Vitalikの新作：イーサリアム The Merge 後のロードマップの潜在的な技術路線

ヴィタリック・ブテリン

2024-10-15 10:10:08

コレクション

現在、楕円曲線に依存している各イーサリアムプロトコル部分は、ハッシュまたは他の量子耐性に基づく代替案を必要としています。

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原文タイトル：《Ethereumプロトコルの可能な未来、パート1：ザ・マージ》

著者：Vitalik Buterin

翻訳：Tia，Techub News

最初、「ザ・マージ」はプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへの移行を指していました。現在、イーサリアムはプルーフ・オブ・ステークシステムとして安定して運用されており、プルーフ・オブ・ステークは安定性、パフォーマンス、そして中央集権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・ステークにはまだ改善が必要な分野があります。

私が2023年に描いたロードマップには、以下のいくつかの部分が含まれています：技術特性の改善、例えば安定性、パフォーマンス、小規模なバリデーターへのアクセスの向上、そして経済的変革による中央集権リスクへの対処。前者は「ザ・マージ」に含まれる部分であり、後者は「ザ・スカージ」の一部です。

この記事では「ザ・マージ」部分に焦点を当てます：プルーフ・オブ・ステークの技術設計にはどのような改善の余地があり、これらの改善を実現するための方法は何ですか？

これはアイデアのリストであり、プルーフ・オブ・ステークに必要な作業の詳細なリストではないことに注意してください。

シングルスロット最終性とステーキングの民主化

私たちは何の問題を解決しようとしているのか？

現在、1つのブロックを最終的に確定させるには2-3エポック（約15分）が必要であり、ステーキングを行うには32 ETHが必要です。これは、3つの目標の間でバランスを取るための妥協によるものです：

ステーキングに参加するバリデーターの数を最大化する（これは直接的にステーキングに必要な最小ETHの数を最小化することを意味します）
最終確定時間を最小化する
ノードの運用コストを最小化する

これら3つの目標は相互に対立しています：経済的最終性を実現するためには（つまり、攻撃者が大量のETHを破壊しなければ最終確定したブロックを回復できないようにするためには）、最終確定を実現するたびに各バリデーターが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、多くのバリデーターがいる場合、すべての署名を処理するのに長い時間がかかるか、非常に強力なノード性能が必要になります。

最終的には、攻撃者が成功するためには巨額のコストをかける必要があるという目標にサービスを提供することになります。これが「経済的最終性」という言葉の意味です。この目標を考慮しない場合、私たちは単にランダムに委員会を選択して（例えば、Algorandが行っているように）各スロットを最終確定させることができます。しかし、この方法の問題は、攻撃者が51%のバリデーターを制御できる場合、非常に低コストで攻撃を行うことができることです（最終確定したブロックを取り消したり、検閲したり、最終確定を遅延させたりすることができます）：委員会内のその部分のノードだけが攻撃に参加していると見なされ、罰せられることになります。これは、罰金や少数派ソフトフォークによって行われます。つまり、攻撃者はそのチェーンを何度も攻撃することができます。したがって、経済的最終性を実現したい場合、単純な委員会制度は機能しません。

一見すると、すべてのバリデーターが参加する必要があるように思えます。

しかし、理想的には、以下の2つの部分を改善することで経済的最終性を実現できる可能性があります。

1つのスロット内でブロックを完了させる（理想的には、現在の12秒の長さを維持または短縮する）、15分ではなく
バリデーターが1 ETHをステーキングできる（元々は32 ETH）

これらの目標は「イーサリアムのパフォーマンスを（より中央集権的な）パフォーマンス重視のL1に近づける」ことと見なすことができます。

しかし、それでもより高い安全性を保証する最終確定メカニズムを使用して、すべてのイーサリアムユーザーの安全性を確保します。現在、大多数のユーザーはこのレベルの安全性を得ることができません。なぜなら、彼らは15分待つことを望まないからです；シングルスロット最終確定メカニズムを使用すれば、ユーザーは取引を確認した後、ほぼ即座に取引の最終確定を実現できます。次に、ユーザーとアプリケーションがチェーンのロールバックを心配する必要がない場合、プロトコルと周囲のインフラストラクチャを簡素化でき、考慮すべき要素が少なくなります。

2つ目の目標はソロステーキングをサポートするためのものです（ユーザーが機関に依存せずに独立してステーキングすること）。より多くの人々がソロステーキングを行うのを妨げる主な要因は、32 ETHの最低限度です。最低限度を1 ETHに引き下げることで、この問題を解決し、他の問題が個別のステーキングの主な制約要因となるでしょう。

しかし、挑戦があります：より迅速な確定性とより民主的なステーキングは、コストの最小化と対立しています。これが、最初からシングルスロット最終性を採用しなかった理由です。しかし、最近の研究はこの問題を解決するいくつかの可能な方法を提案しています。

それは何であり、どのように機能するのか？

シングルスロット最終性は、1つのスロット内でブロックを最終的に確定させるコンセンサスアルゴリズムを指します。これは実現が難しい目標ではありません：多くのアルゴリズム（例えばTendermintコンセンサス）は、最適な特性を持ってこれを実現しています。しかし、イーサリアム独自の「++非活動漏れ++」特性は、Tendermintにはありません。この特性により、イーサリアムは1/3以上のバリデーターがオフラインであっても、引き続き運用し、最終的に復元することができます。幸いなことに、現在この特性を実現するための解決策があります：提案がすでに存在しますTendermintスタイルのコンセンサスを非活動漏れに適応させるためのものです。

シングルスロット最終性提案

最も難しい部分は、バリデーターの数が非常に多い場合にシングルスロット最終性を機能させる方法を見つけることであり、同時にノード運営者のコストを極端に高くしないことです。現在、いくつかの解決策があります：

オプション1：ブルートフォース------より良い署名集約プロトコルを実現するために努力し、ZK-SNARKsを使用することで、実際に各スロット内で数百万のバリデーターの署名を処理できるようにします。

Horn、集約の最適化プロトコル設計の1つ

オプション2： オービット委員会 、中型の委員会をランダムに選択してチェーンの最終性を決定する新しいメカニズムですが、高い経済的攻撃コストを持つ必要があります。

オービットSSFを考える一つの方法は、経済的最終性を持たないAlgorandスタイルの委員会のようにすることなく、ある程度高い経済的攻撃コストを実現する妥協オプションを開くことです。これにより、イーサリアムは非常に安全であるための十分な経済的最終性を維持しつつ、シングルスロットの効率を向上させることができます。

オービットは、バリデーターの預金規模に事前に存在する異質性を利用して、可能な限り多くの経済的最終性を得ると同時に、小型バリデーターに相応の役割を与えて参加させます。さらに、オービットは隣接する法定人数間の高度な重複を確保するために、緩やかな委員会のローテーションメカニズムを使用しており、そのため経済的最終性は委員会のローテーション時にも適用されます。

オプション3：二層ステーキング、このメカニズムは、ステーキング者を2つのカテゴリに分け、一方は預金要件が高く、もう一方は預金要件が低いものです。預金要件が高い層のステーキング者のみが直接的な経済的最終性を持ちます。いくつかの提案がすでに存在します（例えば、レインボーステーキングの投稿を参照）低い層の預金ステーキング者が必要とする権利と責任を具体化しています。一般的なアイデアには以下が含まれます：
より高い層の権利を持つ者に権益を委託する
低い層のステーキング者をランダムに抽出して各ブロックを証明し、最終確定させる
インクルージョンリストを生成する権利

既存の研究との関連は何ですか？

シングルスロット最終性を実現するためのアプローチ（2022年）：https : //notes.ethereum.org/@vbuterin/single slotfinality
イーサリアムシングルスロット最終性プロトコルの具体的な提案（2023年）：https ://eprint.iacr.org/2023/280
オービットSSF： https: //ethresear.ch/t/orbit-ssf-solo-staking-friendly-validator-set-management-for-ssf/19928
オービットスタイルメカニズムのさらなる分析：https: //notes.ethereum.org/@anderselowsson/Vorbit _SSF
Horn、署名集約プロトコル（2022年）：https ://ethresear.ch/t/horn-collecting-signatures-for-faster-finality/14219
大規模コンセンサスの署名ザ・マージ（2023年）： https: //ethresear.ch/t/signature-merging-for-large-scale-consensus/17386? u=asn
Khovratovichらによる署名集約プロトコル：https : //hackmd.io/@7dpNYqjKQGeYC7wMlPxHtQ/BykM3ggu0#/
STARKに基づく署名集約（2022年）：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

まだ何をする必要があるのか？どのようなトレードオフがあるのか？

選択肢は4つあります（混合パスを取ることもできます）：

現状維持
オービットSSF
ブルートフォースSSF
二層ステーキングメカニズムを持つSSF

（1）は何もせずにそのまま維持することを意味しますが、こ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属性が本来の状態よりも悪化します。

（2）は「ハイテク」を避け、プロトコルの仮定を巧妙に再考することで問題を解決します：私たちは「経済的最終性」の要件を緩和し、攻撃が高価であることを要求しますが、攻撃コストは現在の10分の1になる可能性があります（例えば、攻撃コストが250億ドルではなく25億ドル）。人々は一般的に、現在のイーサリアムの経済的最終性が必要なレベルをはるかに超えていると考えており、その主要なセキュリティリスクは他の場所にあるため、これは受け入れ可能な犠牲であると言えます。

主な作業は、オービットメカニズムが安全であり、私たちが望む特性を持っているかどうかを検証し、それを完全に形式化して実装することです。さらに、EIP-7251（最大有効残高の増加）は、ザ・マージのバリデーター残高を自発的に増加させ、チェーンのバリデーションコストを即座に削減し、オービットの効果的な初期段階として機能します。

（3）はハイテクを用いて問題を強引に解決します。これを実現するには、非常に短い時間内（5-10秒）に大量の署名（100万以上）を収集する必要があります。

（4）は、過度にメカニズムを考えずに高い技術を使用せずに二層のステーキングシステムを作成しますが、それでも中央集権リスクを持ちます。リスクは、低いステーキング層が得る特定の権利に大きく依存します。例えば：

低いステーキング者がその証明権を委託する必要がある場合、委託が中央集権化する可能性があり、最終的には2つの高度に集中したステーキング層が生まれます。
低い層をランダムに抽出して各ブロックを承認する必要がある場合、攻撃者は非常に少ないETHで最終確定を妨害できます。
低いレベルのステーキング者がインクルージョンリストを作成することしかできない場合、証明層は中央集権化されたままとなり、この場合、証明層への51%攻撃がインクルージョンリスト自体を検閲することができます。

複数の戦略を組み合わせることができます。例えば：

（1 + 2）：オービットを追加するが、シングルスロット最終性を実行しない

（1 + 3）：強力な技術を使用して最小預金額を削減するが、シングルスロット最終性を実行しない。必要な集約量は純粋な（3）よりも64倍少ないため、問題はより簡単になります。

（2 + 3）：保守的なパラメータを使用してオービットSSFを実行し（例えば、8kまたは32kではなく128kのバリデーター委員会）、ブルートフォース技術を使用して超効率的にします。

（1 + 4）：レインボーステーキングを追加するが、シングルスロット最終確認を行わない

それは他のロードマップの部分とどのように相互作用するのか？

他の利点に加えて、シングルスロット最終性は特定のタイプのマルチブロックMEV攻撃のリスクを低下させます。さらに、シングルスロット最終性の世界では、証明者-提案者分離設計や他のプロトコル内のブロック生成メカニズムは異なる方法で設計する必要があります。

ブルートフォースで目標を達成することの弱点は、スロット時間を短縮することがより困難になることです。