する可能性があります。
• パフォーマンスとスケーラビリティ
• Stacksチェーンとビットコインネットワーク間の接続構造（転送証明メカニズムなど）は、分散化と安全性を高めるのに役立ちますが、チェーン上のパフォーマンスとスケーラビリティを制限します。
• 特に、マイナー選挙を通じて新しいブロックを作成するプロセスは、Stacksチェーンをビットコインブロック生成周期に結びつけ、取引確認の遅延を引き起こします。
• これはユーザー体験の欠陥であるだけでなく、Stacks dAppの開発が困難である根源でもあります。
• MEV問題
• 相当な割合のビットコインハッシュレートを持つビットコインマイナーは、彼らが掘ったビットコインブロック内で他のStacksマイナーが送信したコミットメント（STXマイニングに参加するために送信されたBTCの取引）を確認し、Stacks報酬と取引手数料を確保することができます。

主な目標と設計変更

主な目標

中本バージョンは、Stacksチェーンに対する重大なアップグレードを計画しており、上記のStacksチェーンの問題を解決し、チェーンのパフォーマンスと安全性を向上させることを目的としています。

• 迅速なブロック（Fast blocks）
• ユーザーが提出した取引が1つのブロック内で掘られ、確認される時間が数十分から数秒に短縮されます。
• 中本アップグレード後、マイナー選挙プロセスとブロック生成メカニズムを分離することで、マイナーは次回のマイナー選挙プロセスに到達する前に複数のブロックを生成できるようになります。
• ビットコインによる最終性（Finality）を通じた取引の安全性実現
• Stacksチェーン上の取引はビットコインネットワークのハッシュ能力によって保証されます。
• これは、取引がビットコインネットワークで決済されることを意味し、取引の最も安全なネットワーク上での不変性を保証します。
• MEV機能の向上
• STX報酬を得るためのBTC入札メカニズムが改善され、マイナー選挙プロセスにおけるMEV問題を解決します。
• マイナー選挙アルゴリズムが変更され、ビットコインマイナーがStacksマイナーの利点を持たないようにします。

ブロック生成メカニズムとStackerの役割の変更

中本アップグレード以前、Stacksチェーン上で生成されたブロックはビットコインブロックとの比率が1:1に固定されており、ブロック生成時間と取引確認時間が遅くなっていました。

中本アップグレード後、「任期ベースのブロック生成」メカニズムが導入され、ブロック生成速度が向上します。Stacksチェーン内の1つのブロックはビットコインブロックと1:1で対応するのではなく、選ばれたマイナーの任期内（つまりビットコインブロック生成周期内）にマイナーが複数のStacksブロックを生成できるようになります。このメカニズムにより、ブロック生成と確認時間が約5秒に短縮され、Stacksのスケーラビリティが大幅に向上します。

この時生成されたStacksブロックはStackerによって検証されます。中本アップグレード以前、StackerはSTXトークンをロックするだけでStacksネットワークの経済的安全性に貢献していましたが、中本アップグレード後、Stackerは署名者の役割を担い、マイナーの任期内に生成された各Stacksブロックを検証、保存、署名、伝播する責任を負います。マイナーとStackerの相互関係は以下の図の通りです：

中本アップグレード後、マイナーとStacker（または署名者）がどのように相互作用するか；出典：stacks docs

1. マイナーはStackersにBTCを送信し、Stacksマイナーの選挙プロセスに参加します。
2. 新しいマイナーが選ばれると、「任期変更（tenure change）」取引が発生し、新しいマイナーに新しい任期が付与されます。
3. マイナーは毎秒ブロックを作成および検証する過程で、Stackersの署名を収集する必要があります。
4. ブロックの検証には、少なくとも70%のStackerがブロックに署名して承認する必要があります。

上の図に示すように、マイナーは次のブロックを作成するためにStackerの署名を必要とし、Stackerは転送証明メカニズムの下で報酬を得るために署名操作を行う必要があります。また、自身がStackingしているSTXトークンを解除することができます。

チェーン構造の変更によりビットコインの最終性を実現

署名者（Stacker）は任期変更（またはマイナー選挙）の際に、最新の生成されたブロックにのみ署名することで、マイナーがStacksチェーンを任意に分岐させるのを防ぎます。これは、Stackerがマイナーを監視し、以前に生成されたブロックを検証し、新しいブロックが最新のブロックに基づいて生成されることを保証することを意味します。

さらに、マイナーが取引（任期変更取引）を提出する際には、インデックスブロックハッシュ値（indexed block hash）を含める必要があります。これには、前任のマイナー任期内に記録された最初のStacksブロックのハッシュ値とブロック自体のハッシュ値が含まれます。これにより、Stacksブロックチェーンの状態がビットコインブロックに記録され、各マイナーが同じ作業を行い、Stacksブロックチェーンの歴史がビットコインネットワーク上に継続的に記録されることが保証されます。

ビットコインブロック、Stacksブロック、インベントリビットマップ間の関係図；出典：stacks docs

したがって、Stacksブロックとビットコインブロック間の関係は上の図のようになります。Stacksチェーン上でN期間に提出された取引は、次の2つの期間、つまりN+2にビットコインブロックに記録されることになります。これは、Stacks取引を逆転させることがビットコインブロックを逆転させるのと同じくらい困難であることを示しています。ユーザーの観点から見ると、チェーンの構造は私たちが知っているL2と同じであり、取引は数秒で確認されますが、ビットコインの決済には約30分かかります。

このシステムはStacksチェーンのセキュリティ予算にも良い変化をもたらします。Stacksブロックの検証メカニズムは、少なくとも70%のStackerの署名によって行われるため、Stacksのセキュリティ予算はStacking資産の70%まで向上し、一度取引がビットコインの最終決済を実現すれば、そのセキュリティ予算はビットコインの51%のマイニング能力に達することができます。

中本アップグレード後のStacksメカニズムをまとめると：

• マイナーが任期変更取引を提出する際には、前任期に記録された最初のブロックハッシュ値を含むインデックスブロックハッシュ値を含める必要があります。
• 署名者は、前任期内に署名された最後のブロックに基づいて次のブロックを生成するようマイナーに強制します。
• N任期内に提出された取引は、N+2任期内にビットコインブロックに書き込まれ、ビットコインの最終性を持ちます。

中本アップグレード後、Stacksチェーンの取引速度は大幅に向上し、同時にビットコインの最終性を実現し、データの不変性を保証します。ユーザーにとっては、より速い取引確認速度を意味し、システムにとっては真のビットコインL2に近づき、ビットコインの安全性を継承することになります。

ビットコインのMEV問題を解決する

中本アップグレード以前、Stacksチェーン内のMEV問題は主に以下の方法で発生していました。相当な割合のビットコインハッシュレートを持つビットコインマイナー、例えばF2Poolは、他のStakingマイナーがビットコインブロック内に提出した取引を確認し、彼らが提出するBTC入札額を調整することで、Stakingブロックのブロック報酬と取引手数料を確保することができました。このような行為は、StackersのBTC報酬を減少させ、マイニングプロセスへの信頼を損ないます。

中本アップグレードでは、ブロックマイニングプロセスの公平性を高めるために、いくつかの新しいマイナー選定基準が導入されます。

• マイナーは最近のブロックに参加する必要があります。
• マイナーは最近の10ブロックに参加した記録がなければ、任期変更時に選ばれる資格がありません。
• この基準はマイナーコミュニティの安定性を促進し、ブロックチェーン報酬を盗む試みを防ぎます。
• 過去の入札の中央値（Median of Past Bids Method）を考慮します。
• マイナーが選ばれる確率は、過去10ブロックに記録されたすべてのBTC入札の中央値に基づいて計算されます。
• この基準は、マイナーが異常な入札を提出してブロック報酬を得るのを防ぎます。
• 入札総和の絶対値（Absolute Bid Total）を考慮します。
• マイナー選定プロセスは安定した経済基準に基づき、入札総和の絶対値を考慮し、即時のマイニング環境に基づく入札変数を考慮しません。

これらのMEVを防ぐ基準を導入することで、中本アップグレードはStacksブロックチェーンのマイニングプロセスの透明性と信頼性を向上させます。

中本アップグレードの計画

中本アップグレードのロードマップ；出典：nakamoto.run

2022年末にsBTCと中本ホワイトペーパーが発表されて以来、Stacks財団と関連開発者は中本アップグレードに長い間取り組んできました。上の図に示すように、2024年2月に中本の機能が最終決定され、テストネットに統合されて以来（中本マイルストーン0.3、コードネームArgon）、中本アップグレードの更新は急ピッチで進められています。そして、中本アップグレードの第一段階はすでにメインネットで稼働しており、アップグレードは順次リリースされます。

中本アップグレードは2つの段階に分かれており、それぞれの段階でハードフォークが行われます。このプロセスは「インスタンス化（Instantiation）」と「アクティベーション（Activation）」の2つの段階に分かれ、中本の更新後に機能を全面的にアクティブにする前に、最終調整を行うための時間を確保し、バグ修正を行い、チェーン上の環境変化による干渉を排除することを目的としています。

当初の計画

• 第一段階：インスタンス化（4月22日開始）
• POX-4（転送証明メカニズムのアップグレード版）契約と中本バージョンに含まれる大部分のコードが適用されますが、機能は有効化されません。
• 署名者とパートナーのために少なくとも2つのStackingサイクルを確保し、POX-4契約に登録できるようにします。この期間中に、POX-4を正しく検証した署名者がブロックを正しく検証できるかどうかを確認し、アクティベーション段階に進むことができるかを判断します。
• 第二段階：アクティベーション（5月15日から5月29日を予定）
• この段階では、中本の更新が適用され、署名者ベースのシステム、迅速なブロック、ビットコインの最終性が導入され、中本ルールが有効化されます。
• 中本ルールとは、中本アップグレード前後の全体的な論理を区別することを指します。

中本リリース計画；出典：Nakamoto Launch: Testnet and Mainnet Rollout Overview

計画の変更

アップグレードの第一段階（インスタンス化）は4月22日に開始され、重大なバグが発見されずにインスタンス化が完了すれば、第二段階は5月中旬に開始される予定です。しかし、第一段階が始まった後、署名者の回復システム（Signer Resiliency/Recovery）にいくつかの欠陥が見つかったため、Stacks財団は5月1日に当初の計画を修正することを発表しました。要点は以下の通りです。

• 中本アップグレードの最初のアクティベーション段階には、基本的な署名者回復システムのみが含まれます。
• 高度な署名者回復システムへのアップグレードは、中本アップグレードのアクティベーション後の2024年末に展開される予定ですが、インスタンス化段階で署名者が入職し進展した後に、高度な署名者回復システムが必要であると判断されました。
• そのため、中本アップグレードのアクティベーション段階の前に8週間の開発時間が追加され、署名者回復システムのコードは7月15日に完成し、中本アップグレード版は8月28日にアクティブ化されます。
• 作業内容
• マイナーの署名タイムアウトと署名者エラーの回復能力を強化
• 署名者の反応とキー喪失時のプロセスを強化
• マイナー任期の作成と延長方法を改善
• ネットワークの不確実性に対する予防とフラッシュブロック処理を改善

修正された中本リリースタイムライン；出典：stacks.org

修正された計画によれば、コード開発は8週間後の7月15日に完成し、当初5月中旬に予定されていた中本アップグレードのアクティベーション段階は、約3ヶ月後の8月28日に開始される予定です。良いニュースは、当初第3四半期に行われる予定だったsBTCアップグレードは遅延しない見込みで、アクティベーション段階開始後の第4週に行われる予定です。

sBTC - L2を実現する最後のピース

中本アップグレードは5月に全面的にアクティブ化される予定で、Stacksチェーンのパフォーマンスを大幅に向上させ、Stacksブロックのビットコイン最終性を実現することを目的としています。しかし、ビットコインネットワークのL2として真に機能するためには、中本アップグレードは成功の半分に過ぎません。

ビットコインL2の基準を区別する；出典：light tweet

中本アップグレードがリリースされた後、StacksはSovereign Rollupに似た環境を持つことになります。しかし、ビットコインネットワークのネイティブ資産であるBTCをチェーンに持ち込み、活用することで初めて、真のビットコインスマートコントラクトプラットフォームおよびL2として機能することができます。Stacksの創設者であるMuneeb Aliは同じツイートで、「BTCをビットコインレイヤーに移動させることが最も難しい部分であり、sBTCは最も信頼のない橋の解決策に近いものであり、ビットコインL1を変更することなくBTCにペッグメカニズムを実行できる分散型の公共署名者グループです」と説明しています。

sBTCは、ビットコインネットワークとStacksチェーンの間にBTC資産の橋を架ける2つの主要な属性に基づいています。

• 1:1の償還性：Stacksチェーンが停止しない限り、sBTCとBTCは常に1:1の比率で償還可能です。
• オープンなメンバーシップ：誰でもsBTCプロトコルに参加でき、中央集権的なエンティティがBTCを制御することはできません。

以前、Stacksチェーン上にはxBTCやaBTCなどのBTC関連資産がありましたが、これらはイーサリアムのwBTC（wrapped BTC）のように、中央集権的な管理機関を介して多くの署名が必要なブリッジ方式に基づいていました。しかし、sBTCは転送証明メカニズムを使用し、Stackerを一群の署名者として利用することで、信頼のない方法でBTCのブリッジを実現します。

sBTCの仕組み（1）；出典：stacks docs

sBTCの仕組み（2）；出典：sbtc.tech

sBTCの更新と実施計画は2024年第3四半期に行われる予定です。中本アップグレードとsBTCの更新は、Stacksがビットコインネットワークの選ばれるスマートコントラクトプラットフォームになるための重要なマイルストーンであり、Stacksが真にビットコインL2となり、スマートコントラクトプラットフォームとしてまだ眠っているBTCを効果的に活用できるかどうかを引き続き注視していきます。

出典：BITCOIN LAYERS --- Tapestry of a Trustless Financial Era