イーサリアム 2.0: キャスパー & ビーコン チェーン
編集者注: この記事は以下から引用しましたUnitimes（ID：Uni-times）、著者：Colin Schwarz、編集者：Jhonny、許可を得て掲載。
副題
背景情報このシリーズの最初の記事では、「セレニティは何をもたらすでしょうか？」では、これまでのイーサリアムネットワークの歴史を概説し、期待されている Eth 2.0 が解決する主な問題について説明します。 2番目の記事では「副題
コンセンサスアルゴリズム
コンセンサスアルゴリズム
従来の価値および情報交換ネットワークでは、通常、ネットワークを保護し検証する仲介者が存在します。たとえば、銀行は顧客の資産のセキュリティを提供し、顧客のオンライン取引と情報を一元管理します。ブロックチェーンの分野では、ブロックチェーンネットワークが分散化されているため、そのような仲介者が必要ありません。
仲介者が存在しないため、ブロックチェーン ネットワークはセキュリティを維持し、分散台帳に追加される新しい情報の有効性を確保するために、何らかの形式のシステムを使用する必要があります。 [1]
つまり、ネットワークの安全性を維持するには、ブロックチェーン ネットワーク内のノードの大部分が、単一バージョンのネットワーク状態について「合意に達する」必要があります。これを実現するために、ブロックチェーンはさまざまな「コンセンサス アルゴリズム」を使用します。これは、ネットワークがコンセンサスに達してファイナリティを達成できるようにする、プロトコル コードに書き込まれた事前定義されたルールのセットです。ファイナリティとは、「特定の操作が完了すると、その操作は歴史的記録に永続的に刻まれ、その操作は元に戻されない」ことを意味します [2] [注釈、ブロックチェーンのファイナリティについては、読者は Unitimes の以前の記事を参照してください。掲載記事「イーサリアム 2.0:》]。
ファイナリティを達成するにはどうすればよいですか?
Proof of Work (PoW) は、ビットコインで使用される最も初期のブロックチェーン コンセンサス アルゴリズムであり、ビットコイン ネットワークのセキュリティと分散化を保証します。最近、他の多くのブロックチェーン プラットフォームは、さまざまな理由から、PoS (Proof of Stake)、DPoS (Proxy Proof of Stake)、PoA (Proof of Authority) などの他のコンセンサス アルゴリズムを導入しています。
副題
なぜPoSが必要なのでしょうか?
ビットコインなどの Proof-of-Work (PoW) システムには、コンピューター ハードウェアを介してブロックチェーン ネットワークに接続された多くのマイナーが関与します。 PoW コンセンサス アルゴリズムは新しいブロックごとに目標値を設定し、マイナーは最初に目標値を見つけて新しいブロックを追加することを競い合い、マイニング報酬を獲得できます。
これを行うために、提案されたブロックのヘッダー データを、固定長の文字列 (ハッシュ値) を返す/出力するハッシュ関数を通じて実行します。マイナーは、入力「ノンス値」がターゲット値と一致するハッシュ値を生成するまで、入力「ノンス値」を変更し続けます。つまり、ブロックヘッダーを再ハッシュします。この時点で、新しいブロックはネットワーク内のすべてのノードにブロードキャストされ、これらのノードはブロックを検証して台帳に追加し、ブロックの掘り出しに成功したマイナーはマイニング報酬を受け取ります。
PoW システムの重要な点は、正しいハッシュ入力を見つけるには多くの計算能力が必要である (つまり、マイニングが困難である) が、マイナーが正しい入力 (つまり "ノンス値") を見つけてしまえば、簡単に出力 (つまり、ハッシュ関数によって返されたハッシュ値) を確認します。マイニングプロセスの難しさはネットワークのセキュリティを保証し、ノードが各ブロックを検証するのは比較的簡単であるため、何千ものネットワークノードがブロックチェーンの最新の記録を維持できます。
しかし、残念ながら、ハッシュによって各ターゲット値を見つけるのは難しいため、大量の計算能力と電力が必要となり、ネットワークの効率とマイナーの利益が減少します。すべてのマイナーはブロックを確認して報酬を獲得するために多大な電力と計算を費やす必要がありますが、新しいブロックのマイニングに成功するのはそのうちの 1 人だけです。このため、各ブロックのマイニングでは多くの電力と計算が無駄になります。これは、PoW アルゴリズムはネットワークのセキュリティを保証できますが、アルゴリズムの効率が非常に低いことを意味します。
PoW ブロックチェーンの非効率性に加えて、このマイニング方法はより多くのリソースを持つ参加者に不当な利益を与えるため、マイニング空間は市場独占に対して脆弱でもあります。裕福で権力のある個人や組織は、より高速で強力なマイニング ハードウェアを大量に購入できるため、新しいコインのマイニングに成功する可能性が高くなります。現在、ビットコインマイニングの約65％は5つの大規模マイニンググループによって行われており、理論的にはそれらが統合してコンピューティングパワー市場の50％以上を支配する可能性がある（ただし、彼らがそうする可能性は低い）。これにより、ビットコインやその他の PoW ブロックチェーン ネットワークが当初想定されていたほど分散化されていない状況が生じ、その独立性と有用性が危険にさらされます。
PoS ネットワークでは、「マイナー」はネットワークのネイティブ トークンを所有する「バリデーター」に置き換えられます。バリデーターは、一定量のトークンをステークすることでネットワークのブロック検証に参加します (ブロックの提案とブロックの証明を含む)。提案/証明されたブロックがネットワークに追加されると、ブロックを提案/証明したバリデーターは、そのブロックに比例して報酬を受け取ります。賭け金。 PoS ネットワークでは、PoW のようなマイニングがないため、PoW システムよりもコスト効率とエネルギー効率が数千倍高くなります。
副題
「何も危険にさらされていない」問題
PoS コンセンサス証明アルゴリズムの実装における最大の問題の 1 つは、「何も問題がない」問題です。 2013 年以来、人々は PoS コンセンサスを実験してきましたが、Peercoin などの早期採用者はすぐにこの問題に遭遇しました [4]。
PoS プロトコルの初期の採用により、ネットワークのネイティブ トークンを所有する人は誰でもネットワーク バリデーターとして機能できるようになりました。これらの PoS プロジェクトでは、トークンを所有する人々がネットワークの成功に既得権を持っていることを前提としていました (つまり、ネットワークのバリデーターとして自発的に参加することになります)。自分の利益になるので、正直に確認してください）。
より多くのトークンを持っている人には、攻撃するインセンティブがほとんどないという前提で、より多くのトークンを持っている人には、より多くの検証権限が与えられます。
しかし、初期の PoS プロジェクトは、このロジックに欠陥があることにすぐに気づきました。通常、マイナー/バリデーターには、検証するブロックが 1 つだけ与えられます。ただし、レイテンシのため、多くの場合、複数のブロックが提案され、マイナー/バリデーターには 2 つのブロックから選択することが提示されます。
従来の PoW システムでは、マイナーは一度に 1 つのフォークされたチェーンでのみマイニングできます [5]。違法なフォークされたチェーンを以前の「権威のあるチェーン」(つまり、最長のチェーン)に置き換えるには、ネットワークのコンピューティング能力の 50% 以上が必要ですが、これはビットコインのような大規模な PoW ブロックチェーン ネットワークとしては非常に高いものです。 . とても難しいです。
PoS ネットワークでは、検証者は 2 つの異なる分岐チェーン上のブロックを同時に検証することが可能であり、追加のコストを負担する必要はありません。実際、PoS 導入の初期段階では、理論的には利用可能なフォークに賭けることがバリデーターの経済的利益でした。そうすることでバリデーターは取引手数料の報酬を得ることができ、これは「何も賭けていない (コストがかかりません)」悪、無限の利益）」の問題。
この種の問題による最悪の結果は、次のセキュリティの前提条件によって説明できます。
バリデーターは、たとえネットワーク全体に損害を与えたとしても、自分たちの利益を最大化しようとします。
利他的に検証するバリデーターはありません (ブロックは 1 つのチェーン上でのみ検証されます)。
バリデーターはソフトウェアを変更するか、変更されたソフトウェアをダウンロードして、複数のフォークされたチェーン (フォークが発生したときに正しいフォークされたチェーンを選択する内部ロジックを備えた標準ソフトウェア) を検証できるようにします。
上記のセキュリティ上の前提条件により、複数の分岐チェーンが発生し、ネットワークの合意が遅れ、複雑になる可能性があり、解決されない場合、ネットワークに重大なセキュリティ脆弱性が生じる可能性もあります。すべての検証者がネットワーク内のすべての分岐チェーンのブロックを実際に検証できる場合、悪意のある検証者は二重支払い攻撃 (つまり、同じトークンを複数回使用する) を実行できるようになります。フォークの 1 つを介してトークンを取引所に送信し、その取引所からトークンを引き出して、もう一方のフォークのブロックのみを検証することができます。
すべてのバリデーターが 2 つの異なるフォークされたチェーンに対して検証していると想定されているため、2 番目のチェーンがどんどん証明を獲得し、最終的には唯一の有効なチェーンになります。これは、以前に最初にフォークされたチェーンで使用され、取引所から引き出されたトークン トランザクションが無効になることを意味します。このようにして、二重支出が発生し、金額がどんなに大きくても取引所から資金が騙し取られることになります。
つまり、PoS の初期の試みで各バリデーターに実際の価値をステークするよう要求していないため、ネットワークが遅延し、複雑になり、安全性が低下する可能性がありました。
副題
「何も危機に瀕していない」問題の解決策: Casper
幸いなことに、イーサリアム チームは初期の PoS プロジェクトの欠点から学び、「何も問題がない」問題を解消するために Casper プロトコルを設計しました。 2014 年に、Vitalik は「Slasher」と呼ばれる記事で、「Nothing at Stake」問題を解消するというアイデアを初めて提案しました [5]。この論文では、単純な解決策を提案しています。「メイン チェーンに他のフォークされたチェーンを認識させます。後で、マイナーが両方のチェーンで同時にマイニングしているのが見つかった場合、マイナーは罰せられます。」
「この概念は提案されてから大幅に進化しましたが、Casper コンセンサス アルゴリズムの基礎となりました。
Casper は、複数のフォークされたチェーンを検証したり、ネットワークに損害を与えたりするバリデータにペナルティを与えるためのアルゴリズムです。
Casper の最初の実装では、イーサリアムの現在の PoW 提案メカニズムを使用して、Eth2.0 チェーンに新しいブロックを導入します。 2 つのブロックが同時に提案された場合、バリデーターは 1 つのチェーンにステーキングすることに対してのみ報酬を受け取ります。そのため、この古いチェーンが成功の可能性が最も高いチェーンであるため、現在の Eth1.0 チェーンを通じてステーキングすることは理にかなっています。
さらに重要なのは、Casper プロトコルでは、バリデーターが複数のブロックを同時に検証することで無効なフォークされたチェーンをサポートしようとした場合、バリデーターによって誓約されたトークン資産が破棄されるメカニズムが導入されていることです。これは、2 つの「Casper 戒め」[6] を強制する特別な保護メカニズムによって実現されます。
最初の「Casper Commandment」は、バリデーターは同じブロックの高さで 2 つの異なる投票を発行できない (つまり、同じブロックの高さで 2 つの異なるブロックに署名できない) というものです。
2 番目の「キャスパー戒め」は、バリデーターがすでに投票した場合、他の投票時間枠で再度投票することはできないというものです。これらの原則のいずれかに違反するバリデータは悪意のあるバリデータとみなされ、（賭け金だけでなく）デポジット全体が没収されます。ネットワークの可用性を向上させ、トランザクションの検閲を軽減するために、ノードがオフラインになっているバリデーターも適度に罰せられます。詳しくはUnitimesの過去記事「Eth 2.0 AMA フェーズ 2 | Vitalik:イーサリアム 2.0 には未解決の研究課題はありません
」。 Casper の研究者 Vlad Zamfir は、この新しい PoS セキュリティ メカニズムを、PoW システムで 51% 攻撃を開始する人が使用するマイニング ハードウェアに喩えています [2]。
Casper メカニズムが正しく実装されていれば、「Nothing at Stake」問題が解消され、イーサリアム ネットワークが安全に PoS メカニズムに移行できるようになります。
Casper FFG により、イーサリアムは PoW コンセンサス メカニズムから PoS コンセンサス メカニズムにスムーズに移行できるようになります。したがって、Casper FFG モデルは、この新しい PoS プロトコルを現在の Ethereum PoW プロトコルにオーバーレイすることにより、この新しい PoS プロトコルを統合します。ブロックは依然として PoW を通じてマイニングされますが、各エポックの最後のスロットは PoS チェックポイント (生成される 64 ブロック (約 6.4 分) ごとをエポックと呼びます) であり、ネットワーク検証者はチェックポイントに位置します。最後のチェックポイント以降のブロックのファイナリティを評価します。 。 Casper CBC は、FFG の後に実装され、PoS コンセンサスへの移行が完了します。
副題
ビーコンチェーン
Casper のプルーフ オブ ステーク メカニズムは、現在のイーサリアム PoW チェーンと並行して実行される独立したチェーンとなるビーコン チェーンを通じて実装されます。ビーコン チェーンは Eth2.0 チェーンの「システム チェーン」となり、その主な役割は、バリデータ レジストリの保存と維持、シャード チェーンとビーコン チェーン間のクロスリンクの処理、および各エポック中にチェーンを開くことです。 . ランダム化して各シャード チェーンに検証者を割り当てます (Eth2.0 システムには 1024 のシャード チェーンが存在します) など。
ユーザーは、現在の古いイーサリアム チェーンに展開されるスマート コントラクトで 32 ETH (デポジット) を送信することで、ビーコン チェーンのプルーフ オブ ステーク プロトコルに参加できます。このデポジットにより、このバリデーターがどのシャード チェーンにシャードされるかを示す ID を含むレシートが生成されます (シャーディングの詳細については、この記事 [12] を参照してください)。
ユーザーが誓約すると、ビーコン チェーン内の保留中のバリデーターになります。一定時間待機すると、ユーザーはアクティブなバリデーターになるように「アクティブ化」され、PoS プロトコルの検証に参加できるようになります [9]。ビーコン チェーンが Eth1.0 チェーンからのプレッジの受信を処理した後でのみ、ユーザーは有効なバリデーターとして「アクティブ化」されます。アクティブ化されたバリデーターは、順番に新しいブロックを提案し、ブロックの有効性について投票します。
Casper の初期のバージョンでは既存の PoW 提案メカニズムが使用され、後のバージョンではより効率的な提案メカニズムが使用されます。 Vitalik 氏は、「ブロック提案を PoS 循環ブロック署名メカニズムに変換する」ことを構想しています。 [6] バリデーターが共謀して攻撃を開始するのを防ぐために、ビーコン チェーンは、チェーン内でランダム性ブロック提案/投票検証を実装することにより、バリデーターを異なるシャードにランダムに割り当てます [ 8]。バリデーターがいつどのシャード チェーンに割り当てられるかを知らなければ、事前に共謀して攻撃を開始することを防ぐことができます。フォークが発生した場合、バリデーターはクライアントのビーコン チェーン フォーク選択ルールを使用して、正しいチェーンを自動的に選択します。フォーク選択ルールは、「Last Message DriVEN Greediest Heaviest Observed SubTree (LMD GHOST、最新ニュースによって駆動される GHOST)」を使用して、どのチェーンが「正規チェーン」であるかを決定します。潜在的な攻撃者が間違ったフォークされたチェーンを検証したい場合は、LMD GHOST フォーク選択ルールを手動で変更または削除する必要があります。 [備考: LMD GHOST の詳細については、記事「イーサリアム 2.0:》]
ファイナリティを達成するにはどうすればよいですか?
副題
路線図
路線図
ビーコン チェーン (つまり、Eth2.0 のフェーズ 0) は 2020 年初頭に開始される予定ですが、これはシステム内で誓約された ETH の数が最小要件に達し、本番環境に対応したクライアントが少なくとも 3 つある場合に限られます。 、ビーコン チェーンを起動できます。正常に開始されました。フェーズ 1 とフェーズ 2 は、それぞれ 2021 年と 2020 年に続く予定です。
フェーズ 1 では、基本的なシャード チェーン構造を紹介します。これは基本的にシャード構造の試行段階であり、シャード システムがどのように動作するかをテストするために使用されます。したがって、フェーズ 1 では、シャーディングの潜在的なスケーラビリティをすぐに最大限に発揮することはできません。このフェーズでは、シャード チェーンのコンセンサスとファイナリティに対処し、ビーコン チェーンがシャード チェーンの実行を監視できるようにします。
フェーズ 2 では、シャードが完全に機能するチェーンとなる、完全に統合された Eth2.0 システムを目撃します。フェーズ 2 では、新しいイーサリアム仮想マシン eWASM も導入されます。
これらのフェーズは概念的には別々ですが、各フェーズの相互関連性により、各フェーズの作業は同時に実行されることに注意することが重要です。
さらに、現在、Eth 1.x としても知られる Eth1.0 チェーンを改善する取り組みが進行中であり、クライアント側の最適化を通じてネットワークのスループットを向上させ、完全な運用を確保するために「州手数料」を導入することを目的としています。ノード、安定したトランザクション手数料、および Eth1.x チェーンを Eth2.0 チェーンに接続するために使用できるファイナリティ ガジェットの開発。
