イーサリアム 2.0 を理解するには、まずイーサリアム 2.0 の核となる設計原則を理解する必要があります。

区块链研习社

特邀专栏作者

2019-06-30 18:33 (UTC+8)

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Ethereum 2.0 の核となる設計コンセプトを 1 つの記事で読んでください。

AI要約

Ethereum 2.0 の核となる設計コンセプトを 1 つの記事で読んでください。

本日、北京でイーサリアム技術応用カンファレンスが開催され、V God、イーサリアム財団のコアメンバー、イーサリアムDAPP開発者、その他の有力ゲストが集まり、イーサリアム2.0に焦点を当てたカンファレンスが開催されました。

また、一般の人々はイーサリアム 2.0 の進捗状況にも懸念を抱いており、V 神はカンファレンスで「イーサリアム 2.0 クロスシャードトランザクション」と題した講演を行いました。

イーサリアム 2.0 のロードマップ、研究提案、開発状況について論じた記事はすでに数多くありますが、イーサリアム 2.0 の内部動作の背後にある設計原則や不変条件についての記事はあまりありません。この記事は、イーサリアムの背後にある設計原則について議論することを目的としています。 2.0 。

著者について: ラウルジョーダン、ラウルジョーダンは Prysmatic Labs の共同創設者であり、zk Capital のパートナーでもあります。ハーバード大学を卒業し、ブロックチェーンエンジニアおよびイーサリアム開発者です。彼は Prysmatic Labs シャーディングテクノロジーの開発に注力しています。

多くの記事で、イーサリアム 2.0 のロードマップ、研究提案、現在の状況について説明しています。ただし、その内部動作の背後にある設計原則や不変条件については、あまり公に書かれていません。不変条件の明確なセットを持つことは、この調整された複数年にわたる取り組みを成功させるために不可欠であり、実装者はイーサリアムの哲学について考えるようになります。

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1. 歴史

イーサリアムネットワークの誕生以来、イーサリアムをPoWからPoSに変換する試みは大きな進歩です。 Vitalik Buterin 氏は当時、未熟な PoS の欠陥を防ぎ、PoW よりも優れたセキュリティを提供するための実行可能なソリューションを模索していました。

特に、彼とイーサリアム研究グループは、PoS で悪意のある行為者を罰し、その担保全体を切り取るためのスラッシャーと呼ばれるメカニズムを考案しました (Buterin 2014)。

その後、数学者の Vlad Zamfir がプロジェクトに加わり、2014 年の大半は、PoS に対するいわゆるリモート攻撃の解決に焦点を当てました。

リモート攻撃は、攻撃者がネットワーク内の他のユーザーに新しい正規状態を納得させるために、現在の正規ブロックチェーンよりも長い完全なチェーンを最初から作成できる場合に発生します。

多くの複合コンピューティング能力が必要となるため、これを PoW で実行することはほとんど不可能です。ただし、PoS は計算能力に依存していないため、そのような攻撃を受けると機能不全に陥ります (Zamfir 2014)。

Vitalik 氏も Vlad 氏も同意しています。「クライアントが特定のチェックポイントより古いチェーンを同期するのを厳密に防ぐ」以外に実行可能なリモート攻撃ソリューションはありません (Buterin 2015)。

これは、ジェネシスブロックからチェーンを同期する代わりに、ネットワーク内の新しいノードは、最新の「チェックポイント」からネットワーク内の他の完成したノードと同期するだけでよいことを意味します。

つまり、新しいノードがネットワークに参加すると、古いノードには固有の信頼が存在します。この現象は後に、PoS の弱い主観性と呼ばれるようになりました。新しいノードが参加すると、ネットワーク内の参加者の間には、「確定した」「不可逆的な」ブロックが存在するという主観的な信頼が生まれます (Buterin 2018)。

この間、イーサリアム財団の Vitalik と Virgil Griffith は、Casper PoS ホワイトペーパーの初期バージョンを ArXiV 上で公開することに取り組みました (Buterin and Griffith 2015)。

しかし、

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2. なぜETH 2.0を選ぶのですか?

この記事では、「なぜイーサリアム 2.0 を使用するのか?」という核心的な質問の背後にある設計理論的根拠を説明します。

もちろん、既存システムのコンセンサスプロトコルとデータの整合性を徹底的にチェックすることは、ハードフォークによって簡単に達成できるものではありません—新しいシステムを一から作成して、イーサリアム 1.0 を完全に廃止する方が簡単ではないでしょうか?

ETH 2.0 を構築するときに私たちが直面した課題の 1 つは、この課題についてコミュニティを教育し、ETH 2.0 への移行の背後にある大きな関心とニーズを明確に理解する必要性でした。

このパラダイムシフトに伴う多大な責任を理解しながら、ETH 2.0 を構築するのに今ほど適した時期はありません。好むと好まざるにかかわらず、暗号通貨業界はまだ初期段階にあり、私たちが今日下す決定は、長年にわたって成長と導入を加速するという複合的な効果をもたらすでしょう。

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3. 未来への挑戦

経験の浅いレイヤー 1 スケーリングは、セキュリティに多大なコストをもたらす可能性があります。ブロックチェーンをシャーディングすると、現在のビットコインやイーサリアムチェーンのように、グローバルなトランザクション検証ができなくなります。

重要な問題は、分散化やセキュリティを犠牲にすることなく、どのようにして拡張性を実現できるかということです。多くの競合チェーンは、この問題を解決する手段として集中化ルートを模索することを目指しています。

イーサリアムは別のアプローチを選択します。ネットワーク状態を同種のブロックチェーンのセットを表す 1024 個のシャードに分割し、それぞれがビーコンチェーンと呼ばれる単一のルートチェーンによって調整されます。ビーコンチェーンは、委任や集中投票権を持たない完全な Casper PoS で実行されます。

この方法では、各ノードはネットワーク全体で発生するトランザクションの一部のみを担当し、多くのブロックが並行して発生する可能性があるため、ネットワーク全体のスループットが直線的に増加します。

このソリューションは、次の質問に答えることを目的としています。

トランザクションがグローバルに検証されなかった場合、ネットワークのセキュリティプロファイルはどのように変化するでしょうか?カルテルの形成を防ぎながら検証参加者を選択するにはどうすればよいですか?データの可用性を最大化し、積極的な参加を促すインセンティブをどのように設計できるでしょうか?

長年にわたる研究、探索、トレードオフの理解の後、イーサリアムはコンセンサスアルゴリズムとして PoS を模索しました。先ほども述べたように、報酬は決定的です。検証主体はプロトコルで同じ扱いを受け、委員会に参加する確率も同じで、賞罰も同じです。

グローバルトランザクション検証は間接検証になります。各シャードチェーン内のすべてのトランザクションは、最初にそのシャード内のバリデーターによって検証され、副題

4. 設計の不変条件

プロトコル設計の重要な柱は、プロトコルがどの不変条件の下で動作するかを理解することです。イーサリアムとその開発者コミュニティにとって、交渉の余地のない設計上の決定事項のリストを持つことは、プロジェクトの将来にとって非常に重要です。

ETH 2.0 の中核は次の点に分類できます。

1. ネットワークへの参加は許可なしである必要があります。

2. レイヤ 1 は、その範囲内で簡潔、抽象的、コンパクトである必要があります。

3. プロトコルは、将来の使用を想定するのではなく、可能な限り表現力豊かなものであるべきです。

4. ネットワークは、あらゆる壊滅的なシナリオから効率的に回復できる回復力を備えている必要があります。

5. プロトコルの複雑性をアプリケーション開発の複雑性から分離します。

1. 許可は必要ありません

イーサリアム 2.0 と他の「次世代」ブロックチェーンの顕著な違いは、コンセンサスへの参加がどのように決定されるかです。バリデーターに対するイーサリアム 2.0 の唯一の要件は、32 ETH を持つことです。

代理人やバリデータを選択するための投票はなく、誰が参加するかを決定するための集中的な憲法もありません。さらに重要なことは、イーサリアム 2.0 のバリデーターはすべて平等に扱われることです。各エンティティが参加するための厳密な要件は 32 ETH です。

ただし、どの個人も複数のバリデータ ID を持つことができます。これは、コンセンサスプロトコルのセキュリティとコンパクトさを簡素化するために行われた単なる決定です。インセンティブ設計の観点から、また正式なモデリングの目的から、投票によってブロックを検証する際には、すべての参加者を平等に扱うことが重要です。

1 つのバリデータ = 32 ETH ステーク、それを超えることはありません。他のチェーンは、検証に対してより集中的なアプローチを採用することで、スケーラビリティの問題に対処することを目指しています。ただし、イーサリアムの場合、このオプションは考慮されません。

2. 簡潔だが最も表現力豊か

イーサリアム 2.0 は、その中核となる定義と実現の目標において、シンプルさとコンパクトさを追求しています。基本的に、これは分散アプリケーションを構築するためのスケーラブルでパーミッションレスなプラットフォームです。

Ethereum 2.0 ではアプリケーションロジックを導入する必要はありませんが、それには十分な理由があります。イーサリアム 2.0 システムは、必要最低限の機能を備えた Linux カーネルにたとえることができます。どのような機能や仮想の使用例が含まれるかを決定するのはオペレーティングシステムではなく、カーネル用のアプリケーションを構築する開発者です。

「意図を仮定する」という行為は限られています。「私たちには何の機能もありません」というイーサリアムの古い格言は、イーサリアム 2.0 にも当てはまります。

3. 安全性の確保

Casper the Friendly Finality Gadget としても知られる Ethereum 2.0 の PoS モデルは、高いアクティビティとネットワークへの参加を維持するために設計された一連のインセンティブの下で動作します。

Ethereum 2.0 は Casper を拡張し、その特性を活用してシャード化されたブロックチェーンネットワークを保護します。つまり、イーサリアム 2.0 は「チェーンファイナリティしきい値」の概念を使用して、システム内の 1024 個のシャードがビーコンチェーンと同じセキュリティプールを共有するようにします。

PoS の中核となる前提は、バリデーターが指定された作業を期待どおりに実行すると報酬が与えられ、オフラインになった場合はステークを失うか、プロトコルに悪意を持って違反した場合には厳しい罰則 (ステークの剥奪) に直面するということです。

前提はシンプルですが、違いを生むのは細部です。各バリデーターの行動だけでなく、バリデーターの委員会全体を考慮する必要があることがわかると、Casper の経済学は急速に複雑になります。

一般に、PoS チェーンに関する未解決の質問は、いつ行動を罰する必要があるのか、そして特定のバリデーターアクションの重大度に応じてどのように異なる方法で罰するのかということです。つまり、簡潔さを保ちながら、すべてのエッジケースをカバーするのに十分な包括的なペナルティを見つける必要があります。

プロトコルがバリデーターのアクティビティに依存し、ランタイムの永続的な観察に依存していることを考えると、誠実なバリデーターが参加できない状況が発生する可能性があります。正直なバリデーターは、停電、ネットワークの不安定さ、またはその他の要因によりオフラインになる可能性がありますが、私たちはオフラインのペナルティと悪意のある行為に対するペナルティは明確に区別する必要があります。

イーサリアム 2.0 の設計理論的根拠の 1 つは、攻撃者がプロトコルを突破しようとすると莫大な代償を払うということです。言い換えれば、他のチェーンで頻繁に発生する 51% 攻撃は、イーサリアム 2.0 ではコストが高くつくはずであり、その結果は逆効果になる可能性さえあります。

つまり、明示的なファイナリティを持つプロトコルでは、「ファイナリティを逆転させると」、正直なバリデータにとって攻撃者が明らかになり、コミュニティがソフトフォークを調整して悪意のあるアクターを削除し、攻撃を無効にすることができるようになります。

もちろん、攻撃が成功し、このコミュニティの調整が失敗したとしても、攻撃者の唯一の目的がシステムを混乱させて大きな損害を与えることである場合、システムの完全性は低下します。

PoS ベースのシステムのもう 1 つの制限は、バリデーターのジレンマです。つまり、システム内のバリデーターは怠惰で、プロトコル内の他のユーザーが正しく作業を行っていると単純に信じているため、ニュースの検証を自分たちが担当する必要があるかどうかを検証しません。

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5. イーサリアム 2.0 のバリデーターインセンティブ

Ethereum 2.0 のバリデーターインセンティブは次のとおりです。

1. 検証者はオフラインです: 二次リーク

イーサリアム 2.0 はビザンチンのフォールトトレランスしきい値に依存しています。ネットワーク内の検証者の 3 分の 2 が誠実な参加者であることが保証されなければなりません。検証に参加しないバリデータに対するペナルティは「非アクティブリーク」と呼ばれます。

チェーンが 4 エポックを超えてファイナライズされていない場合、プロトコルはバリデーターの報酬に関して可能な限り厳密になります。つまり、期待される最大報酬は 0 になるため、バリデーターは完璧に動作する必要があり、そうでないとさらなるペナルティが課せられることになります。

ペナルティのサイズは、バリデーターがオフラインになるのを防ぐためにチェーンが最後にファイナリティを達成してからの時間に比例します。

このペナルティは、特定のバリデーターがオフラインになる時間が長くなるほど指数関数的に増加し、これは「二次リーク」として知られています。このペナルティが関係する理由は、短期間のオフラインにペナルティを課さないことが望ましいですが、予想される現実世界での動作を考慮すると、長期間オフラインになることには重大なマイナス面があります。

このペナルティによって失われた資金は破棄され、誠実なバリデーターに再分配されることはありません。

2. 意図的な悪意のある行為: 没収

イーサリアム PoS の初期の提案では、悪意のあるバリデーターはスラッシュと呼ばれる大規模な処罰を受けることになりますが、通常、これらのメカニズムでは個々の悪意のあるバリデーターの処罰のみが議論され、バリデーターの共謀の深刻さについては議論されません。大多数のバリデーターが協力してネットワークを悪意のある攻撃すると、ネットワークは影響を受けます。

Byzantine Fault Tolerance によると、悪意のあるアクターに対するペナルティは、一定の時間内に悪意のある行為を行ったバリデーターの数の 3 倍となります。これは、大規模な組織的な攻撃を罰するのに役立ち、悪意のあるバリデータプールの生成も防ぎます。

つまり、ネットワーク上でアグリゲーション攻撃を実行することは、悪意のある検証者にとっては有益ですが、通常の検証者にとっては不利になります。スラッシュは報告メカニズムを通じて実行され、検証者がスラッシュできる他の検証者の違法行為を発見するよう奨励されます。

3. バリデーターの報酬

Vitalik の Ethereum Serenity Design Principles に基づいて、彼はエポックごとのバリデーターの基本報酬の 4 つの特定のコンポーネントの概要を説明します。

1. 正しいエポックチェックポイントを決定することを証明することで得られる報酬の 1/4。

2. 正しいチェーンヘッドを決定するための証明を通じて獲得した報酬の 1/4。

3. ブロックがすぐにチェーンに入ることができることを証明することで得られる報酬の 1/4。

4. 正しいシャードブロックを決定するための証明を通じて獲得した報酬の 1/4。

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6. プログラムの複雑性をプロトコルの複雑性から分離する

「イーサリアム 2.0 のロードマップは気が遠くなる」という表現は正確ではありません、イーサリアム 2.0 は最も野心的で複数年にわたる計画の 1 つである可能性があり、業界から最良の教訓を取り入れ、エレガントな方法を生み出すことができるからです。トリレンマがあり、それは無限に実行できます。

シャーディングが開発者のエクスペリエンスを大幅に低下させる可能性があることについては、多くの議論が行われてきました。その根拠は、非常に複雑なシャーディングシステムは相互に対話する必要があるため (クロスシャードトランザクション)、イーサリアム 2.0 プロトコルの内部ノード内でアプリケーション開発者のニーズを分離するのは非常に困難であるということです。

一見すると、イーサリアム 2.0 は外から見ると威圧的に見えますが、イーサリアム 2.0 でスマートコントラクトがどのように実行されるかはまだ明らかではありません。ただし、真実はさらに微妙です。

アプリケーション開発者は、イーサリアム 2.0 プロトコルのほんの一部を知っていれば十分です。平均的なスマートコントラクト開発者は、バリデータレジストリやビーコンチェーンターミナルガジェットの内部を理解する必要はありません。

したがって、フェーズ 0 はアプリケーション層から完全に削除されます。最近、フェーズ 1 とフェーズ 2 も非常に強力な提案を提出し、イーサリアム 2.0 をより強力かつ簡潔にするために実行環境のより高度な抽象化を提唱しています。

最悪の場合、ウォレット/アプリの開発者は、いくつかのトリックを通じて即時トランザクション決済を示すために、クロスシャードトランザクションの特定の詳細を知る必要があります。今日のコンピューターのオペレーティングシステムと内部デバイスは 10 年前に比べてはるかに複雑になっていますが、ほとんどのアプリケーション開発者は、強力なコンピューターアーキテクチャを構成する隠れた内部構造を理解する必要はありません。

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