ハイブリッド レイヤ 2 プロトコルの夜明け

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、著者: Vitalik Buterin、Lianwen が編集、Odaily が許可を得て転載。

現在のイーサリアム レイヤー 2 拡張ソリューション (主にプラズマおよびステート チャネルを指します) は、理論から実践へと移行しつつあります。しかし同時に、これらのテクノロジーには固有の課題があることがますます明らかになりつつあり、成熟したイーサリアム拡張テクノロジーからはまだ一定の距離があります。

イーサリアムが成功したのは、イーサリアムでの開発者エクスペリエンスが素晴らしかったからです。つまり、プログラムを作成して公開すれば、誰でも操作できるのです。一方、ステート チャネルまたはプラズマ アプリケーションの設計は、アプリケーション固有のユースケース開発のインセンティブと複雑さに関する多くの明示的な推論に依存します。状態チャネルは、2 人のトレーダーまたは 2 人のゲームプレイヤーの間での複数回の定期的な支払い (Celer で正常に実装されています) など、特定のユースケースには適していますが、より一般的なユースケースはまだ難しいようです。 Plasma (特に Plasma Cash) は支払いシナリオで使用できますが、汎用ユースケースの実装には特定の課題があります。分散型取引所を展開する場合でも、顧客はより多くの履歴データを保存する必要があり、Plasma Ethereum スタイルの汎用スマート プラットフォーム上に展開する必要があります。契約も非常に難しいようです。

しかし同時に、忘れ去られていた「セミレイヤ 2」プロトコル クラスが再び登場しました。このタイプはスケーラビリティを向上させることはできませんが、より一般化された安全なモデルを実現できます。

2014 年に公開されたブログ投稿で、私は「シャドウ チェーン」の概念を紹介しました。これは、チェーン上にブロック データを公開するものの、デフォルトではブロックを検証しないアーキテクチャです。代わりに、ブロックは暫定的に受け入れられ、一定期間 (たとえば 2 週間程度) 後に確定されます。この 2 週間の間に、一時的に受け入れられたブロックに対して異議が申し立てられ、そのブロックが無効であることが最終的に証明された場合、ブロックが存在するチェーンが復元され、元のパブリッシャーのセキュリティ デポジットが返されます。ペナルティとして差し引かれます。この契約ではシステムの完全な状態は追跡されず、状態ルートのみが追跡され、ユーザー自身がブロックチェーンに送信されたデータを最初から最後まで処理して状態を計算できます。

ZK Rollupと呼ばれる最近の提案では、ブロックの正当性を検証するためにZK-SNARKを使用しており、チャレンジ期間はありませんが、同様の効果が得られます。

上: チェーン上で公開された ZK ロールアップ パッケージの構造。 ZK ロールアップ システムの状態 (つまり、口座残高) に影響を与える何百もの「内部トランザクション」が 1 つのパッケージに圧縮されます。このパッケージには、サイズが約 10 バイトに相当する各内部トランザクションと、完全な有効性を証明するために使用されるキーが含まれています。関連する転送プロセス (サイズ約 100 ～ 300 バイト) SNARK、サイズ約 100 ～ 300 バイト。

上記の場合、メイン チェーンはデータの可用性を検証するために使用されますが、ブロックの有効性を (直接) 検証したり、重要な計算を実行したりすることはありません (チャレンジが提起されない限り)。したがって、最終的にチェーン上のデータ負荷がボトルネックとなるため、この技術には容量拡張という点で大きな利点はありませんが、依然として非常に重要な手段であることは否定できません。

データは計算よりも安価であり、トランザクション データを大幅に圧縮する方法は数多くあります。主な理由は、トランザクション内のデータの大部分が署名データであり、複数の形式の集約を通じて多くの署名を 1 つの署名に圧縮できるためです。 ZK Rollupは、各トランザクションをわずか10バイトに圧縮し、トランザクションの正当性がゼロ知識証明によって検証されるため、署名の必要がないため、1秒あたり500トランザクションを処理することを約束しています。これは、イーサリアム自体よりも30倍効率的です。含まれること。一方、同様のスループットは、BLS 集約署名を使用する「シャドウ チェーン」でも達成できます (Ethereum Casper のコア開発者 Karl Floersch によって最近リリースされた新しいアーキテクチャである Optimistic Rollup と同様)。今後のイスタンブール ハード フォークでは、データのガス コストが 1 バイトあたり 68 ユニットから 16 ユニットに削減され、スループットも 4 倍になります (つまり、1 秒あたり 2000 トランザクション以上)。

では、ZK/Optimistic Rollup などのデータオンチェーン技術には、Plasma などのオフチェーンスケーリング技術と比較した利点は何でしょうか?

まず、ZK/Optimistic Rollup は「半信頼された」オペレーターを必要としません。 ZK Rollupでは、トランザクションの正当性は暗号証明によって検証されるため、実際にはパッケージの送信者が「悪いことをする」方法はあまりありません（もちろん、設定によっては、悪意のある送信者がシステムを一時停止させる可能性があります）数秒間ですが、システムに与えることができるダメージはこれくらいです)。オプティミスティック ロールアップでは、悪意のあるコミッターが「不正なブロック」を公開する可能性がありますが、次のコミッターは自分のブロックを公開する前にすぐにそのブロックに異議を唱えることができます。 ZK ロールアップとオプティミスティック ロールアップでは、十分なデータがチェーンにリリースされるため、誰でも完全な内部状態を計算でき、送信されたすべてのデルタは順番に処理される必要があり、このプロパティをキャンセルする「データ保留攻撃」はありません。言い換えれば、オペレーターになることは完全に「許可なし」であり、必要なデポジット (わずか 10 ETH) はスパム対策の目的にのみ使用されます。
第二に、オプティミスティック ロールアップの実装はより一般化されており、オプティミスティック ロールアップ システムの状態遷移関数を使用して、単一ブロック (遷移の検証に必要な状態部分を提供するマークル分岐を含む) のガス制限内でより一般的な計算を実行できます。期間）。理論的には、ZK Rollup も同じ方法で汎用コンピューティングを実現できますが、実際には、少なくとも今のところ、ZK SNARK を汎用コンピューティング (EVM での実行など) に使用することは非常に困難です。

繰り返しになりますが、Optimistic Rollup は必要なレイヤー 2 ネットワーク インフラストラクチャが少なく、ブロックチェーンをスキャンするだけで多くの作業を実行できるため、クライアントの構築が簡単です。

しかし、ZK/Optimistic Rollup のようなものの利点は何でしょうか?実際、これは高度に技術的な問題であり、データ可用性の問題としても知られています。 （詳しくは説明資料をご覧ください）

https://github.com/ethereum/research/wiki/A-note-on-data-availability-and-erasure-coding と説明ビデオ: https://www.youtube.com/watch?v=OJT_fR7wexw)

基本的に、レイヤー 2 システムで「チート」するには 2 つの方法があります。1 つ目は無効なデータをブロックチェーンに公開することであり、2 つ目はデータをまったく公開しないことです (たとえば、Plasma では、Plasma の新しいブロックのルートハッシュはメインチェーンで公開されますが、ブロックの内容は誰にも公開されません）。

無効なデータの公開は、実際には非常に簡単に対処できます。データがチェーン上に公開されると、そのデータが有効かどうかを判断する方法は数多くあり、送信された無効なデータは無効としてマークされ、送信者は厳しく罰せられるからです。このために。一方、利用不可能なデータは、たとえ異議を申し立てられても利用不可能であることを検出することが不可能であり、特にデータがデフォルトで保持されている場合には、これらの未公開データが誰のせいであるかを正確に特定することが不可能であるため、対処がより困難です。何らかの認証メカニズムがその可用性を検証しようとする場合、オンデマンドで認証されます。これはフィッシャーマンのジレンマで説明されています。チャレンジ-レスポンス ゲームでは、悪意のある提出者と悪意のある挑戦者を区別することが不可能です。

上: 漁師のジレンマ。指定された特定のデータを時間 T3 でのみ確認し始めた場合、自分がケース 1 に属しているのかケース 2 に属しているのかを知る方法がないため、誰のせいなのかもわかりません。

プラズマと状態チャネルは、問題をユーザーに押し付けることで「漁師のジレンマ」問題を効果的に解決します。あなたがユーザーで、別のユーザー (状態チャネルの取引相手、または Plasma のオペレーター) と対話することを決定した場合、そのユーザーを想定します。必要なデータを送信しなかった場合、あなたはその場を離れ、次の取引相手/オペレーターに移ります。ユーザーとして、以前のすべてのデータと署名されたすべてのトランザクション データを所有しているという事実により、レイヤー 2 プロトコルで資産を所有していることをブロックチェーン内で証明できるため、それらの資産をシステムから安全に取り出すことができます。さらに、資産を受け取ることの（事前に合意された）運用証明も必要です。同時に、関連する資産を他人に送信したことを誰も証明できず、その場合にこの資産を取得したことになります。

この手法は確かに洗練されていますが、重要な前提に依存しています。つまり、各状態オブジェクトには論理的な「所有者」があり、所有者の同意なしにオブジェクトの状態を変更することはできません。したがって、この手法は、未使用トランザクション出力 (UTXO) に基づく支払いトランザクションには機能します (ただし、アカウント モデルに基づく支払いトランザクションには機能しません。この場合、同意なしに他の人のアカウント残高を上方編集できるためです。そのため、アカウントモデルは非常に難しい）、分散型取引所でも使用できますが、この「所有者」属性は十分とは言えません。一部のアプリケーション (Uniswap など) には本来の所有者が存在しません。また、所有者が存在するアプリケーションであっても、問題のオブジェクトを合法的に編集できる人が複数存在することがよくあります。発行者または提出者に過失があるかどうかを誰も証明できないため、サービス拒否 (DoS) 攻撃の可能性を導入せずに、任意の第三者による資産の引き出しを許可する方法はありません。

さらに、プラズマ チャネルとステート チャネルにはそれぞれ他にもいくつかの問題があります。ステートチャネルにまだ参加していないユーザーの場合、オフチェーントランザクションは許可されません。 Plasma では、ユーザーが大量の履歴データを保存する必要がありますが、異なる資産が絡み合っている場合 (たとえば、単一ステージ (単一ステージ) のように、ある資産譲渡の条件が別の資産譲渡に基づいている場合など)、データ量はさらに大きくなります。買い注文メカニズムを備えた分散型取引所で発生するのと同じです)。

データオンチェーン計算オフチェーンのレイヤー 2 テクノロジーにはデータ可用性の問題がないため、そのような弱点はありません。 ZK ロールアップとオプティミスティック ロールアップは、ユーザーがレイヤー 2 システムの完全な状態を計算できるように十分なデータをオンチェーンに配置することに細心の注意を払っており、参加者が消えた場合でも新しい参加者が簡単に代わりを務めることができます。レイヤ 2 テクノロジの唯一の問題は、オンチェーン計算を実行せずに計算を検証することですが、実際にはこれは簡単に解決できます。さらに、スケーリングにより大きなメリットがもたらされます。ZK ロールアップの各トランザクションは約 10 バイトですが、オプティミスティック ロールアップは BLS 集約署名を使用することで同様のレベルに到達できます。理論的には、1 秒あたり最大 500 トランザクションに達することができ、イスタンブールのアップグレード後は、インジケーターの数は 1 秒あたり 2000 トランザクションに達する可能性があります。

しかし、より高いスケーラビリティが必要な場合はどうすればよいでしょうか?

実際、レイヤ 2 オンリンク プロトコルとレイヤ 2 オフリンク プロトコルの間には大きな中間点があり、多くのハイブリッド ソリューションは両方を活用しています。簡単な例として、注文照合マップ (4 バイト未満) をチェーン上に公開することで、Plasma Cash に展開された分散型取引所の歴史的なストレージ爆発の問題を防ぐことができます。

左上: トークンを所有するプラズマ キャッシュ ユーザーは履歴データを保存する必要があります。

上: Plasma Cash ユーザーは、トークンを所有するときに履歴データを保存する必要があり、トークンはアトミック スワップを通じて取得されます。

右上: 注文照合がチェーン上で公開される場合、プラズマ キャッシュ ユーザーは履歴データを保存する必要があります。