イーサリアムプロトコルテクノロジーのアップグレードの見通しの分析（1）：マージ

書かれた：Ebunker

今年10月以来、イーサリアムの共同設立者であるVitalik Buterinは、イーサリアム開発ロードマップの6つの部分をカバーするイーサリアムプロトコルの将来の可能性に関する一連の記事を発表しています。散財。この記事では、ロードマップ（マージ）の最初の部分を解釈して、他の技術設計をPOSの証明とこれらの改善を達成する方法で改善できるものを調査します。

Vitalikは、「合併」は、Ethereum Protocolの開始以来の歴史上最も重要な出来事、つまりPow of Work of WorkのPOS証明への移行を指していると考えています。今日、イーサリアムはほぼ2年間安定したPOSシステムであり、この利害関係の証明は、安定性、パフォーマンス、集中化されたリスクの回避に関して非常にうまく機能しています。ただし、ステークの証明を改善するための重要な領域がまだいくつかあります。

Ethereumの2023年のロードマップは、それをいくつかの部分に分割します。安定性、パフォーマンス、小さなバリデーターへのアクセシビリティなどの技術的特徴の改善、および集中化されたリスクに対処するための経済的変化です。Vitalikによると、この記事は、利害関係の証明の改善の徹底的なリストではなく、積極的に考慮されているアイデアの多くです。

合併の主な目的は次のとおりです。

1。シングルタイムスロット決定論（SSF）：通常、イーサリアムブロックは最終決定に約15分かかります。ただし、Ethereumのコンセンサスメカニズムを改善することにより、ブロックの効率を検証することができます。これにより、最終決定に必要な時間が大幅に短縮されます。ブロックは、15分間待たずに、同じ時間スロット内で提案および最終化できます。

2。地方分権を維持しながら、最速の速度でトランザクションを確認および完了します

3.個々の誓約に対する誓約の実現可能性を改善する

4。堅牢性を向上させます

5。51％の攻撃から抵抗して回復するイーサリアムの能力を向上させる（最終的な反転、最終的なブロッキング、検閲を含む）

単一スロットの決定論と民主化の誓約

現在、ブロックを完成させるには2〜3エポック（約15分）が必要であり、ステーカーになるには32 ETHが必要です。これはもともと、3つの目標のバランスをとるための妥協でした。

• ステーキングに参加しているバリデーターの数を最大化します（ステーキングに必要なETHを最小限に抑えます）。

• 最終時間を最小限に抑えます。

• 実行中のノードのオーバーヘッドを最小化します。

これらの3つの目標は矛盾しています。経済的最終性を達成するため（つまり、攻撃者は最終的なブロックを復元するために大量のETHを破壊する必要があります）。最終化が最終化されるたびに、各バリデーターは2つのメッセージに署名する必要があります。したがって、多くのバリデーターがある場合、すべての署名または非常に強力なノードを処理してすべての署名を同時に処理するのに長い時間がかかります。

それはすべて、Ethereumの重要な目標の1つに依存しています。成功した攻撃でさえ攻撃者に高いコストをもたらすことができるようにすることです。これは「経済的最終性」という用語の意味です。

また、カウンター検例もあります。「経済的最終性」（アルゴランドなど）がないブロックチェーンは、この問題を解決し、スロットごとに委員会をランダムに選択することで解決します。しかし、このアプローチの問題は、攻撃者がバリデーターの51％を制御する場合、攻撃のコストは非常に低いことです。委員会の一部のノードのみが攻撃に参加して処罰されることです。これは、攻撃者がチェーンを繰り返し攻撃できることを意味します。

したがって、イーサリアムが経済的最終性を達成したい場合、委員会に基づく単純なアプローチは機能しませんが、バリデーターの完全なセットの参加が必要です。

理想的には、イーサリアムはその経済的最終性を保持しながら、現状を改善したいと考えています。

1. 15分ではなく、スロット内のブロックを終了します（理想的には、現在の12秒の長さを保持するか、さらに減らすこともできます）

2。検証者が1つのETH（32 ETHから1 ETHまで減少）で賭けることを許可します

最初のポイントは、すべてのイーサリアムユーザーが最終メカニズムを通じて達成されるより高いレベルのセキュリティ保証から利益を得ることができることを保証します。今日、ほとんどのユーザーは、15分間待ちたくないため、この種の保証を楽しむことができません。第二に、ユーザーとアプリケーションがチェーンロールバックの可能性を心配する必要がない場合、プロトコルと周囲のインフラストラクチャを簡素化します。

2番目のポイントは、個々の誓約者をサポートすることです。複数の世論調査によると、個別の誓約を防ぐ主な要因は、32 ETHの最小制限です。最小制限を1 ETHに削減すると、この問題が解決します。

挑戦があります。確実性が高くなり、より多くの民主化されたステーキング目標は、オーバーヘッドを最小限に抑えるという目標と対立しています。実際、この事実は、イーサリアムが最初にシングルスロットの決定論を採用しなかった理由です。しかし、最近の研究では、この問題に対するいくつかの可能な解決策を提案しています。

それがどのように機能するか：

シングルスロット決定論には、スロット内のブロックを最終化するコンセンサスアルゴリズムの使用が含まれます。これはそれ自体が難しい目標ではなく、多くのアルゴリズム（テンデルミントコンセンサスなど）がこれを達成しました。

Ethereumに固有の理想的なプロパティは（つまり、非活動漏れ）です。このプロパティにより、ブロックチェーンは実行を続け、最終的には検証装置の1/3以上がオフラインであっても、最終的に回復できます。

シングルタイムスロット決定論的提案

非常に高いノードオペレーターのオーバーヘッドを引き起こすことなく、非常に高いバリデーターとシングルスロット決定論を機能させる方法には、いくつかの主要な解決策があります。

オプション1は、より優れた署名集約プロトコルを実装するためのブルートフォースであり、ZK-SNARKSを使用する可能性があります。たとえば、ホーンは、より良い集約プロトコルを設計するために提案された提案の1つです。

オプション2は軌道委員会であり、ランダムに選択された中型委員会がチェーンの最終性の責任を負うことを可能にする新しいメカニズムですが、攻撃コストの保存が必要です。Orbitは、可能な限り最大の経済的最終性を達成するために、検証装置の堆積物のサイズの既存の不均一性を利用しますが、それでも小さな検証者にそれらが一致する役割を与えます。

下の図に示すように、範囲x = 0（アルゴラン委員会、経済的最終性なし）とx = 1（現在のイーサリアムの現在の状態）の間に – – 軌道SSFが中央に開かれました。

1.極端な安全を確保するために、悪を行うコストは依然として非常に高くなっています。

2。同時に、ノードの負担を軽減するために各タイムスロットに参加するには、中規模のランダムバリデーターサンプルのみが必要です。

オプション3は二重層の誓約であり、1つは2種類のプレッディーメカニズムがあり、1つの種類の預金要件があります。預金要件が高いレベルのみが、経済的最終性を提供するプロセスに直接参加します。低レベルの預金の権利と責任については、以下を含むさまざまな提案が提案されています。

• より高い株式保有者に権利を誓約する権利。

• 低レベルのステーカーをランダムに描いて、各ブロックを証明および最終化します。

• インクルージョンリストなどを生成する権利

Ethereumのセキュリティエクスペリエンスと、各ソリューションには利点と欠点があり、ブルートフォースは問題を解決できますが、非常に短い時間で大量の署名が必要ですOrbit Committeeは、そのセキュリティと特性を検証し、それを形式化および実装する必要があります。

シングルスロットの確実性に加えて、単一の秘密指導者選挙は、イーサリアムの証明システムの重要な問題でもあります。現在、どの検証者が次のブロックを提案するかを知ることができます。これにより、攻撃者がネットワークを監視できるセキュリティの脆弱性が生成され、どの検証者がどのIPアドレスに対応するかを決定し、検証者を提案しようとしているときに検証者に対応できます。 DOS攻撃を開始します。

この問題を解決する最良の方法は、少なくともブロックが実際に生成される前に、どのバリデーターが次のブロックを生成するかについての情報を隠すことです。

単一の秘密指導者選挙

現在、どの検証者が次のブロックを事前に提案するかを知ることができます。これにより、セキュリティの脆弱性が作成されます。攻撃者は、ネットワークを監視し、どの検証者がどのIPアドレスに対応するかを決定し、検証剤を提案しようとしているときに検証剤にアドレス指定できます。 Verifier。

単一のシークレットリーダーの選挙契約は、いくつかの暗号化手法を使用して各検証者に「ブラインド」検証剤IDを作成することにより、この問題を解決し、多くの提案者にブラインドIDプールを再構築して統合する機会を与えます。

ただし、十分に単純な単一の秘密指導者選挙契約を達成することは簡単ではありません。

イーサリアムプロトコルのシンプルさは非常に重要であり、その複雑さをさらに高めることを望んでいません。リングシグネチャを使用した簡素化されたSSLE（リングシグネチャを使用した簡素化されたSSLE）は、数百行の仕様コードのみを使用し、複雑な暗号化に新しい仮定を導入します。

十分に効率的な量子SSLE耐性を達成する方法も問題です。最終的に、これが起こる可能性があります。SSLEの「わずかな余分な複雑さ」は、他の理由で普遍的なゼロ知識証明を実行するメカニズムを大胆に導入しようとする場合にのみ、十分に低くなります。

さらに、より速いトランザクションの確認は、イーサリアムの証明システムが解決する必要がある問題の1つでもあります。

Ethereumのトランザクション確認時間をさらに短縮することは価値があります（12秒から4秒）。そうすることで、Defiプロトコルをより効率的にしながら、L1およびロールアップベースのユーザーエクスペリエンスが大幅に向上します。また、多数のL2アプリケーションがロールアップで動作できるようになるため、L2をより分散化し、L2が独自の委員会ベースの分散型ソートを構築する必要性を減らします。

約2つのテクニックがあります。スロット時間を8秒または4秒に短縮します。ただし、時間スロット時間を短縮する可能性は明らかではありません。

今日でも、世界の多くの地域の誓約者が十分な速度で証拠を取得することは困難です。4秒のスロット時間の試行は、バリデーター集中化のリスクがあり、遅延により、いくつかの地理的に優れた地域以外のバリデーターであることは実用的ではありません。

提案者の同意前のアプローチの弱点は、平均的なケースに含めるまでの時間を大幅に改善できるが、最悪の場合はそうではないということです。さらに、解決すべき別の問題があります。つまり、事前確認を奨励する方法です。

将来の量子コンピューティングの脅威に直面して、イーサリアムは量子攻撃の代替案を積極的に開発する必要があります。Ethereum Protocolのすべての部分は現在、楕円曲線に依存しており、ハッシュベースまたは他の量子耐性の代替品が必要です。これは、ステークデザインの証拠を取り巻くパフォーマンスの仮定における保守主義を正当化し、量子攻撃耐性の代替品をより積極的に発達させる理由でもあります。

まとめ

イーサリアムの杭の証明は、技術の進化への道で挑戦しています。Ethereumのしきい値は高いため、Lidoが率いるステーキングサービスプロバイダーがEthereumノードステーキングの最初の選択肢となり、二重層のステーキングソリューションにもある程度の集中化リスクがあります。これらの課題に対処するために、シングルスロットの最終性と誓約の民主化、単一の秘密のリーダー選挙、より速い取引の確認、および量子攻撃の選択肢の開発は、イーサリアムが対処する必要がある重要な問題です。

Vitalikは、「The Merge」のアップグレードについて包括的に考えており、可能な限り多くの技術的ソリューションを提案し、現在の潜在的に実行可能な技術的アップグレードパスのイーサリアムPOSプルーフの設計の可能性について議論しています。

テクノロジーのアップグレードの過程で、Ethereumは、最も適切な開発パスを見つけ、より高いセキュリティ、パフォーマンス、分散レベルを達成するために、さまざまな技術ソリューションを検討し、革新するために懸命に取り組んでいます。