イーサリアムのモジュール化の第一歩:Proto-dankshardingの基本的な紹介とその仕組み

イーサリアムは、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークのコンセンサスプロトコルへの移行を成功裏に完了しました。次の重要なプロジェクトはEIP-4844、別名「原始データの可用性」です。このコード変更は、イーサリアム上に構築されたロールアップのスケーラビリティを向上させることを目的としています。

EIP-4844は、blobと呼ばれる新しい取引タイプを導入しました。これにより、イーサリアムブロックのデータとストレージ要件が増加し、blobと通常の取引を別々に価格設定する新しい料金市場が作成されます。

Rollupは、Layer 2ブロックチェーン(であるイーサリアム)に依存してデータの可用性(DA)を提供するプロトコルです。通常、スマートコントラクトに基づくrollupは、イーサリアムのDAだけでなく、イーサリアムによる取引の決済にも依存します。これらのrollupはイーサリアムなどのDA層からデータを読み取り、有効な取引とスマートコントラクトコードを実行します。

イーサリアムに大量のデータを公開するコストは通常非常に高く、その一因はネットワークがデータをトランザクション履歴の一部として永久に保存するためです。EIP-4844により、各ブロックはrollup用に512kBまたは768kBの追加データスペースを作成します。これらのデータは約三週間保存されます。理論的には、rollupがイーサリアムにデータを公開するコストは大幅に削減されるでしょう。

Proto-dankshardingは完全なdankshardingの前奏および「プロトタイプ」であり、これによりイーサリアムノードはblobデータの断片をダウンロードして、完全なblobの可用性を確認できるようになります。

この記事では、EIP-4844の仕組み、オリジナルのダンシャーディングの限界、EIP-4844のフルダンシャーディングへの進化、エンドユーザーとDApp開発者への直接的なメリットについて詳しく説明します。

背景

EIP-4844はイーサリアムのスケーラビリティアップグレードと見なされています。しかし、このコード変更はイーサリアム自体の取引能力を実質的に増加させたり改善したりするものではないことに注意が必要です。Proto-dankshardingは、イーサリアムに大量のデータを公開するコストを削減し、これによりロールアップの運営コストを低減します。EIP-4844は、イーサリアム上に構築されたLayer 2ネットワークをよりコスト効率的にするため、イーサリアムのスケーラビリティを向上させると考えられていますが、このコード変更はイーサリアムを汎用ブロックチェーンとしてのスケーラビリティを向上させるものではありません。

近年、Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync、Polygon zkEVMなどのイーサリアムのロールアップの取引活動が増加しています。L2Beat.comは、すべてのLayer 2ネットワークが実現する総取引スループットはイーサリアムの日平均TPSの3.8倍であると推定しています。

Blockworks ResearchがDune Analyticsを通じて提供したデータによると、エーテル上でコードを直接デプロイし取引するコストと比較して、ロールアップはエンドユーザーとDapp開発者に99%以上のガス料金を節約しました。

2023年6月13日現在、最も人気のあるイーサリアムロールアップのOptimismとArbitrumでの取引コストは約0.03ドルから0.05ドルです。しかし、オンチェーンの活動が頻繁でネットワークが混雑している場合、これらのコストは時折1ドルを超えることがあります。

EIP-4844の目的は、blobトランザクションを導入することでrollupコストをさらに削減することです。以下はEIP-4844で定義されたblobトランザクションのライフサイクルの段階的な説明です。

1. ユーザーはrollupに取引を提出します
2. ロールアップオーダーは取引をバッチにパッケージ化します
3. ソートツールは、blob取引を作成し、パッケージ化された取引データをblobにエンコードします。
4. Blob取引がイーサリアムのmempoolに提出されました
5. バリデーターが blob トランザクションをブロックに取り込む
6. ブロックがネットワークにブロードキャストされ、最終的に確認されます
7. Blobデータはビザンチンチェーンに約3週間保存されます。
8. 3週間後にblobデータが削除されます
9. Rollupは依然として取引データへの暗号的コミットメントにアクセスできます

! イーサリアムのモジュール化の最初のステップ:Proto-dankshardingの基本的な紹介とその仕組み

EIP-4844は、通常の取引がブロックに取り込まれる方法には影響を与えず、イーサリアムのブロックスペースの価格を決定する料金市場にも影響を与えませんが、イーサリアムのブロックのストレージ要件を増加させます。追加のデータスペースは、blob取引をブロックに追加するためのものです。Blobは副車のようなもので、イーサリアムのブロックに追加でき、既存のブロックスペースに影響を与えたり圧迫したりしません。

Blobブロックスペースは、その独自の料金市場に基づいてオークションされ、EIP-1559の料金市場設計を模倣します。最初は、blob取引にはほぼコストがかかりません。その後、ブロックが1つ確認されるごとに、blobブロックスペースの利用率が50％を超える場合、blob取引のコストは12.5％増加します。十分に利用されていないblobブロックスペースのブロックに対しては、blobのコストが12.5％減少します。

Blob取引はイーサリアム上に無期限に保存されるのではなく、イーサリアムのコンセンサス層(CL)に保存され、3週間後にCLノードから破棄されます。Proto-dankshardingにより、各ブロックには最大で4つのblobがあり、各blobは最大128kBの追加データを含むことができます。512kBのblobスペースの最大制限は、進行中のEIP-4844のテストに応じて変更される可能性があります。開発者たちは、この制限を4つのblobから6つに増やす可能性について活発に議論しています。

イーサリアム上で毎日約7094個のブロックが生成され、EIP-4844の後、4つのblob/ブロックの制限を仮定すると、毎日最大で28376個のblobを処理できます。(これは理論上の最大値であり、blob費用の動的変化により、実際には決して達成されない可能性があります。)

過去6ヶ月間、Optimism上で稼働しているオーダーラーは、毎日約3126件のトランザクションバッチをイーサリアムに提出しています。Arbitrumの確認されたトランザクション量は、Optimismの約2倍です。Optimismでは、90%以上の手数料がLayer 1 CALLDATA手数料から来ています。

専用のデータストレージスペースの導入は、最初がどんなに小さくても、すべてのイーサリアムベースのロールアップのDAレイヤーとしてイーサリアムを使用するコストを削減するためのものです。保守的な見積もりでは、ロールアップ開発者はEIP-4844がアクティブになると、ロールアップの費用が100%から900%削減されると予想しています。しかし、これらの見積もりは、元のデータベースがアクティブになる前後の数ヶ月間でのロールアップの採用と活動の増加に応じて変わる可能性があります。

blob取引のコストは、EIP-4844が初めて有効になったときは通常の取引よりも安価かもしれませんが、イーサリアム上に構築されたrollupの数が増加する場合、急速に上昇する可能性があります。さらに、各blobは単一のオーダラーに最大128kBのデータを公開する機会を提供することを目的としていますが、rollupオーダラーは調整を行い、単一のblobに複数のrollupからのデータを含める可能性があります。イーサリアムの開発者たちは、各ブロックの数が限られており、単一の取引バッチが各blob取引の全128kBのデータスペースを完全に活用できない可能性があるため、blobの価格設定に関する二次市場が出現する可能性があることを認識しています。

Proto-dankshardingは、ノードの計算負荷を増加させることなく、blobコストをさらに削減するために、より高度な技術を導入するための基盤を築きました。完全dankshardingと呼ばれるblobの完全な構想は、各ブロックのblobの最大数を4から64に増やすことです。

完全ダンクシャーディング

4つのblobは、イーサリアムのブロックサイズを512kB増加させます。6つのblobは、イーサリアムのブロックサイズをさらに768kB増加させます。前述のように、追加のブロックスペースは厳密にblob取引のために使用され、通常のブロックスペースのようにデータを永久に保存することはありません。EIP-4844の完全なビジョンは、イーサリアムに最大64のblobを導入し、ブロック検証のノード計算負荷を大幅に増加させることなくそれを実現することです。完全なdankshardingを実現するために、イーサリアムは2つの技術を実装する必要があります: データ可用性サンプリング(DAS)とエラーロードコーディング。

データ利用可能性サンプリング(DAS)

Layer 2 rollup取引の検証の文脈において、DASの目標は、ソート者によって束ねられたすべてのデータ断片がチェーン上に公開されていることを保証することです。完全ノードはランダムに選ばれ、blobからデータの一部をダウンロードしてデータ可用性証明を生成します。完全ノードがデータサンプリングを行う回数が多いほど、すべてのデータがソート者から提供され、重要なデータが保持されていない確率の確定性が高くなります。ノードにとって、データをサンプリングするプロセスは、全体のblobデータをダウンロードする計算量が少なくなりますが、理論的には同じデータ可用性の保証を提供します。proto-dankshardingと同様に、完全danksharding下でのblobデータサンプリングは、ソート者からの取引が検証され、チェーン上に公開されていることを保証し、任意のユーザーやネットワークの利害関係者が評価できるようにします。

! イーサリアムのモジュール化の最初のステップ:Proto-dankshardingの基本的な紹介とその仕組み

DASを通じて、イーサリアムの開発者はノードの計算負荷を増やすことなく、イーサリアムに公開するblobの数とデータ量を増やす自信を持っています。さらに、開発者は将来のアップグレードで歴史の期限切れなどの提案を実施することで、ノードの計算負荷をさらに軽減することを予定しています。イーサリアムの研究者であるDankrad Feistの言葉を借りれば、時間が経つにつれて、イーサリアムは「アーカイブシステムではなく公共の掲示板のようになる」と言い、取引履歴の完全なコピーの保持の責任をLayer 2 rollupやInfura、Alchemy、Blockdaemonなどのブロックチェーンインフラ企業のようなデータを頻繁に使用するネットワークの利害関係者に委ねることになります。EIP-4844はblobを導入しましたが、これはすべての取引がいつの日かイーサリアム上のblobストレージになる可能性があることを示す初期の例です。

エンコーディングを消去

消去符号化技術はデータのサンプリング能力を強化しました。もし悪意のあるソーターが少数のデータブロックを保持した場合、1%から49%のblobデータの間のどこかで、トランザクションサンプリングは確率的に特定のサンプルが最初から正しいと返されることがあり、間違っているとされることはありません。消去符号化は、少なくとも半分のblobが検証されると、残りのblobが再構築できることを保証します。この技術は、データが多項式、つまり2つ以上の代数項の表現として表される場合にのみ有効です。最も一般的な消去符号化形式は、Reed-Solomon(RS)コードに依存しており、これは十分な既知のデータ断片に基づいて欠落データを解決する高度な数学的公式です。直感的に言えば、サンプリングだけでは大量のデータの可用性を効果的に保証できない可能性があり、特に悪意のあるソーターがblobから単一のデータを保持したと仮定した場合にはそうです。消去符号化はblobにデータ冗長性を導入し、悪意のあるソーターがデータの任意の量を保持するためには、blobデータの明らかに大きな部分を保持する必要があることを意味します。

DASと消去符号化の結合は、完全なdanksharding技術の基盤です。これらの技術は、Polygon AvailやCelestiaなどの一部のDAレイヤーの背後にある技術でもあります。多くの面で、モジュール化されたブロックチェーン計算をサポートするビジョンは、他のブロックチェーンプロジェクトを通じて小規模テストが行われており、イーサリアム上でスケールテストが行われる予定で、部分的にはproto-dankshardingを通じて、完全なdankshardingによって真剣にテストされます。

KZGコミットメント

DASと消去符号化がイーサリアム上で実装される前に、完全なダンクシャーディングにはKZGコミットメントスキームの実装が必要です。Kate Zaverucha Goldberg(KZG)コミットメントは、全体の多項式を明らかにすることなく多項式を評価することができるゼロ知識(ZK)証明システムです。blobのような大きなデータオブジェクトは、最初に多項式として表現されると、コンピュータが効率的に操作および証明することができます。EIP-4844は、blobの検証および証明生成プロセスの一部としてKZGコミットメントを導入することが重要です。ZK証明に依存するLayer 2ロールアップに対して、KZGコミットメントは取引の計算およびロールアッププロトコルの状態を表すことができます。EIP-4844の文脈において、KZGコミットメントはblobの属性を確認することができ、blobトランザクションの全内容を読み取る必要がありません。

! イーサリアムのモジュール化の最初のステップ:プロトダンクシャーディングの基本的な紹介とその仕組み

KZGセレモニー

blobのKZGコミットメントスキームの検証は、信頼できる設定によって一度限り生成された秘密値に依存しています。Zcash、Tornado Cash、Filecoinなどのいくつかの暗号プロトコルは、信頼できる設定を利用して安全に秘密値を生成し、繰り返しオンチェーン計算に使用します。EIP-4844の信頼できる設定儀式は2023年1月に始まりました。Ethereumコミュニティから約10万件の貢献を受けています。背景として、信頼できる設定儀式は、複数の参加者からの貢献によってデータの塊を生成する一度限りのプロセスです。信頼できる設定儀式で複数の貢献からのエントロピーを組み合わせる目的は、ほぼ再生成または推測することが不可能な秘密値を生成することです。重要なのは、信頼できる設定儀式から生成される最