イーサリアムのガス料金が DeFi の発展を妨げるのはなぜですか?何をするか？
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チェーンニュース ChainNews (ID:chainnewscom)
、執筆者: Remco Bloemen、0x 技術専門家、編集者: Leo Young、許可を得て掲載。
最近 DeFi 製品を使用したことがある場合は、取引手数料の高さに確実に落胆するでしょう。現在、イーサリアム取引には数十ドルから数百ドルの取引手数料を支払うのが通常です。現在のレートでは、「クジラ」だけが利益を上げて取引されます。 「銀行口座を持たない人を銀行にする」または「すべての人のための許可不要の金融インフラを構築する」という崇高な目標は忘れてください。イーサリアムは富裕層の遊び場になっています。
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少額の取引手数料は場合によっては 10% に達する場合があります
私たちは、すべての価値が自由に流れるトークン化された世界を作りたいと考えていますが、ブロックチェーンの制限がこの使命の達成を妨げています。そのため、0x Labs はこれらの制限に対処するために専任のエンジニア チームを編成しました。私たちは調査を通じて、この記事を通じてイーサリアムの限界と、それがDeFiユーザーにどのような影響を与えるかを探っていきたいと考えています。さらに、この記事では次世代のブロックチェーンについて簡単に説明します。将来的には、さまざまなソリューションのレイヤー 2 を調査し、DeFi のニーズを満たすための戦略を実証する記事も執筆する予定です。
まず、イーサリアムのトランザクションのサイズはガスで計算されます。トランザクションは、約 13 秒ごとにブロック単位で収集されます。各ブロックが収容できるトランザクションの数には制限があり、これが「ガスの上限」です。現在、各ブロックには約 1,200 万のガス取引スペースがあります。純粋な ERC-20 トークンの転送には約 50,000 ガスが必要です。つまり、各ブロックは最大 240 個のトークン転送、つまり 1 秒あたり約 18 回のトークン転送に対応できます。 DeFi 転送には通常、複数のトークン転送と簿記が含まれ、トランザクションコストが 2 倍になり、ブロックのスループットが制限されます。 「ガスキャップ」とブロックタイムは、トランザクションに必要なガスを継続的に提供する必要があることを意味します。
まず、イーサリアムのガス供給とその使用量が歴史的にどのように成長してきたかを見てみましょう。
ガスの使用
イーサリアムでは毎日約 6,000 ブロックが掘り出されており、数十億相当のガス取引スペースが存在します。主に「ガス制限」の増加により、ガス取引の数も時間の経過とともに変化し、増加します。同時に、イーサリアムでのトランザクション数が増加し、大規模になるにつれて、トランザクションで消費されるガス料金の合計も増加します。
以下の図に示すように、イーサリアムの歴史全体のガス供給 (灰色) と消費 (黒色) を振り返ると、次のようになります。
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上の図からわかるように、イーサリアムはオフィスアワーの適用が最も高いため、エンタープライズレベルのアプリケーションです。
「氷河期」になると、ブロックの生成時間が大幅に増加し、1日に生成されるブロックの数が減少し、ガスの供給量も減少しました。もちろん、この状況は非常に不評であり、ネットワークのハードフォークの調整を余儀なくされます。この目的は、ハードフォークを強制的にアップグレードと改善をもたらし、イノベーションの停滞を防ぐことです。イスタンブール（イスタンブール）のハードフォークでは「難易度爆弾」がリセットされなかったため、ミュア氷河のハードフォークはすぐに実行されました。今後のベルリン (ベルリン) ハードフォークでは、このメカニズムの変更が検討されています (EIP 2515)。
使用量（黒色）を見ると、2017年のイーサリアムのICOブーム以来、ガス使用量が常に60％以上を占めています。その後、数回にわたって「ガス上限」が4倍に引き上げられ、上限が引き上げられるたびにガス使用量も比例して増加した。イーサリアムの使用率は過去数か月間95％で止まっている。
イーサリアムのガス使用量が 95% を超えない理由を理解するには、「空のブロック」と「オマー ブロック」の概念を理解する必要があります。
副題
「からっぽブロック」と「ブロックおじさん」
イーサリアムの歴史の中で、需要が高くてもガス使用量が上限の95%を超えたことはありません。驚くべきことに、残りの 5% は完全に空のブロックに無駄にされます。これらの空のブロックは、約 20 ブロックに 1 つずつ、定期的に表示されます。ブロックにパッケージ化するには支払いが必要なトランザクションがありますが、なぜ空のブロックをマイニングしたいと思うのでしょうか?まず次のデータを見てください。
空のブロック率は時間の経過とともに着実に増加し、現在は 5% です。すべてのマイニング プールの空ブロック率は同じであるため、悪意のあるマイナーが空ブロックをマイニングすることはありません。むしろ、本当の理由は、ブロックの生成が早すぎることである可能性があります。ブロックマイニング時間が 6 秒未満の場合、空のブロックを取得する確率は幾何級数的に増加します。
説明の 1 つは、マイナーが新しいブロック ヘッダーを取得するとすぐに、ブロック全体がパッケージ化される前に次のブロックの掘削を開始するということです。この操作はビットコインでは SPV マイニングと呼ばれ、マイナーはブロック検証を完了せずにすぐに次のブロックの検索を開始できますが、追加できるのは空のブロックのみです。新しいブロックが完全にパッケージ化された後、次の完全なブロックを追加してマイニングに切り替えることができます。
この説明のさらなる証拠は、同じマイナーが 2 つのブロックを立て続けにマイニングすると、空のブロック率が 25% 減少するということです。
空のブロックをマイニングするもう 1 つの方法は、前のブロックのマイニングと同時に新しいブロックを処理することです。これにより、複数のブロックが同時にマイニングされることになります。そのような状況が発生した場合、イーサリアムはメインブロックを選択し、他のブロックを「アンクルブロック」（オマー）としてマークします。 「アンクルブロック」を掘るマイナーは、引き続き少額の報酬を得ることができます。この発生率は安定しています。
2018 年のガス使用量のピーク時には、「アンクル ブロック」率も新たな最高値に達しましたが、その後、その割合は採掘されたすべてのブロックの 5% に低下しました。これは、マイナーが現時点でマイニング戦略を変更する可能性があるという事実と一致しており、その結果、空のブロック率が増加します。
空のブロック率がイーサリアムのスケーラビリティに及ぼす悪影響はすぐには明らかではありませんが、影響はあります。 Byzantium によってアップグレードされた EIP-100 提案以来、難易度調整によりメイン チェーン ブロックと「アンクル ブロック」の一定の比率が維持されています。したがって、「アンクルブロック」の割合が高いということは、より多くの「アンクルブロック」が無駄になり、メインチェーンに追加されるブロックが少なくなることを意味します。これは、1 日のブロック生成時間の延長と 1 日の総ガス量の削減に反映されています。 (ブロックタイム延長のもう一つの理由は「難易度ボム」です)
空ブロック率と「ブロックおじさん」率を減らす方法があります。推定される根本原因は、ネットワークと処理の遅延により、プールに利用可能な最新のステータスがないことです。シンプルだが不十分な解決策は、マイニング プールをより集中化して最新の状態をひとまとめにすることです。
より分散化されたソリューションは、bloXroute のようにマイニング プール間に専用の接続を作成することです。 「スパイマイニング」からインスピレーションを得たマイニングプールは、現在マイニングされているブロックを事前に共有できます。他のマイニング プールは、マイニングできる後続のブロックを準備します。マイニングプールが自身のブロックの掘削に成功すると、今後どのブロックをマイニングできるかがすでにわかっており、すぐに切り替えます。スタック上では、ノードの通信プロトコルや処理アルゴリズムの改善も有効であり、これらの領域にはまだ改善の余地があります。最終的に、空のブロック率と「アンクルブロック」率を減らすことで、1 日のガス供給量を最大 5% 増加させることができます。
つまり、ガソリンの上限は 95% であるようですが、95% を超えて使用したい場合はどうすればよいでしょうか?
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ガソリン価格
イーサリアムのガス制限に達するとどうなりますか?マイナーはトランザクションをパッケージ化するかどうかを自由に選択できますが（詳細は後述）、実際には、これが最も収益性が高いため、マイナーは「高いガス料金優先の原則」に従ってトランザクションをパッケージ化します。これにより、利用可能なガスのファーストプライス オークションが作成されます。
ガス価格は「完全な非弾力的供給」の教科書的なモデルとなった。ネットワーク使用率が 80% を超え、95% に上昇すると、ガス価格が大幅に上昇します。潜在的な需要の増加は、価格が需要を追い払い、同じレベルに戻るまで、価格を上昇させるだけです。
価格を下げる唯一の方法は、ガスの供給を増やすか、需要を減らすことですが、最近のガスの上限引き上げは、ガス価格を効果的に下げるのに十分ではありません。
一見すると、イーサリアムへの関心の高まりは、使用量ではなく価格を上昇させるだけです。実際、高価値の使用は低価値の使用を駆逐し、安価なゲーム非同種トークン（NFT）の取引が減り、大規模なDeFi取引が増加します。
提案 EIP-1559 によると、長期的には依然としてガス発行率が固定されており、これは需要が十分に小さくなるまでガス価格が上昇し続けることを意味します。 EIP-1559 は依然として、プレミアムを支払う同じブロック内での優先パッキングを推奨しています (プールが元の順序でブロックをマイニングし続けると仮定します)。これは、フロントランニング取引、ガス入札、マイナー利益が依然として存在していることを意味します。
図内の数字は、次のブロックに梱包できる最低価格を表します。待てば待つほどガソリン価格は安くなります。過去のデータによると、2 分以上待っていただければ、料金は安くなります。 EIP-1559 は、トランザクション処理を高速化するために保険料を削減するのに役立ちます。
では、ガソリンの上限はガソリン価格を押し上げるので、どうやって上限を上げるのでしょうか?
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ガス制限
マイニング プールによってガス制限が決まります。ここでは、マイナーとプールがどのように機能するかの簡単な概要を示します。ほぼすべてのマイナーはコンピューティング リソースをプールします。鉱山労働者は、長期間収穫が得られない危険を冒して単独で次のブロックに行くのではなく、安定した収入を得るために資源を集めます。マイニング プールは、各マイナーが貢献したコンピューティング パワーを検証し、次のブロックの掘削を継続することで、マイニング プールの開発を促進します。大規模なマイニング プールでは、最終的により多くのブロックをマイニングすることになります。
イーサリアム上のマイニングプールシェアの開発を見てみましょう:
Xinghuo、Ethermine、Yuchi がメインブロックを獲得しました。
マイナーの実際の操作に関する詳細な情報が不足しているため、ここでは簡単な方法である投票システムを使用します。 […] 将来的には、より正確なアルゴリズムにソフトフォークできることを願っています。
**イーサリアムの設計原則 (2015 年 3 月に初めて追加)**
イーサリアムの初期のマイナーがガスの上限を設定する方法は「充填ソリューション」でした。多くの「充填ソリューション」はバックアップ パラメーターとして十分に優れています。 EIP 1559 は別のメカニズムを提案しており、ベルリンフォークの場合に使用するために現在議論されています。それ以前は、OPEC が石油生産を管理しているのと同じように、マイニングプール運営者はガス供給を管理することができました。
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最近、2 つのマイニングプールが全会一致でガス生産量を 25% 増加することを決定しましたが、これはかなり物議を醸しています。目的は、ガス供給量を増やすことで高額な取引手数料の圧力を軽減することです。これまでに見てきたことは、トランザクション需要がガスキャップを上回るペースで増加しているということです。これにより一時的に価格が減速し、最終的には価格が上昇します。
ガス制限を増やすと、イーサリアムのセキュリティに大きな隠れた危険がもたらされます。前述の通り、ガスキャップにより「おじさんブロック」率と空ブロック率が上昇します。通常のトランザクション負荷では、この増加はわずかです。しかし、セキュリティに関しては、通常の動作は気にせず、悪い状況での悪い動作だけを気にします。 Perez と Livshits (2019) はこの悪い状況を研究し、その結果、同じガスコストの下では、悪い時のトランザクションは通常のトランザクションより 100 倍遅いことがわかりました。ブロックがトランザクションで満たされるまでに 90 秒かかります。これにより、ノードの同期に遅れが生じ、マイニング プールは「アンクル ブロック」と空のブロックを掘り出します。この原稿の公開時点では、この問題は軽減されていますが、回避するには十分ではありません。これにより、2人の主要なノード開発者、Péter SzilágyiとAlexey Akhunovがガス制限を引き上げる決定を批判するようになりました。
したがって、ガスキャップはガス価格を押し上げます。ガス制限を増やすだけではいけないようです。どうすればいいですか？おそらくトランザクションのガスコストが安くなるでしょうか？
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ガス代
トランザクションのガスコストは主に EVM の運用コストで構成されます。トランザクションは多くの EVM 操作で構成され、各操作のコストは EIP とハード フォークによって決まります。過去数回のハード フォークで、一部の操作のガス コストは増加し (EIP 150、160、1884)、一部は減少しました (EIP 1108、2028、2200)。計画されているベルリンのハードフォークでは、特定のオペレーションのガスコストの変更も検討されています。
すべての変更の目的は、料金が実際の運用コストをより正確に反映するようにすることです。これは、コンピューターとアルゴリズムが高速化するにつれて、実行にかかるコンピューティング コストが減少することを意味します。
これは、DeFiアプリケーションにとってストレージが依然として「大きなコスト」であることを意味します。新しいバランスの作成には 20,000 ガスがかかり、既存のバランスの変更には 5,000 ガスがかかります。送金には少なくとも2回、送金には少なくとも4回の残高変更が必要であり、DeFi取引に必要なステータス手数料はより高くなります。必要なストレージの量を減らす簡単な方法はないようで、ストレージの料金は需要が増えるにつれて上昇します。明るい面としては、レイヤー 2 スケーリング ソリューションは軽量ストレージとハイコンピューティングである傾向があり、それにより多くの利点があるようです。
最後に、ガソリンの上限が増加すると、同様のセキュリティ上の懸念が生じます。つまり、悪いことは重要です。ガスコストを現在の運用の平均コストに合わせて局所的に最適化することは危険です。
これにより、イーサリアムのスケーラビリティ問題がなぜそれほど厄介なのかが明らかになります。解決策を説明する前に、現在 DeFi ユーザーを苦しめているイーサリアムの別の制限について言及する必要があります。
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利益を目的とするマイナー
ブロックパッカーはコンセンサスルールに従います。コンセンサス ルールは、トランザクションの選択や注文などの重要な自由を保証します。通常のトークン転送の場合、これは大きな問題ではありません。しかし、取引所などのDeFi取引の場合、フロントランニング取引は高い経済価値を持ちます。対象となる取引の両側が攻撃されると、より複雑な利益獲得行動が出現します。 Daian et al. (2019) はこれを「マイナー抽出可能値」と呼んでいます。
また、価格オラクルの更新後に最初にポジションを清算するなど、次の取引に価値がある場合もあります。これは「バックランニング」と呼ばれ、結果としてマイナーにも利益をもたらします。
大きな価格差、価格の乖離、高額な手数料、そして取引の失敗の増加は、最終的にはDeFiユーザーやプロフィットマイナーに損害を与えることになります。より良い DeFi エクスペリエンスを実現するには、この問題を解決する必要があります。この問題を解決するには、ブロック内のガス価格が最も安い取引を優先するなど、取引の発注の自由を制限する必要がある。
イーサリアムの限界とそれが DeFi にどのような影響を与えるかは、現在完全に理解されています。スケーラビリティに取り組んでいるすべてのスターチームは、最終的にはこの問題を解決するでしょう?
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最下層を強化し、第2層に注力
さまざまなスケーラビリティ ソリューションに取り組んでいる優れたチームが数多くあります。ソリューションには、レイヤー 1 とレイヤー 2 の 2 つがあります。レイヤ 1 ソリューションの目標は、よりスケーラブルなイーサリアムを構築することであり、レイヤ 2 ソリューションは、イーサリアムに基づいてよりスケーラブルなインフラストラクチャを構築することです。
最も明らかな問題から始めましょう。既存のイーサリアムのパフォーマンスを向上させることです。これが Eth1x の目的です。 Ethereum クライアントのパフォーマンスを向上させるためにできる改善はまだたくさんあります。残念ながら、Eth1x にはそれに値するサポートがほとんどなく、すべての進歩が非常に遅いです。
Eth1x がどのようなパフォーマンスを達成できるかを理解するために、まず Solana を見てみましょう。 Solona のスループットはイーサリアムの 1,000 倍以上に達する可能性があり、まだ改善の余地があります。このアプローチの主な欠点は、フル ノードを実行するためのハードウェア要件が高いことです。
他のほとんどのソリューションには、次の 3 つの共通点があります。
WebAssembly を仮想マシンとして使用し、最小限のステートフル アーキテクチャ、そして最も重要なシャーディングを使用します。現在、イーサリアム上のすべてのトランザクションは順番に実行されます。トランザクションの順序付けがブロックチェーンの鍵であることは間違いありません。このモデルの欠点は、並列化が難しいため、より多くのリソースを投資してもスケーラビリティの問題を簡単に解決できないことです。これは、次世代ブロックチェーン Eth2.0 が解決するものです。
トランザクションの実行方法を変更することで、トランザクションを並行して処理できるようにします。このスキームは、ブロックチェーンを複数の緩やかに接続されたドメイン、または「シャード」と呼ばれるプロセスに分割することによって実現されます。シャード内のトランザクションは引き続き順序付けされますが、シャード間では非同期に行われます。これにより、すべてのシャードを並行して実行でき、シャードの数に応じてネットワークを拡張できます。
分離に使用されるドメインは必ずしもシャードと一致する必要はなく、同じシャードに複数のドメインを含めることができ、負荷分散を実現するためにドメインを移行することもできます。シャーディング テクノロジーを深く理解するには、Near Protocol の「Night Shadow」論文を参照してください。
次世代ブロックチェーンのメインチェーンがいつどこでドメインに分割されるかは状況によって異なります。第 2 世代のブロックチェーンは、粒度の細かい (小さなドメインが多数ある) から粒度が粗い (大きなドメインがほとんどない) までのスペクトルとして見ることができます。
2 つのプロジェクトが粒度スペクトルの両側を占めています。Dfinity は粒度の細かい端にあり、各エージェントが独自のドメインを持ち、各エージェントの対話は非同期です。 Near プロトコルは粒度が若干低く、各コントラクトには独自のドメインがあります。粒度の粗い端がポルカドットであり、その領域がシャード全体であるこの状態を、正確には「並列チェーン」と呼びます。 DApp開発者の観点からイーサリアム2.0を判断するのは時期尚早です。 Eth1EE (Eth2 上の Eth1 実行環境) は、シャーディングと一致する境界を持つ粗粒化され、現在のイーサリアムはシャードになります。詳細なソリューションの利点は透明性であり、コントラクト間の呼び出しは、シャード境界を越えるかどうかに関係なく同じように見えます。これにより、シャード間でコントラクトを移動して負荷のバランスを簡単に調整できるようになります。
欠点は、クロスドメイン トランザクションがアトミックではなくなり、並列化され、一部のトランザクションは取り消し不能になることです。 Dfinity と Near は、コントラクト間の呼び出しが非同期であり、戻りコントラクトが await を待機することを示しています。待機中に発生するすべてのトランザクションはチェーンに書き込まれます。そうすれば、他の人のトランザクションをその上に重ねることができます。現時点では、以前のトランザクションをすべて元に戻すことはできません。 await が最終的に確認された後、コントラクト呼び出しの成功または失敗コマンドを返すことができます。この状況を回避し、シャード全体である程度のアトミック性を実現するための提案が複数ありますが、これには欠点もあります。脱原子化を受け入れるのは当然の結果のように思えます。
DeFi にとって、非同期 transferFrom 呼び出しは大きな課題となります。二者間の単純な取引を想像してください。アリスとボブは ETH と DAI を取引したいと考えています。基本契約は次のようになります。
しかし、今度はエラーを処理する必要があります。最初のトランザクションが失敗した場合は、トランザクションを停止できます。 2 番目のトランザクションが失敗した場合は、1 ETH をアリスに返す必要があります。問題は、この時点でボブがその 1 ETH をすでに使ってしまっている可能性があることです。この問題を解決する 1 つの方法はホスティングです。
それだけです、誰も損しません。しかし現在、ボブはアリスの取引を選択する独占的な自由を持っています。アリスのトークンはエスクローに保管されており、他の取引は行われず、ボブとの取引が成功するという保証はありません。この問題を修正すると、違反者に罰則が科される可能性があります。ただし、DeFi取引は非常に高価であるため、どの程度の罰が適切であるかを判断するのは困難です。この問題を解決するには、市場のすべての関係者が最初に預金契約で資金を保管することが必要になる場合があります。そしてこれは集中化された状態になり、基本的にシャーディングは必要なくなります。
トランザクションはDeFi構築の基礎となる一連の処理手順です。為替トレーディングブックがどのような課題を引き起こすかを私たちはすでに知っています。自動マーケット メーカー取引はエスクロー リザーブがあるため比較的単純ですが、リザーブの残高がボトルネックとなり、並行処理が妨げられます。最速の従来の取引所であっても、決済は並列化されず（冗長性はありますが）、単一のマッチングエンジン注文で実行されます。従来の取引所がどのように機能するかを詳しく説明するには、Brian Nigito の講演が最適です。
参照する
Daniel Perez & Benjamin Livshits (2019). “Broken Metre: Attacking Resource Metering in EVM.”
Daian et al. (2019). “Flash Boys 2.0: Frontrunning, Transaction Reordering, and Consensus Instability in Decentralized Exchanges.”
Brian Nigito (2017). “How to Build an Exchange.”
Danny Ryan (2020). “The State of Eth2, June 2020.”
Scott Shapiro & William Villanueva (2020). “ETH 2 Phase 2 WIKI.”
Near Protocol sharding design
