イーサリアム 2.0 がその剣を見せようとしていますが、設計計画のハイライトは何ですか?

欧易情报局

特邀专栏作者

2019-12-27 16:52 (UTC+8)

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2019 年 12 月 8 日日曜日、イーサリアムネットワークは計画どおりブロック高 9,069,000 のイスタンブールにアップグレードされ、ethernodes.org Web サイトによると、ノードの 90% 以上が同期され

AI要約

記事の原題は「OKEx Investment Research | Ethereum 2.0 Report」、著者：OKEx Investment Research アナリスト Xiuxiu

1つ。イスタンブールのアップグレード

二。イーサリアム2.0

2.1 アーキテクチャ

2.2 主なアップデートポイント

2.3 主要なソリューション

最初のレベルのタイトル

1つ。イスタンブールのアップグレード

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(ノード同期図、画像はethernodes.orgから引用)

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(主流のパブリックチェーン DAPP データマップ、https://www.stateofthedapps.com/、11月29日）

イスタンブールのアップグレードは、分散化の原則を犠牲にすることなくブロックチェーンの適用をより速く、より安価にすることを目指すイーサリアム 2.0 のスケーラブルな青写真における重要なマイルストーンです。このイスタンブールのアップグレードで実装される機能には、ガスコストの削減対策、プライバシーコイン Zcash とのチェーンの相互運用性の向上、より創造的な機能を可能にするスマートコントラクトなどがあります。

合計 14 の EIP (イーサリアム改善提案) が 2 段階で実装されます。このうち、6 つの提案は第 1 フェーズ (V1) で実装および適用されます。残りの 8 つの提案はまだコア開発者による議論と審議が必要で、その後の第 2 フェーズ (V2) のアップグレード実装のために保留されます。

V1 フェーズのこれらの提案の中で、EIP-1884 は非常に物議を醸しています。潜在的なスパムトランザクションからブロックチェーンを保護するために、アプリケーション開発者がネットワークからデータを取得し、オペレーションコードのガス消費量をリセットするためのコンピューティングコストが増加します。 , 一部の操作のガス消費量が増加しました。これにより、イーサリアム上のデータ呼び出しコストが従来よりも高くなり、開発者にとって、ガスコストの変動による最大の混乱を避けるために、多くのストレージスペースを占有するアプリケーションの作成を避ける必要があります。トランザクション内でアクセスされる合計ストレージ容量 + コントラクト + コントラクトコード。過負荷にならないようにしてください。もう 1 つの大ヒットは EIP-1108 です。これには、イーサリアム上でプリコンパイルされた楕円曲線アルゴリズムの価格を変更することが含まれます。 GAS 支払いを最適化することでイーサリアムのスケーラビリティとプライバシープロトコルを改善することを目指しており、ZK-SNARK や Zether や AZTEC などの他のプライバシーアプリケーションをイーサリアム上で使用するコストが安くなります。

第 2 フェーズ (V2) は、「ProgPoW」と呼ばれるアルゴリズムの改善を含む、アップグレードされたメインネットに実装されます。これは、ワークロードプルーフ機能である Ethash アルゴリズムを置き換えることにより、ASIC に耐えるイーサリアムの能力を強化します。

最初のレベルのタイトル

二。イーサリアム2.0

イーサリアムの目標は、分散型金融およびスマートコントラクト実行プラットフォームとなり、「現実世界のコンピューター」になることです。イーサリアムの公式 Web サイトには、次のことが示されています。イーサリアムは、分散型アプリケーションのためのグローバルなオープンソースプラットフォームです。イーサリアムでは、デジタル値を制御し、プログラムどおりに実行し、世界中のどこからでもアクセスできるコードを作成できます。この分散化された世界において、イーサリアムは分散化ネットワークの構築者、そして分散化ネットワークインフラストラクチャとテクノロジーのプロバイダーとして自らを位置づけているようです。

イーサリアムは、世界のコンピュータという目標を達成するため、2014年の誕生当初にフロンティア（辺境）、ホームステッド（農場）、メトロポリス（大都市）、セレニティ（静けさ）という4つの開発段階を設定しました。最初の 3 つのステージはすべて POW モデルを採用しており、4 番目のステージ「Serenity」は POS、つまりイーサリアムの最終形態、つまりイーサリアム 2.0 と呼ばれるものです。

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副題

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(イーサリアム 2.0 の全体的なアーキテクチャ、Hsiao-Wei Wang より)

この図は上から下まで次のようになります。

1. PoW メインチェーンは現在のイーサリアムのメインネットワークです。イーサリアム 2.0 システムでは、ビーコンチェーンのシャードとして動作し続けます。

2. ビーコンチェーンは、Casper プロトコルの権利と利益の証明を通じて、すべてのチェーンの基本チェーンであり、イーサリアム 2.0 システム全体の中心部分であるビーコンチェーンです (Casper はシステム全体のコンセンサス層であり、検証者の管理、報酬と罰の実装を担当し、すべての独立した並列シャードチェーンを調整し、Crosslink を各シャードのアンカーポイントとして使用して、シャード間の通信を実現し、シャードのファイナリティ保証を提供します。

3. シャードチェーンは、スケーラビリティの源となるシャードチェーンです。各シャードには、シャードをパッケージ化して検証する検証委員会があり、クロスリンクを通じてビーコンチェーン上のシャードの状態を定期的に記録します。ブロックがビーコンチェーン上でファイナライズされると、ブロック内のクロスリンクによって参照されるシャードブロックは不変とみなされます。

4. VM 層はイーサリアム 2.0 システムの最後の重要なコンポーネントであり、コントラクトとトランザクションの実行を提供します。

イーサリアム 2.0 のアーキテクチャは図 1 に示されており、イーサリアム 2.0 ではビーコンチェーンと呼ばれるメインチェーンが存在し、ビーコンチェーンの下に 64 個のシャードがあり、各シャードは独立してデータを処理できます。ビーコンチェーンはアーキテクチャの中核であり、メインチェーンの接続と各シャードの管理を担当します。

Casper は、それに対応するコンセンサスであり、2 つのバージョンがあります。1 つは、Vitalik 率いる Casper FFG です。FFG は、イーサリアムが PoW から PoS に正常に移行するための移行プロトコルとして POW+pos のハイブリッドコンセンサスを使用しています。その主なアイデアは、PoS を使用して PoW によって生成されたブロックの最終確認を支援し、それによってマイナーの報酬を削減しながらシステムのセキュリティを向上させることです; もう 1 つは Vlad 率いる Casper CBC であり、CBC は純粋な PoS コンセンサスです。視点 CBC には、さらに研究し、探求する必要がある詳細がまだ多くあります。

副題

2.2 イーサリアム2.0のアップデートポイント

イーサリアムの開発ロードマップによると、イーサリアムは2020年に2.0段階に入る予定です。イーサリアム 2.0 の技術アップグレードには主に 3 つの大きな革新があります。コンセンサスメカニズムが POW から POS、シャード (Shards)、および eWASM 仮想マシンに変更されました。

POW から POS へのコンセンサスメカニズム - 効率を向上させ、エネルギー消費問題を解決します

イーサリアム 1.0 では、新しいブロックを生成するためのコンセンサスメカニズムとして Proof of Work (PoW) が使用されます。 POW のコンピューティング能力のコンセンサスに基づいて、すべてのノードは同時に 1 つのことしか実行できず、ネットワーク全体で処理できるタスクの量は非常に限られており、単一ノードが実行できるタスクの上限によって厳しく制限されます。ネットワーク内で処理できます。ブロックサイズを拡張しても、ネットワーク全体の合意により、効率向上の効果は限定的です。したがって、新しいブロックの生成にかかる長い時間と、大量のコンピューティング能力の必要性によって引き起こされるリソースの無駄を削減するために、イーサリアム 2.0 は、新しいブロックを生成するためのコンセンサスメカニズムとして Proof of Stake (PoS) に変更されます。ブロック。

シャード - ネットワークのパフォーマンスと容量を向上させます

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(シャーディング物理空間図、写真はtokeninsight「シャーディング技術調査レポート」より)

EVM を eWASM に置き換える - スマートコントラクトの互換性と実行効率を向上させる

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（スマートコントラクト動作フローチャート）

イーサリアム 2.0 は複数のプログラミング言語をサポートし、eWASM が EVM に置き換わります。 EVM 仮想マシンはイーサリアムネットワークのコアエンジンであり、イーサリアム全体の運用を推進し、イーサリアム上のすべてのトークン、DAPP、DAO 組織、およびゲームを実行します。しかし、EVMはコンパイル作業が肥大化・複雑化するため大量のガスを消費し、イーサリアム2.0のPoSやシャーディングの改良により仮想マシンはトランザクションを並列処理する必要があり、EVMはそのような運用には適していません。トランザクションを順番に処理するためです。したがって、Ethereum チームは EVM の代わりに eWASM を使用することを提案しました。eWASM は WASM (WebAssembly) コードの Ethereum バージョンです。EVM と比較して、eWASM はパフォーマンスとスケーラビリティが優れており、Solidity、C++、Rust、AssemblyScript などをサポートできます。プログラミング言語を使えばコントラクトの開発が容易になり、ETH2.0上でのスマートコントラクトやアカウント、ステータスなどのサポートも可能になります。さらに、eWASM は EVM と下位互換性があるため、イーサリアムのスマートコントラクトは理論的には現段階でもイーサリアム 2.0 上で実行できます。

2.3 主要なソリューション

同時に、シャーディングとposコンセンサスメカニズムの導入により、イーサリアム2.0は新たな課題に直面しています。したがって、これらのリスクを橋渡しし、イーサリアム 2.0 の継続的な改善を支援するために、Casper FFG、ビーコンチェーン、ブリッジングソリューションがあります。

2.3.1 .Casper FFG

Casper FFG の実装後、イーサリアムはまず POW+POS ハイブリッドマイニングの段階に入ります。この段階では、ほとんどのブロックは依然として POW を通じて生成され、一部のブロックは POS ノードに引き渡され始めます。ネットワーク全体より段階的に POS へ移行します。

Casper FFG は定期的にシステムにバリデーター委員会を割り当て、各シャードのブロック提案者とブロックバリデーターを選択し、バリデーターに対する報酬とペナルティを実装します。

(1) バリデータのステータスを管理する

バリデーターには 4 つの状態があります。非アクティブ (バリデーターの役割の実行を開始していない)、アクティブ化 (検証中)、待機中 (バリデーターになろうとしているが、キュー内でまだ待機中)、およびバリデーターを終了中 (非アクティブ化を望んでいます)バリデーターの責任はありますが、依然として終了キューに残っています)。

Casper FFG では、完全なバリデータサイクルは次のとおりです。

1 住宅ローン預金: 32 ETH を Capser のスマートコントラクトに抵当に入れる必要があります

2当選通知待ち：1日待ちます

3 投票: 2 が確認された後、チェックポイントで投票してブロックを確認します

4 撤回: 撤回同意書を発行した後、7 日間継続して確認する必要があります。

5 デポジットの引き出し: 申請を提出した後、引き出しができるまで約 4 か月待つ必要があります。

システムは検証者を配置して委員会を構成する必要があり、ポイントツーポイントの接続であるため、入場と退場には待ち時間が必要ですが、検証者の数が変動しないように、このプロセスは可能な限りスムーズでなければなりません大いに。

2 つの時間単位を理解する

スロット (タイムスロット): ブロック提案者がブロックを提案し、それを検証に使用するまでの時間。現在は 12 秒です。バリデーター委員会内で合意に達することができれば、スロットはブロックを正常に生成できますが、そうでない場合はスロットは空になります。

エポック (期間): 複数のタイムスロット (現在 32) を組み合わせた期間、6.4 分。エポックの最後のスロットはチェックポイント (チェックポイント) と呼ばれます。

バリデーターになる:

POS における「無関心攻撃」の問題、つまり POS メカニズムの下では、悪意のあるノード検証者がフォークされたチェーンにコインを賭けて、損をすることなくハードフォークを促進する可能性があります。したがって、イーサリアム 2.0 では、検証ノードは参加を申請するために一定量の ETH (現在 32ETH) をビーコンチェーンに抵当に入れる必要があります。"その後、イーサリアム 2.0 プロトコルを実行できるようになり、ビーコンチェーンも検証ノードを追跡および管理します。 32 ETHの閾値は低いです. PoWに基づくPoSはスマートコントラクトの形で存在します. ノードプログラムはもう少し単純かもしれません. ユーザーはコンピューター上でウォレットを実行するだけでよく、構成要件はそれほど高くありません. .バリデーターが行うべき最も重要なことは、ステップ 3 で投票することです。バリデーターが報酬を獲得し、トークンの没収を回避できるように、時間内に準備して投票します。

検証の終了: 検証者は、システムを終了してプロトコルへの参加を停止することを通知することもできます。長距離攻撃を防ぐために、イーサリアム ETH2.0 では引き出し遅延期間が長くなり、約束した TOKEN と報酬から罰金を引いた額がシャードチェーンに返還されます。

(2) システムに検証者をランダムに割り当てる

委員会は、ビーコンチェーンによってランダムに選択された検証ノードのグループ (少なくとも 128) であり、ビーコンチェーンと各シャードによって生成されたブロックを監視する責任を負います。ビーコンチェーンには独自の委員会があり、各シャードにはブロックを検証するバリデーター委員会もあります。委員会は、シャードが存在するセキュリティ、稼働性、完全性を確保し、ビーコンチェーン上のシャードの状態を証明する責任があります。

各スロットでは、ビーコンチェーンがブロックの生成を担当する各委員会のチェーンのバリデーターをランダムに選択し、他の一定数のバリデーターがブロックをチェックしてその正確性を検証します。次のブロックが生成されるとき、ブロックを提案するために検証ノードがランダムに選択され、異なる検証ノードの別のグループが正確さを検証するために使用されます。

割り当てられた委員会がエポックのブロック生成と検証タスクを完了すると、システムはすべての検証ノードを再シャッフルし、各シャードの次のエポックに新しいバリデーター委員会をランダムに選択します。乱数生成アルゴリズムの助けにより、検証ノードの選出プロセスは検証ノード間の共謀を根本的に回避し、プロトコルのセキュリティを向上させます。

(3) チェーンのファイナリティを確保し、POS の遠距離攻撃を回避する

ビットコインのPoWコンセンサスは最長チェーン原則を採用しており、二重支払いを防ぐため、トランザクションが本当に有効であると確認されるまでに6ブロックの確認を待つ必要があるのが一般的です。実際、6 ブロックの確認が有効な確認の兆候であると考えられる理由は、現在のビットコインの計算能力条件では、その後のトランザクションが改ざんされる可能性はすでに無視できるものですが、理論的にはつまり、トランザクションが数百のブロックによって確認された後でも、最長チェーンの原則に従って、トランザクションは 51% 攻撃によってデータが改ざんされる可能性がまだあります。したがって、PoW のコンセンサスでは、チェーンの確実性は暗黙のファイナリティのみであり、この機能により、すでに複雑なステートシャーディングがさらに不確実になります。

Ethereum 2.0 では、ブロックごとに検証ノードが投票するため、ネットワーク伝播のオーバーヘッドが増加しますが、Casper では投票数を減らすために、各エポックの最後のスロットのブロックをチェックポイントとして設定し、検証ノードが参加する検証ノードをチェックポイントに設定します。コンセンサスはチェックポイントについて投票します。各ベリファイアはチェックポイントをキャストします。チェックポイントは、決定的チェックポイントから、いくつかのチェックポイントを経た後のチェックポイントにキャストできます。ジェネシスブロック (ジェネシスブロックは最初の決定的チェックポイントです) から開始して、次のチェックポイントが投票の 2/3 以上を受け取ると、このブロックは決定的で変更不可能になり、このチェックポイント、つまり決定的チェックポイントになります。の上。決定論的チェックポイントが、その背後にあるサブチェックポイントへの投票の 2/3 以上を受け取った場合、この決定論的チェックポイントと後者のチェックポイントの間のすべてのチェックポイントが確認されたことになります。

同じブランチ上の決定的チェックポイントの前のチェックポイントも決定的チェックポイントであり、バリデーターの 2/3 以上がこのセグメントに投票した場合、この決定的チェックポイントは最終的です。チェックポイント状態が最終状態の場合、チェックポイントとその前のすべてのブロックが完了します。したがって、Casper コンセンサスのもう 1 つの大きな改善は、明示的なファイナリティの導入です。つまり、最新のブロックの数ブロック前のブロック情報は改ざんできなくなり、ステートレスクライアントの実現が容易になります。

その間、検証者が操作中に悪事を働くのを防ぐために、キャスパーは次のような一連の罰メカニズムを策定しました。検証者は同じブロックの高さに対して 2 つの異なる投票を開始することはできず、2 つの投票の投票範囲は禁止されます。 One が 1 つ含まれていると、誓約されたトークンは没収されます。

さらに、PoS が PoW チェーンのセキュリティを向上できるようにするために、FFG はフォークを選択するときに最も重いチェーンにいくつかの変更を加えました。まず、ビュー内で最も高い決定論的なチェックポイントを見つけ、チェックポイントの後のブロック上で最も重いチェーンを選択します。ポイント。

これには 2 つの利点があり、1 つ目は、FFG 内のブロックがファイナリティチェックポイントより前にある限り、それらは確認され、覆される可能性がないことです。 2 番目のポイントは、確認されたブロックのセキュリティには、マイナーがそのブロックにワークロードを継続的に提供する必要があるため、マイナーのモチベーションを高めるためには、より多くのマイニング報酬が必要であるということです。FFG では、それが最終ブロックである限り、すべてが確認されています、後続のマイナーが確認されたブロックのセキュリティを高めるためにワークロードを使用する必要がないため、マイニング報酬を減らし、インフレ率を下げることができます。

(4) 報酬と罰のメカニズムを通じてノードの動作を制御する

POS 検証ノードは、ブロックを生成する役割に加えて、ブロックを検証する役割も担っており、割り当てられたタスクを完了するために常にオンラインである必要があります。

バリデーターの投票の重みは、ステークされたトークンのサイズによって異なります。バリデーターがブロックのパックに成功するたびに、保有するトークンに比例したイーサリアム 2.0 システム報酬を受け取ります。バリデーターの大多数が構築したブロックを拒否した場合、バリデーターはステークされたトークンを失うリスクがあります。同時に、バリデーターがブロックへの投票責任を果たせなかった場合、約束したイーサリアムはカットされ、バリデーターノードの残高が検証しきい値を下回ると、バリデーターノードプールから追い出され、検証作業に参加し続けることはできません。したがって、CASPER はバリデーターに、報酬と罰のシステムを通じて誠実に行動し、コンセンサスルールに従うことを強制します。

2.3.2 ビーコンチェーン

シャード間通信は、ビーコンチェーンの助けを借りて完了する必要があります。これは、シャードには他のシャードに関する直接的な情報がなく、ビーコンチェーンにクロスリンクすることによってのみ他のシャードに関する情報を取得できるためです。イーサリアム 2.0 では、各シャードにはブロックを検証する検証委員会があり、委員会のメンバーは、シャードに関する検証可能な情報 (例: マークルルート) をクロスリンクしているビーコンチェーンに書き込む必要があります。ビーコンチェーンブロックがファイナライズされると、対応するシャードブロックはファイナライズされたとみなされ、残りのシャードはシャード間トランザクションでそのブロックを信頼できると確信できます。バリデーター委員会のメンバーがクロスリンクの有効性について合意に達できない場合、誤ったバリデーターは削除されます。

(1) シャード検証者のランダム性を保証する

ブロックチェーンシステムで適切なランダム性を生成することは困難であり、プルーフオブステークプロトコルの重要な要件はランダム性の源であり、分散され、検証可能で、予測不可能で、譲渡不可能である必要があります。攻撃者がシャードを完全に制御するには 1/N のハッシュパワーしか必要としないため、フラグメントは悪意のあるマイナーによってより簡単に制御されます。したがって、シャーディングシステムでは、特定のシャードが個別に攻撃されるのを防ぐために適切なランダム性が必要であり、ビーコンチェーンはこのランダム性をシステムの残りの部分に提供する役割を果たします。イーサリアムシャーディングでは、現在の乱数生成は RANDAO 構造を介してビーコンチェーンによって行われます。

検証者は「ハッシュオニオン」を提供します。 RANDAO 構造は、多くの参加者によって提供された単一のランダム配列を単一の出力数値に合成する方法です。 1 人の攻撃者がランダム性を大幅に操作することを防ぐために、開発者はコミットと公開スキームを使用しました。バリデーターが登録すると、選択した元の数値の複数のハッシュの結果であるコミットメント値が提供されます。ブロックプロデューサーが委員会で選択されるたびに、最後の公開番号のプリイメージを提供することによって、「玉ねぎ」の層を1つ以上剥がします。これが正しく行われたことを他の誰もが確認できるため、提案者は単一の nonce を変更してシステムをだますことはできません。したがって、ブロック生成者は、上記のプロトコル内のランダム性に基づいてブロック提案者をランダムに選択します。

casper プロトコル機能では、ビーコンチェーンの各フラグメントが検証委員会を選択し、ブロック検証者を選択するなど、すべて RANDAO 構造によってもたらされるランダム性に依存します。

(2) クロスリンクにより各シャードのアンカーポイントとなり、シャードを越えた通信を実現

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(写真はイーサリアム 2.0 が登場します。Casper をまだ知りませんか?)

イーサリアム 2.0 の新しい提案では、シャードの数が 1024 から 64 に削減され、計算の複雑さが軽減され、クロスリンクのコンセンサスサイクルが 1 エポックから 1 スロットに短縮され、クロスリンクの遅延時間が短縮されました。シャードトランザクション。

双方向通信では、シャード B 上のコントラクトが応答メッセージを送信する必要がないという最良のケースにある場合、以下の図 1 ～ 4 のプロセスに示すように、完了するまでに 4 つのコンセンサスサイクルもかかります。ユーザーは、シャード A がシャード B の検証可能な情報とその証拠を受信する前に、シャード B が検証可能な情報に関する合意を完了したことがわかるため、3 つの期間の終了後にのみ通信プロセスが完了したことを確認できます。 ETH 2.0 のコンセンサス期間は 12 秒であるため、シャード A のユーザーは結果を確認するまで 12 *3 = 36 秒待つ必要があり、シャード A で結果をクエリしたい場合は 12 * 4 = 48 秒待つ必要があります。。

2.3.3 ブリッジング

このブリッジは、イーサリアム 1.0 上の ETH をイーサリアム 2.0 に移行することです。

一方向ブリッジスキームの既存のイーサリアム 1.0 ETH 保有者は、同額の ETH 2.0 ETH と引き換えに保有資産を燃やすことができます。ETH 2.0 ETH は生成され、ビーコンチェーンデポジットコントラクトにロックされますが、返却することはできません。このブリッジ方法はバリデーターの流動性の問題を引き起こし、さらに重要なことに、イーサリアム 1.0 とイーサリアム 2.0 の間で代替性の問題を引き起こす可能性があります。双方向ブリッジが発生する前に、取引所は両方のコインを持つ可能性があります。双方向ブリッジではこの問題は発生しませんが、双方向ブリッジは密接に結合されたコンセンサスメカニズムです。両方のチェーンでの攻撃や問題は、もう一方のチェーンに影響を及ぼします。合意の作成は非常に面倒になるはずです。

以下は、EthHub にリストされている一方向ブリッジと双方向ブリッジの注目すべき長所と短所です。一方向ブリッジの利点は主に技術的なものであり、欠点は主に経済的なものであることに注意してください。言い換えれば、一方通行の橋と双方向の橋のどちらを選択するかは、基本的に技術的課題と経済的課題の間のトレードオフになります。

現在、双方向ブリッジのルートとしては、イーサリアム 1.0 の上にイーサリアム 2.0 のライトノードを構築するルートと、イーサリアム 1.0 の上にイーサリアム 2.0 のフルノードを運用するルートの 2 つが考えられます。

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