イーサリアムの未来の道筋:The Surgeの解説

2022年10月以降、イーサリアムの共同創設者ヴィタリック・ブテリンは、イーサリアムプロトコルの未来の可能性についての一連の記事を発表しました。これらの記事は、イーサリアムの発展ロードマップの6つの重要な段階をカバーしています：合併、エスカレーション、クリーンアップ、検証、浄化、そして飛躍です。本稿では、ロードマップの第二部 - The Surge（エスカレーション）に焦点を当て、イーサリアムがどのようにスケーラビリティを向上させ、長期的な発展を実現するかを深く探ります。

イーサリアムのコアビジョン

イーサリアムの根本的な目標は、分散型インターネットのインフラストラクチャーになることです。スマートコントラクトの自動実行を通じて、イーサリアムは複雑な分散型アプリケーションをサポートしており、この柔軟性により、開発者がDeFi、NFTなどの分散型アプリを構築するための優先プラットフォームとなっています。

しかし、イーサリアムはスケーラビリティにおいて限界があります。現在、イーサリアムは1秒あたり15〜30件の取引しか処理できず、従来の決済ネットワークと比べて大きな差があります。これにより、ネットワークが混雑するとGas費用が高騰し、イーサリアムがグローバルインフラとしての潜在能力を制限しています。The Surgeはこの問題を解決するために設計されました。

The Surgeの主な目標は次のとおりです：

• イーサリアムL1+L2の取引処理能力を毎秒10万件以上に達成する
• L1の分散化と安定性を維持する
• L2がイーサリアムのコア特性（信頼不要、オープン、検閲耐性）を少なくとも部分的に完全に継承することを確認する
• L2間の相互運用性を最大化し、イーサリアムエコシステムをより統一されたものにする

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エーテルを中心とした未来

Surge計画は、L2ソリューションを通じてイーサリアムのスケーラビリティを大幅に向上させ、その中でロールアップが核心的な構成要素となります。この戦略は役割の明確化を図っており、イーサリアムL1は強力で非中央集権的な基盤層としての役割に集中し、L2はエコシステムの拡張を支援する任務を担っています。

Rollupはチェーン外でトランザクションをパッケージ化し、その結果をイーサリアムのメインネットに提出します。安全性と非中央集権を維持しながら、スループットを大幅に向上させます。ブトリンは、rollupによってイーサリアムの処理能力が毎秒10万件以上に向上する可能性があり、これは非中央集権の精神を損なうことなく、イーサリアムがグローバル規模のアプリケーションを処理できるようにする画期的な拡張になると考えています。

ブトリンは、ロールアップが一時的な解決策ではなく、長期的な拡張戦略であることを強調しました。イーサリアムがThe Mergeを通じてPoWからPoSに移行し、エネルギー消費を削減した後、ロールアップは長期的な拡張ソリューションとして次の重要なマイルストーンと見なされています。

今年、rollupを中心としたロードマップは重要な進展を遂げました：EIP-4844のblobの導入により、イーサリアムL1のデータ帯域幅が大幅に増加し、複数のイーサリアム仮想マシンに基づくrollupが初期段階に入っています。各L2は独自のルールとロジックを持つシャーディングとして存在し、シャーディングの実現方法の多様化が現実のものとなりました。

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データ可用性サンプリング (DAS) のさらなる発展

The Surgeのもう一つの重要な側面はデータ可用性サンプリング (DAS) であり、これはデータの可用性の問題を解決することを目的とした技術です。イーサリアムのような分散型ネットワークでは、すべてのノードがデータを検証できることが重要であり、すべての内容を保存したりダウンロードしたりする必要はありません。

DASは、ノードが完全なデータセットにアクセスせずにデータを検証できるようにし、スケーラビリティと効率を向上させます。

ブトリンは、2つの形式のDASについて重点的に議論しました：PeerDASと2D DAS。

PeerDASは、ロールアップの信頼仮定を強化し、その安全性を向上させることが期待されています。2D DASは、blob内でのランダムサンプリングだけでなく、blob間でのランダムサンプリングも行います。KZGコミットメントの線形特性を利用して、一つのブロック内のblobセットを新しい仮想blobのセットを通じて拡張します。これらの仮想blobは、同じ冗長情報をエンコードしています。

DASを利用することで、イーサリアムはより多くのデータを処理し、より速く、より経済的なロールアップを実現し、分散化の程度には影響を与えません。

未来は、2D DASの理想的なバージョンを特定し、その安全性の特性を証明するためにさらなる研究が必要です。

ブトリンは、長期的に実行可能な道には以下が含まれると考えています：

1. 理想的な 2D DAS を実装します。
2. 1D DASを使用し続け、サンプリング帯域幅の効率を犠牲にし、シンプルさと堅牢性のためにデータの上限を低く受け入れる。
3. DAを放棄し、Plasmaを主要なLayer2アーキテクチャとして完全に採用する。

注目すべきは、L1層での直接拡張を決定した場合でも、これらの選択肢が依然として存在するということです。なぜなら、L1が大量のトランザクションを処理しなければならない場合、L1ブロックは非常に大きくなり、クライアントはその正確性を検証するための効率的な方法を必要とするため、L1層でrollup（ZK-EVMやDASなど）と同じ技術を使用せざるを得なくなるからです。

プラズマと他のソリューション

Rollupの他に、初期に提案されたオフチェーン拡張ソリューションPlasmaも別のL2ソリューションです。

プラズマはサブチェーンを作成し、主イーサリアムチェーンから独立してトランザクションを処理し、定期的にメインネットに要約を提出します。各ブロックに対して、オペレーターはユーザーにアセットの状態変化を証明するマークルブランチを送信します。ユーザーはマークルブランチを提供することでアセットを引き出すことができ、そのブランチは最新の状態をルートとする必要はありません。

したがって、データの可用性に問題が発生しても、ユーザーは利用可能な最新の状態を抽出することで資産を回復できます。無効なブランチ（移転された資産の抽出や無から資産の創造など）を提出した場合、オンチェーンのチャレンジメカニズムによって資産の帰属が判断されます。

Plasmaはある程度rollupに遅れをとっていますが、ブトリンはそれをイーサリアムのスケーラビリティツールキットの重要な要素と見なしています。

さらに、ブトリンはデータ圧縮技術と暗号証明の改善についても議論し、rollupや他のL2ソリューションの効率をさらに向上させることを目指しています。考え方は、イーサリアムノードがすべての必要な情報を検証できることを確保しつつ、データを最大限に圧縮することです。これらの技術的改善は、イーサリアムがより高いスループットを実現する過程で重要な役割を果たす可能性があります。

初期のPlasmaバージョンは支払いユースケースのみを処理でき、さらなる展開が困難でした。しかし、各ルートをSNARKで検証することを要求すれば、Plasmaはさらに強力になります。これにより、プロセスが簡素化され、大部分のオペレーターによる不正の可能性が排除されるだけでなく、ユーザーはオペレーターが不正を行わない場合に資金を即座に引き出す新しい手段を提供され、1週間のチャレンジ期間を待つ必要がなくなります。

Plasmaの性能は非常に優れており、これは人々がそのセキュリティの欠陥を克服するために巧妙な構造を設計することに尽力している主な理由でもあります。

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Cross-L2 相互運用性の改善

現在のL2エコシステムが直面している主な課題は、L2間の相互運用性が弱いことであり、L2エコシステムを使用する体験を統一されたイーサリアムエコシステムのようにする方法は、改善が急務の問題です。

L2間の相互運用性の改善は、複数の側面に関与しています。理論的には、Rollupを中心としたエーテルと実行シャーディングL1は類似しています。現在、イーサリアムL2エコシステムは実際には理想的な状態から以下の問題があります：

特定チェーンのアドレス： アドレスにはチェーン情報（L1、Optimism、Arbitrumなど）が含まれている必要があります。実装後は、アドレスを送信フィールドに単純に入れることでL2間の送信を完了でき、ウォレットはバックグラウンドで送信プロセス（クロスチェーンプロトコルの使用を含む）を自動的に処理します。

特定チェーンの支払いリクエスト： "チェーンZ上で私にX個のYタイプのトークンを送信してください"というメッセージを簡単に標準化して作成できるべきです。主に個人間の支払い、商人の支払い、dAppの資金リクエストに使用されます。

クロスチェーン交換とガス支払い： クロスチェーン操作を表現するための標準化されたオープンプロトコルが必要です。ERC-7683とRIP-7755はこの点で試みを行いましたが、それらの適用範囲は広いです。

ライトクライアント： ユーザーは、実際にインタラクションしているチェーンを検証できるべきであり、RPCプロバイダーを単に信頼するべきではありません。たとえば、a16z cryptoのHeliosはこれを実現できます（イーサリアム自体に対して）。しかし、この非信頼化はL2にまで拡張する必要があります。ERC-3668（CCIP-read）は、この目標を達成するための一つの戦略です。

共有トークンブリッジの理念： すべてのL2が有効性証明ロールアップであり、各スロットがイーサリアムに提出される場合、ネイティブ状態でL2の資産を別のL2に移転するには、引き出しと入金が必要であり、これにより大量のL1ガス料金が発生します。

解決策の一つは： 各トークンの所有者であるL2とそれぞれの残高を維持することだけを目的とした、共有のミニマルなロールアップを作成し、任意のL2から開始される一連のクロスL2送信操作を通じてこれらの残高を一括更新できるようにすることです。これにより、クロスL2送金のたびにL1のガス代を支払う必要がなく、ERC-7683のような流動性プロバイダーに基づく技術を使用する必要もなくなります。

同期的な組み合わせ性： 特定のL2とL1の間、または複数のL2の間で同期呼び出しを行うことを許可し、DeFiプロトコルの財務効率を向上させるのに役立ちます。前者はクロスL2の調整なしで実現でき、後者は共有ソートが必要です。rollupに基づく技術は、すべてのこれらの技術に自動的に適用されます。

これらの例は、標準化のタイミングと階層のジレンマに直面しています。早すぎる標準化は劣ったソリューションを根付かせる可能性があり、遅すぎると不必要な断片化を引き起こす可能性があります。

現在の合意は：ある場合においては、属性が弱いが実施が容易な短期的なソリューションがあり、また「最終的に正しい」だが数年を要する長期的なソリューションもある。これらの課題は単なる技術的な問題ではなく、（さらには主に）社会的な問題であり、L2、ウォレット、L1の協力が必要である。

イーサリアムL1の拡張を続ける

ブテリンは、イーサリアムL1自体を拡張し、ますます多くのユースケースを収容できるようにすることが非常に価値があると考えています。

L1拡張には、単独または並行して実行できる3つの戦略があります：

1. 技術の改善（クライアントコード、ステートレスクライアント、履歴の期限切れなど）により、L1の検証を容易にし、その後、ガス制限を引き上げます；
2. 最悪のリスクを増加させることなく、特定の操作コストを削減して平均容量を増加させる；
3. ネイティブロールアップ（すなわちEVMのN個の並行コピーを作成すること）。

これらの技術にはそれぞれトレードオフがあります。例えば、ネイティブロールアップは、コンポーザビリティに関して通常のロールアップと同じ弱点を持っています：単一のトランザクションを複数のロールアップにわたって同期して実行することができません。Gasの上限を引き上げることは、L1の検証を簡素化することによって得られる他の利点、例えば、検証ノードを運営するユーザーの割合やソロステーキングの数を増やすことを弱める可能性があります。実装方法によっては、EVMの特定の操作を安くすることが、EVM全体の複雑性を増す可能性があります。

非中央集権とセキュリティ

スケーラビリティと分散化のバランスは、ブテリンが繰り返し強調しているテーマです。多くのブロックチェーンプロジェクトは、より高いスループットを得るために分散化を犠牲にすることを選択しています。例えば、あるブロックチェーンは毎秒数千件のトランザクションを処理できますが、ノードを運営するためには強力なハードウェアが必要であり、ネットワークの中央集権化を招いています。ブテリンは、イーサリアムが常に拡張していく中でも、分散化へのコミットメントを維持しなければならないと主張しています。

RollupとDASは、イーサリアムの容量を増加させながらその去中心化の特性を維持する方法と見なされています。一部の高性能ブロックチェーンとは異なり、イーサリアムの拡張戦略は誰もがノードを運営できることを保証し、本当に去中心化された方法でネットワークを保護します。これは、イーサリアムがグローバルな許可不要の金融システムをサポートするというビジョンにとって重要です。

スケーラビリティが高くなるほど、セキュリティに関する責任も大きくなります。イーサリアムがロールアップ中心の未来に向かう中で、これらのシステムの信頼不要性を確保することが非常に重要になっています。ロールアップは、暗号証明を利用して、チェーン外取引がイーサリアムに提出される際の合法性を保証します。これらのシステムは有効であることが証明されていますが、リスクがないわけではありません。ブテリンは、これらの技術の成熟には厳密なテストと反復が必要であることを認めており、特にそれらがより広く採用される際には重要です。

The Surgeの見通し

The Surgeの後、ブテリンはイーサリアムが拡張可能であるだけでなく、完全な分散化、安全性、持続可能性を維持することを想定しました。このビジョンは、rollupやDASを通じて第1層を拡張することだけでなく、より効率的なコンセンサスアルゴリズムの構築、開発ツールの改善、そして活気あるdAppエコシステムの育成を含んでいます。

イーサリアムのロードマップは楽観的で満ちているが、多くの課題にも直面している。大規模なrollupの実装、L2ソリューションの安全性の確保、量子未来への準備がすべてである。