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

イーサリアムはスケーラビリティに向けて重要な一歩を踏み出しています。合併と上海アップグレードの完了に伴い、イーサリアムは成功裏にプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへのコンセンサスプロトコルに移行しました。ロードマップ上の次の主要プロジェクトはEIP-4844、すなわち「proto-danksharding」です。

このコード変更は、イーサリアムベースの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。それは、blobという新しい取引タイプを導入し、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、新しい料金市場を作成して、blobを通常の取引と別々に価格設定します。

RollupはLayer 2ブロックチェーン(、例えばイーサリアム)に依存してデータの可用性(DA)を行うプロトコルです。スマートコントラクトに基づくrollupは、イーサリアムのDAに依存するだけでなく、取引の清算(検証)にも依存します。これらのrollupは、イーサリアムなどのDAレイヤー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、イーサリアム上で大量のデータを公開するコストは非常に高く、その一因はネットワークがデータを取引履歴の一部として"CALLDATA"フィールドに永久に保存するためです。EIP-4844は、各ブロックに512kBまたは768kBの追加データスペースをrollup用に作成します。重要なのは、このスペースに公開されたデータは約3週間しか保存されないことです。

blob取引によって検証されるデータは一時的であり、blobの価格設定が他のタイプの取引とは別の料金市場で行われるため、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。時間が経つにつれて、開発者はデータサンプリング技術を導入する計画を立てており、これによりblobデータは全てイーサリアムのフルノードにダウンロードして検証する必要がなくなり、さらにrollupのコストが削減される。

プロトダンクシャーディングは、フルダンシャーディングの序章であり、「プロトタイプ」であり、イーサリアムノードがブロブデータの断片をダウンロードして、フルブロブの可用性を判断できるようにします。 この記事では、EIP-4844の仕組み、プロトダンクシャーディングの限界、フルダンシャーディングへの進化計画、エンドユーザーとDApp開発者にとっての直接的なメリットについて詳しく説明します。

完全なダンクシャーディングの重点がLayer 2ロールアップエコシステムをサポートし、イーサリアムをモジュール化して拡張することであることを考慮すると、次回のイーサリアムアップグレードで実施されるコードの変更は、世界最大のパブリックブロックチェーンの一つでのモジュール化ブロックチェーン理論の大規模な適用の重要なテストベッドとなります。

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、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または改善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、ロールアップの運営コストを低下させます。EIP-4844が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る理由は、それがイーサリアムベースのLayer 2ネットワークをよりコスト効果的にするからですが、このコード変更はイーサリアムが取引やスマートコントラクトを実行するための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ていません。

過去四年間、Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSyncおよび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続けています。L2Beat.comは、すべてのLayer 2ネットワークが実現した毎秒の取引量(TPS)の合計が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、エーテルに直接コードを展開し取引を行うコストと比較して、ロールアップはエンドユーザーとDApp開発者に99%以上のガス代を節約しました。

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には1ドルを超えることがあります。

EIP-4844は、新しいトランザクションタイプであるバイナリ大オブジェクト(blob)を導入することで、rollupコストを削減することを目的としています。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ステップバイステップの説明です:

1. ユーザーはblobトランザクションを生成し、それをイーサリアムのmempoolに提出します。
2. バリデーターは、mempool から blob トランザクションを選択し、それをブロックにパッケージします。
3. バリデーターはブロックをネットワーク内の他のノードに伝播させます。
4. 他のノードがブロックを検証し、その中のblobトランザクションを含みます。
5. ブロックが確認されると、blobデータは約3週間にわたりビーコーチェーンに保存されます。
6. 3週間後、blobデータはノードから削除されますが、そのコミットはブロックチェーン上に残ります。

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EIP-4844は、通常の取引がイーサリアムのmempoolとブロックにどのように含まれるかに影響を与えず、また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。しかし、EIP-4844は、エーテル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に特別に使用されます。

Blobはサイドカーのようなもので、既存のブロックスペースを占有したり影響を与えたりすることなく、イーサリアムのブロックに追加できます。Blobブロックスペースは、EIP-1559の料金市場デザインを模倣して、独自の料金市場に基づいてオークションされます。最初は、blob取引のコストはほぼゼロです。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(が256kB)以上使用されている場合、blob取引のコストは12.5%増加します。blobブロックスペースが50%未満で十分に活用されていないブロックについては、blobのコストが12.5%減少します。

Blob取引はエーテル上に無期限に保存されるのではなく、エーテルのコンセンサスレイヤー(CL)、つまりビーコーンチェーン上に保存され、3週間後にCLノードから削除されます。Proto-dankshardingにより、各ブロックには最大4つのblobがあり、それぞれの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。

各blobは、単一のロールアップソートエンジンがイーサリアムに一括取引を公開する機会です。イーサリアムは毎日約7094のブロックを生成し、EIP-4844以降、各ブロックに4つのblobの制限があると仮定すると、毎日最大で28376のblobを処理できます。(これは理論上の最大値であり、blobの料金の動的変化により、実際には決して達成されない可能性があります。各ブロックの最大数量のblobを連続して処理することは、ソートエンジンにとって非常にコストがかかります。)

過去6ヶ月間、Optimism上で稼働しているソート器(は、取引活動に基づいて第2位の最も人気のあるイーサリアムロールアップであり、)は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、ソーティングオーダーを介してCALLDATAを使用してエーテルにデータを送信することによって取引を完了します。エーテル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を導入することは、最初がどんなに小さくても、全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です。保守的な見積もりでは、ロールアップ開発者はEIP-4844のアクティベーションからロールアップの手数料が100%から900%まで減少すると予想しています。しかし、これらの見積もりはproto-dankshardingのアクティベーション前後の数ヶ月で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が有効になった初期には通常の取引よりも安価である可能性がありますが、イーサリアムに基づくロールアップの数が増えると、急速に上昇する可能性があります。さらに、各blobは単一のソート者に最大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、ロールアップソート者が調整を行い、単一のblobに複数のロールアップ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は、各ブロックのblobの数が限られているため、単一の取引バッチが各blob取引の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ことを認識しています。したがって、blobの価格設定に関する二次市場が発生する可能性があります。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、その可能性を防ぐためにより高度なプロトコルの複雑性を導入することはありません。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"アプローチを採用しており、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基盤を築きました。完全な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により、イーサリアムのブロックサイズが512kB増加します。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トランザクションに使用され、通常のブロックスペースのようにデータを永続的に保存するものではありません。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こ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)とエラーチェック符号化。

データ可用性サンプリング(DAS)

Layer 2 rollup取引の検証において、DASの目標は、ソートチェーンにバンドルされたすべてのデータスニペット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、すべてのデータがソートチェーンから提供され、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、データサンプリングのプロセスは、全体のblobデータをダウンロードする計算量よりも小さいですが、理論的には同じデータ可用性保証を提供します。proto-dankshardingと同様に、完全なdankshardingにおけるblobデータサンプリングは、ソートチェーンからの取引が検証され、チェーン上に公開され、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。その後、ユーザーと利害関係者は一定の期間これらの取引を確認し、イーサリアムのようなDA層で最終的に完了したことを確認し、前の取引バッチに基づいて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加させることなく、イーサリアムに公開されるblobの数とデータ量を増やす自信を持っています。さらに、開発者は今後のアップグレードにおいて、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計画です。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を保持する責任を、Layer 2のロールアップや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、これは将来的にすべての取引がイーサリアム上の一時的なストレージになる可能性を示す初期の例です。

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エンコーディングを消去

エラー訂正技術はデータのサンプリング能力を強化しました。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を引き起こす可能性があります。エラー訂正は、blobの少なくとも半分が検証された場合、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ている場合にのみ有効です。最も一般的なエラー訂正形式は、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スニペットに基づいて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場合があります。特に、悪意のあるソーターが1つのblobから単一のデータを保持することを想定した場合、エラー訂正はblobにデータ冗長性を導入することで、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保証します。

DASと消去符号の組み合わせは、完全なダンクシャーディング技術の基盤です。これらの技術は、Polygon AvailやCelestiaなどのいくつかのDA層の背後にある技術でもあります。多くの面で、モジュール式ブロックチェーン計算をサポートするビジョンは、他の方法によって進められています。