プロトダンクシャーディング: イーサリアムのモジュラー化の第一歩

イーサリアムは、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークコンセンサス機構への移行に成功しました。次の重要な開発ロードマッププロジェクトはEIP-4844で、"プロトタイプデータブルーム"とも呼ばれています。このコード変更は、イーサリアムの上に構築されたロールアップのスケーラビリティを改善することを目的としています。

EIP-4844は、新しい取引タイプであるblobを導入し、イーサリアムブロックのデータおよびストレージ要件を増加させ、blobと通常の取引を別々に価格設定する新しい料金市場を作成しました。

ロールアップは、イーサリアム(のようなLayer 2ブロックチェーン)に依存してデータの可用性(DA)のプロトコルです。一般的に、スマートコントラクトに基づくロールアップは、イーサリアムのDAだけでなく、イーサリアムを取引決済にも依存します。これらのロールアップは、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。

通常、イーサリアムに大量のデータを公開するコストは非常に高く、その一部の理由はネットワークがデータを取引履歴の一部として"CALLDATA"フィールドに永久的に保存するからです。EIP-4844を通じて、各ブロックはrollup用に追加の512kBまたは768kBのデータスペースを作成します。重要なのは、このスペースに公開されたデータは約三週間保存されるということです。

blob取引の検証データの一時性と、他のタイプの取引とは別のblob価格メカニズムにより、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が大幅に削減される。時間の経過とともに、開発者はデータサンプリング技術を導入する予定であり、これによりblobデータをすべてダウンロードしてイーサリアムのフルノードで検証する必要がなくなり、rollupコストがさらに削減される。

Proto-dankshardingは完全なdankshardingの前奏と"原型"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できるようになり、完全なblobの可用性を確認できます。

! 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

背景

EIP-4844はイーサリアムのスケーラビリティのアップグレードと見なされています。しかし、注意すべき点は、このコードの変更がイーサリアム自体の取引能力を実質的に向上させたり、改善をもたらすものではないということです。Proto-dankshardingは、イーサリアムに大量のデータを公開する際のコストを削減し、これによりロールアップの運用コストを低下させます。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の向上と見なされていますが、このコード変更は、取引やスマートコントラクトコードの実行を行う一般的なブロックチェーンとしてのイーサリアムのスケーラビリティを向上させるものではありません。

過去4年間、Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync、Polygon zkEVMなどのイーサリアムロールアップの取引活動は増加しています。L2Beat.comの推定によると、すべてのLayer 2ネットワークで実現された毎秒取引量(TPS)は、イーサリアムの日平均TPSの3.8倍に達しています。

Blockworks ResearchがDune Analyticsを通じて提供したデータによると、エーテルに直接コードを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%以上のガス費用を節約しました。

2023年6月13日現在、最も人気のあるイーサリアムのロールアップであるOptimismとArbitrumでの取引送信コストは、約0.03ドルから0.05ドルの間で推移しています。しかし、オンチェーンのアクティビティが活発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には1ドルを超えることもあります。

EIP-4844の目標は、新しい取引タイプであるバイナリ大型オブジェクト、またはblobを導入することによって、rollupコストを削減することです。以下はEIP-4844で定義されたblob取引のライフサイクルの段階的な説明です:

1. ユーザーはrollupにトランザクションを提出します。
2. ロールアップソート処理バッチトランザクション
3. ソーターはトランザクションバッチをblobとしてイーサリアムに提出します。
4. イーサリアムのバリデーターはブロブをブロックに追加します
5. Blobデータはコンセンサス層に約3週間保存されます
6. ロールアップはblobデータを使用して状態を更新します

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EIP-4844は、イーサリアムのmempoolに提出された通常の取引がブロックにどのように組み込まれるかには影響せず、イーサリアムのブロックスペース価格を決定する料金市場にも影響しませんが、EIP-4844は確かに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、通常の取引を処理するための既存のブロックスペースに影響を与えたり圧迫したりすることなく、イーサリアムのブロックに追加できます。Blobの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、blob取引はほとんど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、もしblobブロックスペース(の半分以上が少なくとも256kB)利用されている場合、blob取引のコストは12.5%増加します。反対に、blobブロックスペースが十分に利用されていないブロック、つまりblobブロックスペースが50%未満しか埋まっていない場合は、blobのコストが12.5%減少します。

Blob取引は無期限にイーサリアム上に保存されるのではなく、イーサリアムのコンセンサスレイヤー(CL)、つまりBeacon Chain上に保存され、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4つのblobが含まれ、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。各blobは、単一のロールアップオーダーの機会であり、イーサリアムに単一のトランザクションバッチを確認することができます。イーサリアム上では、毎日約7094ブロックが生成され、EIP-4484の後、4つのblob/ブロックの制限を仮定すると、毎日最大28376のblobを処理できる可能性があります。

過去6ヶ月間、Optimism上で稼働しているオーダーラーは、取引活動で計算されると、2番目に人気のあるイーサリアムのロールアップであり、毎日イーサリアムに約3126件の取引バッチを提出しています。

Arbitrumで確認された取引量はOptimismの約2倍であり、Optimismと同様に、ソーターを介してCALLDATAを使用してイーサリアムにデータを送信することで取引を完了します。イーサリアム上で人気のあるロールアップの他の例には、Polygon zkEVM、zkSync、StarkNetなどがあります。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、最初は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層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。保守的に見積もって、ロールアップ開発者は、EIP-4844の活性化から、ロールアップの費用が100%から900%減少するだろうと考えています。しかし、これらの見積もりは、元のデータベースが活性化される前後の数ヶ月間のロールアップの採用と活動の増加に応じて変更される可能性があります。

blob取引のコストは、EIP-4844が有効化された当初は通常の取引よりも安価である可能性がありますが、イーサリアム上に構築されたrollupの数が増えると、急速に上昇する可能性があります。また、各blobは単一のオーダラーに最大128kBのデータを発行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を認識しています。チェーン外の二次市場の出現を防ぐことは優先事項ですが、この可能性を防ぐためにより高いレベルのプロトコルの複雑性を導入することはありません。そのため、現在、開発者はEIP-4844を通じてblobを導入する「待機して観察するアプローチ」を取っており、将来的にEIP-4844のさらなる最適化を計画しています。

Proto-dankshardingは、ノードの計算負荷を増やさずにblobコストをさらに削減するためのより高度な技術を導入する基礎を築きました。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。

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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。完全なダンクシャーディングを実現するために、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)と消去符号化。

データ可用性サンプリング(DAS)

Layer 2 rollup取引の検証の文脈において、DASの目標は、ソーター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。フルノードはランダムに選択され、blobからデータの一部をダウンロードし、データの可用性証明を生成します。フルノードがデータサンプリングを行う回数が多いほど、ソーターからすべてのデータが提供されており、重要なデータが保持されていない確率の決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よりも少なくなりますが、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下のblobデータサンプリングは、ソーター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、任意のユーザーまたはネットワークの利害関係者が評価できるようにします。その後、ユーザーと利害関係者は一定の時間内にこれらの取引を確認し、イーサリアムのようなDAレイヤーで最終的に完了したことを確認し、前の取引の基盤の上に新しい取引バッチを構築します。

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、イーサリアムへのblobの数とデータ量を増加させることに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、履歴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計画しています。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」と言います。取引履歴の完全なコピーを保持する責任は、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に、これらの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られます。EIP-4844がblobを導入しましたが、これは将来的にすべての取引がイーサリアム上の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。

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コードを消去

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データの間のどこにでも、取引の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可能性があり、間違っているのではなくなります。消去符号化は、少なくとも半分のblobが検証されれば、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、つまり二つ以上の代数項の表現として表されている場合にのみ有効です。最も一般的な消去符号化の形式は、Reed-Solomon(RS)符号に依存しており、これは十分な既知のデータ片断から欠落したデータを解決するための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かもしれません、特に悪意のあるソーターが一つのblobから単一のデータを保持していると仮定した場合。消去符号化はblobにデータ冗長性を導入し、こうして悪意のあるソーターは任意の量のデータを保持するためにblobデータの明らかに大きな部分を保持する必要があります。

DASと消去符号の結合は、完全なdanksharding技術の基礎です。これらの技術は、Polygon AvailやCelestiaなど、一部のDA層の背後にある技術でもあります。多くの点で、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な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、その一部はproto-dankshardingを通じて、完全なdankshardingによって真剣にテストされます。

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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現される前に、完