イーサリアム2.0:完全ガイド

はじめに

イーサリアムネットワークは、世界で最大かつ最も広く使用されているブロックチェーンネットワークの1つです。また、世界最大のオープンソースプロジェクトの1つであり、go-ethereumはGithubで最大のプロジェクトの1つです。 2015年の最初のリリース以来、イーサリアムは、私たちが日常生活で使用する集中型アプリケーションの多くをいつか置き換えることができる分散型グローバルコンピューターになるという究極の目標に向かって前進してきました。ただし、イーサリアムのコミュニティとネットワークには、この目標が実現するまでにやるべきことがまだたくさんあります。この記事では、現在までのイーサリアムの進歩について簡単に説明した後、ネットワークの今後のリリースと待望のリリースについて説明します。このリリースは、Ethereum 2.0またはSerenityとして知られています(今後は同じ意味で使用されます)。これは、イーサリアムコミュニティによってこれまでに実装された中で最大かつ最も包括的なアップデートになります。

イーサリアムの開発の4つの段階

2015年にイーサリアムネットワークが最初に立ち上げられたとき、プロジェクトの長期ロードマップは4つのフェーズで想定されていました。各フェーズは、一連のイーサリアム改善提案(EIP)によって定義されます。これらは、イーサリアムコミュニティに提出され承認された提案です。提案は、さまざまなイーサリアムクライアントと開発者が従うべきガイドラインを作成します。たとえば、イーサリアムの現在のリリースはコンスタンティノープルと呼ばれ、ネットワークのセキュリティ、プライバシー、スケーラビリティを向上させるように設計された合計4つのEIPを通じて作成されました。¹

イーサリアムの最初の段階はフロンティアと呼ばれていました。 2015年にリリースされた、これはネットワークの最初のライブバージョンでした。フロンティアは、ユーザーと開発者がイーサリアムをマイニングし、Dappとツールを構築し、新しいプラットフォームで実験することを可能にしました。イーサリアムの開発の第2段階は、ホームステッドでした。 2016年3月にリリースされたHomesteadは、Ethereumネットワークの最初の製品リリースでした。これにより、将来のアップグレードとトランザクション速度の向上の基盤となるプロトコルに多くの改善がもたらされました。¹

イーサリアムの開発の第3の現在の段階は、メトロポリスと呼ばれます。メトロポリスは、ビザンチウムとコンスタンティノープルの2つのリリースに分かれています。ビザンチウムは2017年10月にリリースされ、以前のバージョンよりも軽量、高速、安全です。一部の特定のアップグレードには、より予測可能なガソリン価格と開発者向けのより簡単なプログラミングが含まれます。 Byzantiumは、Ethereum開発者がzk-SNARK(知識のゼロ知識簡潔で非対話型の引数)の効率的なオンチェーン検証を実行できるようにすることで、プライバシーも向上させます。一見、zk-SNARKの頭字語は複雑に見えるかもしれませんが、システムは比較的単純な概念、つまりゼロ知識証明を使用しています。これは、ステートメントが証明しようとしていること以外に何も明らかにすることなく、ステートメントの真実を証明できる方法です。¹たとえば、実際にパスワードを明らかにすることなく、携帯電話のパスワードを知っていることを友人に証明できます。彼らへ。ビザンチウムのアップデートでは、「難易度爆弾」と呼ばれるマイニング調整も更新されました。これにより、プルーフオブステークシステムへの移行を見越して、時間の経過とともにマイニングがより困難になります(これについては後で詳しく説明します)。¹コンスタンティノープルは、これらの改善をさらに強化することを目的としています。 。コンスタンティノープルの当初のリリース日は2018年11月に設定されていましたが、イーサリアムのリーダーと開発者はリリースを2019年まで延期することを決定しました¹。フォークは最終的に2019年2月28日にブロック728万でリリースされました。²イーサリアムの第4の暫定的な最終段階イーサリアム2.0またはセレニティとして知られるようになりました。これはこれまでで最も野心的なアップグレードであり、ネットワークのほぼすべての側面を改善することになっています。 Eth 2.0は、2019年から2021年までの4つのフェーズでリリースされる予定ですが、このタイムラインは変更される可能性があります。 Eth 2.0の規模と重要性を完全に理解するには、まず、現在のイーサリアムネットワークが直面している主要な問題、つまりEth2.0が解決しようとしている問題を調べる必要があります。

イーサリアムが直面している現在の問題

現在イーサリアムネットワークが直面している最も重要な問題は、スケーラビリティです。イーサリアムネットワークは何百もの分散型アプリケーションをサポートしており、1秒あたり多数のトランザクションを処理する必要があります。各ノードは各トランザクションを検証する必要があるため、ノードを追加してもネットワークのスケーラビリティは向上しません。より多くのDappの作成やより多くのトランザクションの実行など、Ethereumネットワークの使用の増加により、トランザクションの時間とコストが継続的に増加しています。これにより、イーサリアムネットワークの速度が低下し、使い勝手が悪くなります。最近の速度テストでは、ネットワークは1秒あたり20トランザクションしか管理していませんでした(昨年、さまざまな情報源が1秒あたり12〜45トランザクションを示しています)。比較すると、PayPalやVisaなどの集中型ネットワークはそれぞれ193トランザクションと1667トランザクションを定期的に実行し、Visaの最大容量は24,000に近いです。⁴ネットワークが大量に採用されるためには、スケーラビリティを大幅に向上させる取り組みがイーサリアム2.0の開発の中心です。他のいくつかのオプションを調査した後、イーサリアムチームは、ネットワークスケーラビリティの最適なソリューションとしてシャーディングと呼ばれるプロセスを決定しました。プラズマチェーンやステートチャネルなどのオフチェーンソリューションも、メインネットワークの負荷を軽減し、スケーラビリティをさらに高めるために使用される可能性があります。シャーディングとスケーラビリティに関する新しい記事を数週間以内にリリースする予定です。詳細については、それらをチェックしてください。

Eth 2.0で対処されるもう1つの主要な問題は、効率と環境の持続可能性です。ビットコインや他の多くのブロックチェーンネットワークと同様に、イーサリアムは現在、ネットワークのセキュリティを確保するためにプルーフオブワーク(PoW)コンセンサスプロトコルに依存しています。 PoWシステムには、ブロックチェーンネットワークに接続されたコンピューターハードウェアを所有する多くの鉱夫が関与しています。鉱夫は、ハードウェアをネットワークで使用することで報われます。アルゴリズムが新しいブロックごとにターゲット値を設定し、マイナーはこのターゲットを最初に見つけて新しいブロックを追加するために競争します。これを行うために、提案されたブロックのヘッダーデータを、スクランブルされた数値の固定長文字列を返すハッシュ関数を介してランダムな「ノンス値」とともに実行します。目標値が満たされない場合、ナンスが変更され、ハッシュ関数が再実行されます。マイナーは、指定されたターゲットに一致するハッシュ値を生成するまで、ハッシュ関数を再実行します。この時点で、新しいブロックがネットワーク上の各ノードにブロードキャストされ、検証されて元帳に追加されます。成功したマイナーには、作業に対するわずかな残高が与えられます。 PoWシステムの主な利点は、新しいブロックがチェーンに属しているかどうかを確認することが、非常に高速で比較的単純なプロセスであることです。ただし、ネットワークのセキュリティを確保し、不正を防止するために、鉱夫が正しいハッシュ入力を見つけることは計算コストがかかります。これは、1人のマイナーだけが正しいハッシュを見つけるという事実によって悪化するため、他のすべてのマイナーによって行われた作業は実際には使用されません。その結果、PoWの合意形成には膨大な計算能力と電力が必要であり、非常に非効率的です。

これを書いている時点では、イーサリアムネットワークの各トランザクションは約29 kwh(キロワット時)を使用しています。これは、平均的なアメリカの家庭に24時間電力を供給するのに十分な電力です。イーサリアム鉱山で使用される電力は、毎年652,669のアメリカの家庭に電力を供給する可能性があります。⁵イーサリアム鉱山は、ボリビアの国とほぼ同じ量のエネルギーを毎年使用します。これは明らかに大きな問題です。イーサリアムのPoWプロトコルに必要な途方もなく大量のエネルギーは、採掘の収益性を低下させ、環境とシステムの長期的な持続可能性に深刻な悪影響を及ぼします。⁵

PoWプロトコルは、初期のブロックチェーンネットワークの作成を可能にするため重要ですが、非常に非効率的です。また、より多くのリソースを持つアクターに不当な利点を与えるため、市場独占の影響を受けやすくなります。裕福で強力な個人や組織は、はるかに高速で強力なコンピューターを多数購入できるため、各暗号パズルをうまく解いて報酬を得る可能性がはるかに高くなります。たとえば、ビットコインマイニングの約65%は、理論的には一緒になって市場の50%以上を管理できる5つのマイニンググループによって行われています。ビットコインマイナーは、ビットコインマイニングの工業化と部分的な集中化につながった高価で特殊な特定用途向け集積回路(ASIC)を使用しています。イーサリアムマイニングは通常、多くの家庭用コンピューターに見られるグラフィックスプロセッシングユニット(GPU)を使用して実行されるため、集中マイニングのリスクはビットコインほど大きくありません。ただし、ASICは最近Ethereum向けにリリースされており、Etherマイニングは、現在依存しているPoWプロトコルのため、依然として集中化と独占の危険にさらされています。これにより、ビットコイン、イーサリアム、その他のブロックチェーンネットワークが当初の意図したほど分散化されていない状況が発生し、それらの独立性と有用性が危険にさらされています。 Eth 2.0は、ネットワークをプルーフオブワークプロトコルから、この効率と持続可能性の問題を解決しようとするキャスパーと呼ばれるプルーフオブステーク(PoS)プロトコルに移行するように設計されています。この移行は、2017年にビザンチウムのアップデートを通じて導入された爆弾採掘の難易度調整のためにますます重要になります。爆弾は、最終的に実行不可能になるまで、イーサリアムのマイニングをますます困難にします。⁶このデバイスは、セレニティのPoWからPoSへの移行を見越して導入されたものであり、更新がイーサリアムコミュニティにとって非常に重要であるもう1つの理由です。キャスパーの詳細な説明とプルーフオブステークについては、この記事をご覧ください。

Eth 2.0で対処される最後の主要な問題は、速度と使いやすさです。これは、シャーディングによって対処されるスケーラビリティの問題に関連していますが、同じではありません。シャーディングの導入により、トランザクションの速度とスループットの最も重大なボトルネックが解消されますが、別のボトルネックはイーサリアム仮想マシン(EVM)自体が原因です。 EVMは基本的に、コードを実行し、ネットワークが正しく機能できるようにするイーサリアムの基盤となる構造です。 EVMは、イーサリアムネットワークの内部状態とそのすべての計算を担当します。 EVMは、残高、現在のガス価格、住所、ブロック情報などのアカウント情報が正確であることも保証します。さらに、マシンは次のコンポーネントを追跡する必要があります:ブロック情報、ストレージ状態、アカウント状態、ランタイム環境情報⁷仮想マシンは、Solidity / Vyperで記述され、一意のEVMバイトコードにコンパイルされるすべてのEthereumスマートコントラクトも処理します。その後、コントラクトはネットワーク上の各ノードによって実行されます。⁴

イーサリアムネットワークの非常に多くの重要な側面を担っているため、仮想マシンがタスクを実行できる速度は、ネットワーク自体の全体的な速度と使いやすさに大きな影響を及ぼします。⁴このボトルネックの解決策Eth 2.0によって進められたものは、Ewasm(Ethereum wasm)と呼ばれます。 Wasmは、現在Google、Mozilla、Microsoft、Appleのエンジニアによって開発されているW3C CommunityGroupのオープンスタンダードの命令セットです。速度とスループットの向上に加えて、Ewasmはイーサリアムネットワークのセキュリティと使いやすさを向上させ、他のいくつかの利点をもたらします。今後数週間でEwasmの詳細を探る記事をリリースしますので、お楽しみに!

Eth2.0の追加の目標

現在ご存知のとおり、イーサリアム2.0は、今日のイーサリアムの主要な問題を解決するために設計されています。しかし、イノベーションはこれだけではありません。セレニティは、いくつかのより一般的な設計目標を満たすために建設中です。キャスパーとシャーディングの導入から生じる多くの新しく複雑なシステムのため、Eth 2.0の主な設計目標の1つは、効率の低下につながる場合でも、ネットワークの複雑さを可能な限り減らすことです。これが可能なのは、Sharding、Casper、Ewasmによって許容されるスループットと効率の大幅な向上が、これらの同じシステムに必要な追加の複雑さを軽減するために、効率のわずかな低下を相殺するためです。⁸もう1つの主要な設計目標は、暗号化と設計を使用することです。合計およびトランザクションごとの両方で、多数のバリデーターの参加を可能にする手法。同じように、3番目の目標は、標準的な消費者向けラップトップが個々のシャードを処理および検証できるようにするシステムを作成することです。これらの目標は両方とも、ネットワークの安全性と分散化を維持することを目的としています。

Serenityには、特定の問題を解決し、より一般的な懸念に対処することに加えて、将来発生する可能性のある潜在的な問題を見越して作成された2つの長期的な設計目標があります。 1つ目は、メジャーパーティションが発生した場合、または非常に多くのノードが同時にオフラインになった場合にネットワークが稼働し続けることができるようにリリースを設計することです。 Devcon 2018での講演で、イーサリアムの開発者であるJustin Drakeは、チームがEth 2.0で「第3次世界大戦を生き残る」ことができるようにする方法、またはノードの最大80%が一度にオフラインになる同様の状況について説明しました。⁹これも他のそれほど極端でない状況では重要です。たとえば、1つ以上の主要な気候変動関連の災害により、ノードの大部分が数時間以内にノックアウトされたり、中国や米国などの大国がイーサリアムやその他のブロックチェーンネットワークを禁止し、彼らの国。

Eth 2.0が予想するもう1つの不測の事態は、量子コンピューティングの出現です。現在、米国、中国、およびその他の主要な大国や企業の間で、生産量子コンピューターを最初に発明するための技術競争が続いています。この時点での問題は、そうではなく、いつかです。それらが登場するときはいつでも、量子コンピューターは、最も先進的な従来のコンピューターよりも指数関数的に強力になります。これにより、暗号化やブロックチェーン技術を含むほとんどの既存のサイバーセキュリティが比較的無防備になり、簡単にハッキングできるようになります。したがって、新しいブロックチェーンネットワークと将来のブロックチェーンネットワークでは、量子コンピューターの不測の事態から保護するために、可能な限りすべてを実行することが重要です(従来のバイナリコンピューティングの制限内で)。イーサリアムのgithubリポジトリに記載されているように、Eth 2.0の最終的な設計目標は、「すべてのコンポーネントを選択して、量子セキュアであるか、利用可能な場合は量子セキュアの対応物と簡単に交換できるようにすることです。」⁸

静けさから何を期待するか

これはすべて非常にエキサイティングですが、Eth 2.0が実際に公開されるのはいつですか?残念ながら、答えは残っています…。わからない!しかし、Devcon 2018での講演で、Vitalikは、Serenityは「それほど遠くない」と述べました。彼はまた、「イーサリアム2.0は、私たちが数年にわたって話し、数年にわたって研究し、数年にわたって積極的に構築し、最終的に1つのまとまりのある全体にまとめようとしているさまざまな機能の組み合わせです。 」¹⁰WilliamSubergは、「ビッグローンチ」の前に「最終調整」について書いたとき、Serenityが開発とテストの最終段階にあることに同意しているようです。

Eth 2.0のフェーズ0は開発とテストの最終段階にあるようですが、リリースまでにどれだけ長く待たなければならないかはまだはっきりしていません。 Serenityが現在のEthereumメインチェーンとは別に開発されており、最初は並行して実行されることを私たちは知っています。後で、現在のイーサリアムブロックチェーンは、おそらく単一の大規模なスマートコントラクトとして新しいものに組み込まれます。⁴Eth2.0がリリースされると、4つの連続した段階で展開されることもわかっています。フェーズ0は、ビーコンチェーンPoSシステムを特徴とします。 Dappsはまだサポートされていませんが、次のフェーズの基礎を築きます。フェーズ1は、Dappsをサポートし、データチェーンとしてシャードを導入します。ネットワークデータはシャードに分割されますが、ネットワーク状態は引き続き古いイーサリアムブロックチェーンに保存され、まだシャーディングされません。フェーズ2は完全にシャーディングされ、状態の実行が可能になり、スマートコントラクトが可能になります。この時点で、Eth2.0は上記の主要な機能をすべて備えています。フェーズ3以降は、反復、改善、および追加の技術で構成されます。¹⁰各フェーズが実装されると、Eth 2.0には、完全にシャーディングされたブロックチェーン、純粋なPoSコンセンサスプロトコル、同期確認までの時間の短縮(約8〜16)が期待されます。秒と10〜20分で達成できる「経済的ファイナリティ」。⁴Vitalikは、Serenityを「本来あるべき世界のコンピューター」と見なしています。 Eth2.0のリリースに私と同じように興奮していることを願っています。

読んでくれてありがとう!シャーディング、Casper、Ewasmの詳細については、今後数週間でさらに具体的な記事をいくつか公開する予定です。イーサリアムやその他のブロックチェーンテクノロジーに関するその他の記事については、遠慮なくフォローしてください。

この記事をレビューし、多くの貴重な提案をしてくれたAidan Hyman、Greg Markou、CaymanNavaに特に感謝します。さらに、この記事は、この分野の他の多くの優れた作家や研究者による作業なしには実現できなかったでしょう。 Michael Karnjanaprakorn、Darren Langley、William Suberg、Bisade Asolo、Justin Drake、そしてもちろんVitalikButerinに感謝します。DigiconomistとCryptofactsの編集者とコンテンツ作成者にも感謝します。

引用された作品

Asolo、Bisade。 「Ethereum仮想マシンの説明。」 Mycryptopedia。 2018年11月1日。https://www.mycryptopedia.com/ethereum-virtual-machine-explained/

ブテリン、ヴィタリック。 「基調講演」 2018年11月にチェコ共和国プラハのデブコンで撮影されました。ビデオ。 https://www.youtube.com/watch?v=Km9BaxRm1wA

暗号ファクト。 「Eth2.0の説明。」 CryptoCurrencyの事実。 2018年11月10日にアクセス。https://cryptocurrencyfacts.com/ethereum-2-0-explained/

「Eth2.0仕様」。 Github。 2018年11月14日にアクセス。https://github.com/ethereum/eth2.0-specs

「イーサリアムエネルギー消費指数」。デジコノミスト。 2019年2月18日にアクセス。https://digiconomist.net/ethereum-energy-consumption

「EtherScan」。ホームページ。 2019年1月5日にアクセス。https://etherscan.io/

ドレイク、ジャスティン。 「Eth2.0ランダムネストーク。」 2018年11月にチェコ共和国プラハのデブコンで撮影されました。ビデオ。 https://www.youtube.com/watch?v=zqL_cMlPjOI

ラングレー、ダレン。 「イーサリアム2.0。」中。 2018年8月7日。https://medium.com/rocket-pool/ethereum-2-0-76d0c8a76605

ラングレー、ダレン。 「イーサリアム2.0—誰がそれを構築しているのですか?」中。 2018年9月6日。https://medium.com/rocket-pool/ethereum-2-0-whos-building-it-54a735442e

カルンジャーナプラコーン、マイケル。 「イーサリアムのロードマップの初心者向けガイド。」ハッカーヌーン。 2017年12月7日。https://hackernoon.com/the-beginners-guide-to-ethereum-s-2020-roadmap-2ac5d2dd4881

スバーグ、ウィリアム。 「Ethereum2.0の発売はそれほど遠くないです。」コインテレグラフ。 2018年11月1日。https://cointelegraph.com/news/ethereum-20-launch-really-not-so-far-away-says-vitalik-buterin-in-devcon4-keynote