最初のコンセンサス：ZK時代の基本を再考する

著者：Krane、Lamby（Asula）、Sylve、Lancelot（HYLE）出典：Bedlam Research Translation：Shan Oppa、Bitchain Vision

導入

この1週間にわたって、Ethereum Consensus Layerのロードマップに関するいくつかの提案を見てきました。最も顕著なのは、ジャスティン・ドレイクがデヴコン2024のスピーチでイーサリアムZK時代のビジョンについて詳しく述べていたことです。これは、ビームチェーンまたはビームフォークと呼ばれ、スロット時間の短縮、最終的な確実性の高速化、イーサリアムコンセンサスの「スナリフィケーション」など、イーサリアムバッチの多くの主要なアップグレードを実装しています。人々は、提案の野望とこれらの変更のタイムラインに対応しました。しかし、イーサリアムの経済の規模を考えると、イーサリアムについて慎重になることがどれほど重要かを認めるべきです。これを認めているにもかかわらず、ロールアップ中心の生態系の基礎層の最大の野心的な未来がどのようなものかを考慮することは有用です。に沿って未来のために過去に負担をかけないでください」この記事では、ZKとコンセンサスの研究の進捗を利用する未来を紹介します。

まず、基本原則の観点から基本的なレイヤーを研究し、次にコンセンサス研究のコア概念を調査します。最後に、特にZKメカニズムの下で、この研究を次世代の基本層設計に適用する方法を詳細に調べます。

基本レイヤー

今日、ほとんどのロールアップは集中型ソーターを使用してトランザクションを並べ替えて実行しています。ソーターがブロックを生成した後、他の人による検証の実行証明を生成する責任もあります。実行を検証可能にするために、サードパーティはロールアップのステータスデータと実行の証明を必要とします。通常、ステータスデータと証明は公開されますデータの可用性（DA）レイヤー、からの状態移行検証層（通常、誤って和解層と呼ばれます）検証。

初期の頃、イーサリアムはロールアップ中心のロードマップを開発し、DAと検証を実行しながら、最初の基礎層になりました。イーサリアムのユニークな状態（つまり、イーサリアムで発行された多数の貴重な資産）は、ロールアップの自然な検証または決済層になります。Ethereumを基礎として使用することにより、Rollupはそのセキュリティだけでなく、流動性も継承できます。いずれにせよ、当時市場には特別な和解やDAのオプションはありませんでした。

多くの専用レイヤーを備えた今日の世界でさえ、最大のPOSバリーターセットとBLOBサポートを備えたイーサリアムは、DA層として非常に安全な選択です。さらに、イーサリアムの資産家族の数と市場価値は継続的に成長しています。「決済」は資産固有であるため、アセットが発行されるチェーンで強制退出を可能にするロールアップを検証する必要があります。RollupがEthereum発行資産からの強制出口を許可したい場合は、Ethereumを使用して検証する必要があります。

今日のイーサリアムは次のようになります：

ただし、専用のDA層と決済層も、実際にこれらの操作を実行するためにイーサリアムと直接競合しています。たとえば、CelestiaとEigendaはすでに大幅に高いDAスループットを提供しています（ただし、セキュリティモデルは異なります）。同様に、Initiaは検証センターまたは決済センターの概念を拡大して、エコシステム内のユーザーに、オラクル、統一された財布エクスペリエンス、組み込みの相互運用性を提供することにより、よりシームレスなエクスペリエンスを提供しています（過去数か月でイーサリアムルートにもなりました。図の重要なポイント）。

これらのシステムはすべて、イーサリアムと同じ形をとっており、基礎となる層がデータの可用性と検証に分解され、各層はそれぞれの操作の専用ハブとして機能します。

新しいデザインの重要な洞察は、DAレイヤーと検証層によって実行する必要がある最適化分離です。ブロックチェーンの最初の役割は、相互に不信感のある2つのカウンターパーティの間で信頼できる第三者の分散化を達成することです。ロールアップ中心のシステムでは、基本層の役割は、ロールアップ間で分散化するために、それらの間の相互運用性を実現するための信頼できる第三者として機能することです。ベースレイヤーがロールアップの状態を検証すると、他のすべてのロールアップはベースレイヤーを暗黙的に信頼できます。Rollup中心の設計のもう1つのコアプロパティは、アプリケーションがユーザーに、最も悪い状況（基本層からの強制出口による）損傷の最終的な検閲抵抗なしで、平均して（何らかの形で集中型のソーターを介して）高速で安価なトランザクション確認アクセスを提供できることです。

データの可用性と検証の間の分離、および最終的な検閲抵抗、ロールアップ間の相互運用性、および資産発行の提供における基本層のコア機能を理解していることを考えると、より良い基本層を構築する方法を推測できます。現在、Rollupは数時間ごとに状態データを基本層に公開しています。つまり、RollUp Sorterが提供する事前確認は、この時間枠内でのみ行われます。Ethereum L1よりも高いデータスループットを備えた基本レイヤーにより、ロールアップはデータをより頻繁に公開できるようになり、ロールアップの事前確認から基本層の確認までの時間を短縮し、それによりロールアップのセキュリティが改善されます。同様に、高速での検証により、ロールアップ間のより速い相互運用性が可能になり、流動性橋とマーケットメーカーの必要性が排除されます。特定の洞察を、ベースレイヤーが処理する必要があるワークロードの形状に活用して、より高いスループットとより速い間隔通信を備えたベースレイヤーを構築できます。

統合ブロックチェーンには、頻繁に攻撃されるDexプールなど、「ホットステート」エリアがあります。これにより、すべての参加者に対して相対的な種類のトランザクションを持つことが非常に重要になります。一方、ロールアップは通常、大部分が独立した状態空間で実行され、ほとんどのトランザクションは自分のロールアップ内の状態にのみ影響します。クロスロールアップの相互作用が発生しますが（たとえば、ユーザーがロールアップまたはロールアップ間でアセットを互いに組み合わせた場合）、これらのインタラクションは明確で、明確に定義されており、事前に既知です。切断された状態で実行される各ロールアップのトランザクションの大部分が、特定の相互運用性メカニズムを介して処理されるため、ベースレイヤーのすべてのロールアップデータを厳密に完全に並べ替える必要があります。代わりに、ロールアップが明示的に対話する場合にのみ、ソートを選択的に実行できます。

2つのロールアップは、状態の違いのリストと、基本層への状態遷移のZK証明を公開します

知らせ：Rollupが状態の違いのリストとそのZKのロールアップ状態遷移の証明を公開していると仮定します。

ここでの核となる洞察は、トランザクションの因果関係を中心に展開し、指示された非環式グラフ（DAG）コンセンサスモデルを中心に行われた膨大な量の作業を支えています。一般的に言えば、DAGアルゴリズムは、計算/処理を並行して実行できるように、依存関係を明示的に指摘しようとします。これらのアイデアに基づいて、ロールアップベースレイヤーが出現することを期待しています。そこでは、より高いスループットと低下をサポートするためにコンセンサスが大部分リラックスしています。

ロールアップ状態の自然な分割は、すべてのロールアップトランザクションを強制的に総注文に従うように強制することが不必要なオーバーヘッドになる可能性があることを示唆しています。DeltaやHyléなどのシステムはこの洞察を使用して、ロールアップを個別に実行できるようにし、クロスドメイン資産の転送の調整のみを必要とします。ただし、これはコンセンサスの完全な排除ではありません。イノベーションは、この選別がすべての取引でグローバルに施行されるのではなく、実際に必要な場所に制限される可能性があるという認識です。

このパーティションの最大の影響は、エレガントなロールアップソリューションを作成して、他のロールアップとの複合性を犠牲にすることなく、専用の実行環境のスループットを増やすことです。

因果関係の並べ替えと完全なソート

さらに議論する前に、ソートを確認しましょう。大まかに言えば、コンセンサスは、有効なトランザクションの順序に関するネットワーク内のすべてのノードのコンセンサスです。

線形ブロックチェーンは、トランザクションの完全な順序、つまり、すべての参加ノードの目に発生するイベントの完全な線形順序に同意する必要があります。互いに関連していないトランザクションは、まだグローバルな順序にきちんと配置されています。
一方、因果関係のソートは、単にトランザクションのソート、つまり、最初に発生するトランザクションは、出力に依存するトランザクションの前にランク付けされることです。因果関係のないトランザクションは一緒にソートする必要はありません。これは部分的な順序とも呼ばれます。DAGは、一連のトランザクションで部分的に順序付けられたデータ構造です。また、部分的な順序は、DAGの分離部品間の並列トランザクションの実行へのドアを開きます。ここでは、すべてのノードが同意する単一のグローバルトランザクションソートはありません。

完全なシーケンスは、DAGの上に構築できます。同時イベントの順序に同意するには、追加のコンセンサスメカニズムが必要です。例は、NarwhalおよびTusk ProtocolまたはSuiのMysticetiの新しい進化です。

DAG内のトランザクションは、他の無関係なトランザクションとは無関係に確認できます。トランザクションがほとんどのバリデーターによって認識されると、それは有効と見なされます。多くのトランザクションを提示して並行して確認できるため、ブロック内ではなくトランザクションの確認を単独で許可すると、トランザクションスループットを大幅に改善できます。これは、単一のリーダーコンセンサスの一般化と見なすことができます。ここでは、すべての検証者が新しい取引を提案できます（知らせ：これは、個別のトランザクションを含むブロックを提案すると見なすこともできます）。

DAGのトランザクション検証の実用的な原則を要約するには：

ユーザーは、トランザクションをバリデーターノードのサブセットにブロードキャストします。
ノードがトランザクションを受信すると、最初に、グラフのローカルビューに基づいて現在知っているトランザクションとトランザクションが競合するかどうかを確認します。
同じ金額を費やそうとするなど、紛争がある場合、取引は拒否されます。
競合がない場合、受信ノードはネットワーク内の他のノードと対話して、トランザクションの有効性に関する何らかの合意に達します。これらの方法の1つはサブサンプリングです。ここでは、ノードは他のノードのサブセットをサンプリングし、トランザクションがローカルの観点に基づいて有効であると考えるかどうかを尋ねることにより、数回のクエリを開始します。サンプリングノードのしきい値が肯定的な応答である場合、クエリラウンドは成功したと見なされ、定足数に達したことが示されます。ノードがトランザクションの妥当性に自信があるまで、このサンプリングプロセスを繰り返します。このプロセスにより、ノードは、グローバルな一貫性なしにトランザクションの妥当性に関する確率コンセンサスに迅速に達成できます。繰り返しサンプリングは、ネットワーク全体のコンセンサスを確保するのに役立ち、矛盾するトランザクションが同時に受け入れられる可能性は非常に低いとなります。

サブサンプリングトランザクションの確認

任意のノードは、定足数を達成するためにいつでもこのインタラクティブなプロセスを実行できることを繰り返してください。複数のパスがコンセンサスに到達することができます。ある意味では、各バリデーターまたはレプリカは独自のブロックチェーンを実行しており、他のノードと定期的に同期されています。調整の前に複数の異なるブロックチェーンを進めるというこのアイデアは、AutobahnなどのDag以外の設計でも調査されています（データの伝播と並べ替えの分離に依存しています）。Autobahnでは、各バリデーターは独自のトランザクションチャネルを維持し、同期プロセス中に調整します。この記事では、これらはブロックチェーンとは明示的には言及されていませんが、チャネルはブロックチェーンに非常に近いと考えており、同期プロセスは複数のブロックチェーンのマージに似ています。

基本層の因果関係

さて、因果関係の概念を理解したので、この概念と基礎となる層との関係をつなぎ合わせることができます。前述のように、ロールアップは通常、ステータスデータまたはステータスの違いリストを、独自の永続的なパーティション状態の状態の更新に対応するリストを公開します。2つのロールアップによって公開されたデータは、データが互いに交差していないため、一部の「ホット状態」を競うことはありません。これにより、基本層でのグローバルな並べ替えの必要性がリラックスします。さらに、新しいロールアップ状態を検証するには、以前に公開されたロールアップ状態を確認するだけです。したがって、基本層はこれらのロールアップトランザクションを自由に並べ替えて、グローバルソートを待つことなく互いに独立して実行できるようにすることができます。

より広く、ロールアップは、費用を心配することなく、基礎となる層にデータと証明を自由に公開できるはずです。ネットワーク全体にデータが伝播すると、ベースレイヤーの検証剤は、ロールアップソーターによって公開された証明を検証します。特定の数のバリケーターが証明を確認した場合、トランザクションが確認されると想定されます。このようなシステムにより、ロールアップは、データが基本層を介して伝播する速度で確認を実現できます。理論的には、これにより、ソルターの事前承認と基本層の確認の間の時間が短縮されるはずです。

上記のシステムは、検証可能なアプリケーションの将来として実行をコピーするのではなく、ZKベースの実行シャードに依存します。

2つのロールアップ間でデータを移動するクロスシャッシュトランザクションをソートする必要がありますが、これも部分的です。たとえば、ロールアップAからロールアップBにアセットXを転送するには、離脱トランザクションのためにQuorumにロールアップAが必要であり、ロールアップBには預金取引のみを含めることができます。基本層からの迅速な確認は、同じエコシステム内のロールアップ間の相互運用性の信頼できる保証を提供し、基本層のネットワーク効果を生み出します。多数の貴重な資産と組み合わされた高速相互運用性は、基礎となる層を潜在的なロールアップに魅力的にするのに十分な場合があります。全体として、この特殊なデザインは次のように許可します。

ロールアップトランザクションの確認時間は速いです。
ロールアップ間の高速相互運用性（流動性ブリッジまたはマーケットメーカーは不要）。
ロールアップ専用のDAスループット。
ロールアップ専用の検証ツール（その他のプルーフシステム）。

簡単な説明：基礎となる資産の価値の蓄積

上記の議論は、ロールアップ用の安価で高速で安全な基礎層を提供します。ただし、現在ロールアップ中心のロードマップを囲んでいる議論のほとんどは、ロールアップの存在下でのETHとイーサリアムの価値の蓄積を中心としています。ベースなどのユーザー関係を持つL2は、ブロックスペースにプレミアムを請求し、その収益のごく一部をDA料金の形でイーサリアムに返すことができます。

Rollupがより頻繁に状態データを公開して迅速な相互運用性を実現できるようにすることで、基本層はマーケットメーカーや流動性ブリッジに失われたであろう収益を得ることができます。より良い相互運用性システムによってもたらされる値は、基本レイヤーに完全に依存していますが、互いに通信する必要があるロールアップの数に完全に依存しています。ロールアップが複数のアプリケーションニーズを満たしていない設定では、基礎となるレイヤーの値の蓄積がより明確になります。アプリケーションは、ベースレイヤーと単純に対話することにより、構成可能性を実現できます。アプリケーションは、複合性を犠牲にすることなく、高いスループットと自分のスペースを制御することができます。

また、基本層の実行を改善することにより、ネイティブトークンの値の蓄積が改善されるといういくつかの議論もあります。これにより、実際には、ベースレイヤーがロールアップと競合することができ、ロールアップ中心の設計原則に違反します。実行（およびおそらく私たちの好みの方法）を含める別の方法は、基礎となる層の資産が再開してロールアップソーターを保護するenshrinedロールアップを構築することです。ベースレイヤーバリデーターセットは、必要に応じてロールアップのソルターセットとして機能することもできます（ただし、バリーターセットは同じである必要はありません）。実際、Devcon 2024でのMartinKöppelmannのスピーチの後、EnshrinedまたはNative Rollupのトピックが熱くなり始めました。Ethereumのようなエコシステムの場合、ETHはロールアップでロールアップでより自由に実験できるようにすると同時に、ETHがロールアップでより自由に実験できるようになります。

結論は

全体として、ZK時代は、イーサリアムとブロックチェーン全体にとって本当にエキサイティングで前向きな未来を表していると考えています。この記事では、ZKと最先端のコンセンサスの組み合わせが、ロールアップ中心のシステムの基礎となる層の潜在的な新しい方向をどのように表しているかを概説します。ゼロ知識の証明と、DAGベースのコンセンサスメカニズムからの借用のアイデアを組み合わせることで、ロールアップのために本当に最適化された基礎となる層を再考することができます。コンセンサスは、実際の共有状態がある場所にのみ適用され、すべての業務の統一された要件としてではありません。エコシステムがモジュラー設計に向かって動き続けているため、この微妙な基本的なレイヤーコンセンサスアプローチがモジュラーブロックチェーンの標準になると予想しています。

全体として、いくつかの新しいサポートテクノロジーが生産に入ったばかりであることを考えると、基本層は競争力を維持するためにこの技術を採用しなければならないと考えています。

私たちはより大きな夢を持つことを恐れることはできません。

最初のコンセンサス：ZK時代の基本を再考する

導入