イーサリアムのシングルスロットファイナリティへの道

ブロックチェーン技術の世界は急速に成長していて、イーサリアムは最も人気のあるプラットフォームの一つになったよ。イーサリアムを使えば、仲介者なしでトランザクションやアプリケーションを作れるんだ。これは、複数の当事者がブロックチェーンの状態について合意やコンセンサスを達成できるシステムのおかげ。でも、このプロセスでの大きな課題の一つは、トランザクションがどれだけ早く確認または確定されるかってこと。ここで、シングルスロットファイナリティが登場するんだ。

#ファイナリティって何？

ブロックチェーンの文脈で「ファイナリティ」は、トランザクションが永久的に変更できなくなっていると見なされるポイントを指すよ。イーサリアムでは、現在のファイナリティを確保する方法はかなり時間がかかって、約15分もかかることが多い。これはユーザーをイライラさせたり、トランザクションが確認される前に無効にするような悪意のある行動のチャンスを生んじゃうんだ。

#速いファイナリティの必要性

速いファイナリティは、ユーザー体験を向上させて、トランザクションの操作を防ぎ、セキュリティを高めるためには欠かせないんだ。現在のシステムでは、バリデーター-トランザクションを確認する手助けをする人たち-は、ブロックが確定されるまでに複数の確認を待つ必要がある。この待機期間は、チェーンの短期的な変更の可能性を生むから、詐欺やトランザクションの検閲のリスクを招くんだ。

#現在のシステムの概要

イーサリアムは現在、ガスパーという特定のコンセンサスプロトコルに頼っているよ。ガスパーは、二つの重要なコンポーネントを統合しているんだ：

1. LMD-GHOST（最新メッセージ駆動の貪欲で重い観測サブツリー）: これは、バリデーターの投票に基づいて、どのブロックが正典チェーンの一部になるべきかを決定する責任があるよ。
2. カスパーFFG（フレンドリーなファイナリティガジェット）: これはLMD-GHOSTの上に機能し、ブロックを正当化して確定させる。

この二重プロトコルはネットワークを保護するけど、トランザクションのスピードやセキュリティに影響を与える制限があるんだ。

#現在のアプローチの課題

ガスパーの効果的さにもかかわらず、明らかな欠点があるよ：

• 長い確認時間: トランザクションが確定するまでに64〜95ブロック、約15分かかる。これは多くのアプリケーション、特に迅速な反応が必要なものには長すぎるんだ。
• 検閲のリスク: バリデーターは待機期間中に自分の権限を使って、トランザクションを含めなかったり、その順番を変更したりすることができる。
• より良い代替品が存在する: 他のブロックチェーンシステムは、時には瞬時に速いファイナリティを提供していて、スピードを重視するユーザーにとってイーサリアムが魅力的でなくなっちゃうんだ。

#シングルスロットファイナリティ（SSF）

シングルスロットファイナリティは、トランザクションが提案されたスロットで確認されることを可能にすることを目指した改善案だよ。これによって、確認が速くなり、トランザクション操作のリスクが減り、セキュリティが向上するんだ。SSFを達成するためには、既存のコンセンサスメカニズムに大きな変更が必要になる。

#研究の構造

この探求は、分散コンセンサスを理解するために必要な基本原則を概説することから始めるよ。それから、イーサリアムがこの目標を達成するのを助ける既存の方法やツールを見ていく。

#背景知識

#ステートマシンとその役割

ブロックチェーン技術の基本には、ステートマシンの概念があるんだ。ステートマシンは、入力に基づいてシステムがどのように状態を変化させるかを説明するモデルで、予測可能な方法で出力を生み出す。この概念は、ブロックチェーン上のトランザクションが一貫した方法で処理されるべき理由を理解するのに重要だよ。

#ビザンチンフォールト耐性（BFT）

ビザンチンフォールト耐性は、ノードが不正に行動したり失敗したりしても状態に合意する必要があるシステムには欠かせない。BFTはこれらの問題に対処して、いくつかのノードが悪意を持って行動しても、全体のシステムがコンセンサスに達することを保証してくれる。

#同期の重要性

ネットワークは同期、部分同期、非同期のいずれかであることができる。同期ネットワークでは、メッセージが既知の時間枠内で配信されるけど、非同期ネットワークにはそのような保証はない。ほとんどのコンセンサスプロトコルは、異なるメッセージ配信シナリオを処理できると仮定していて、それが安全性と生存性の維持に重要なんだ。

#中本コンセンサス: 元のモデル

ビットコインは最初のブロックチェーンアプリケーションで、中本コンセンサスというコンセンサスモデルを導入した。このモデルでは、ノードがネットワークに動的に参加したり離脱することを許可していて、オフラインノードのような現実の条件に対してもより耐性があるんだ。

#SSFの代替案を検討する

速いファイナリティを確保しながらセキュリティを維持するために、いくつかの提案があるよ：

1. フォーク選択ルールの変更: 現在の方法であるLMD-GHOSTを、より迅速な確認を可能にする新しいメカニズムに置き換えることができる。
2. 新しい暗号技術の統合: 量子署名のような技術は、SSFに対してより強い保証を提供できるかもしれないけど、実装には大きな課題がある。
3. EigenLayerの活用: このフレームワークは、バリデーターがコアプロトコルを変更することなくETHを再ステーキングしながら報酬を得ることを可能にする。これにより、バリデーターがブロックをより迅速に認証できるようになり、SSFの達成の可能性が生まれるんだ。

#異なるコンセンサスファミリー

#提案-投票-合併ファミリー

このファミリーには、単純な構造に従ったプロトコルが含まれているよ：一つのエンティティがブロックを提案して、他がそれに投票し、結果が合併される。GoldfishやRLMD-GHOSTのようなこのカテゴリのプロトコルは、投票が整合し、効率的に処理されることを保証してSSFを提供することを目指しているんだ。

#PBFTにインスパイアされたプロトコル

これらのプロトコルは、実用的なビザンチンフォールト耐性のアイデアに基づいている。固定されたバリデーターのセットが必要な一方で、即座のファイナリティを達成することに焦点を当てている。TendermintやHotStuffは他の場所で成功を収めているけど、その堅い構造はイーサリアムのダイナミックな特性にとっては課題なんだ。

#トータルオーダーブロードキャスト/グレードされた合意ファミリー

このグループは、ノードが悪意を持って行動してもトランザクションの順序に合意を得ることに焦点を当てている。Momose-RenやD’Amato-Zanoliniのようなプロトコルは、意思決定を効率的に行うための新しいアプローチを導入していて、ノード参加の柔軟性を高めている。

#潜在的な解決策の評価

#RLMD-GHOSTを候補として

RLMD-GHOSTは、投票の期限切れと動的な可用性の革新的な利用により、LMD-GHOSTの代替としての可能性を示している。このプロトコルは、非同期を考慮しつつイーサリアムがより速いファイナリティを達成するのを助けることができるよ。

#D'Amato-Zanoliniのメカニズム

D'Amato-Zanoliniプロトコルは、ラウンドごとに一つの投票を許可するトータルオーダーブロードキャストシステムを導入している。この投票の効率は、より速い確認とイーサリアムの現在のフレームワークにおけるパフォーマンスの向上につながるんだ。

#SSFに向けての前進

#速い確認

ブロックが確認に至るまでの時間を短縮することがSSFを達成するための鍵だよ。速い確認のルールを実装することで、ブロックは十分な支援を受けるとすぐに確認されるようになって、全体のプロセスがスピードアップするんだ。

#蓄積ファイナリティアプローチ

蓄積ファイナリティは、ファイナリティがバイナリの状態ではなく、時間をかけて構築できることを認識する。ブロックは、複数のラウンドで異なるバリデーターによって確認されることができるため、ブロックチェーン内でのその恒久性が強化されるんだ。

#結論

この探求では、イーサリアムの現在のコンセンサスメカニズムの状況、より速いファイナリティを達成することの課題、そしてシングルスロットファイナリティへの潜在的な道筋を概説してきたよ。既存の代替案を調べることで、イーサリアムにはパフォーマンスとセキュリティを向上させつつ、分散化の基本原則を維持する大きなチャンスがあることが明らかになったんだ。

この分野での研究や開発を続けることは重要で、ブロックチェーン空間は急速に進化していて競争が激しくなっているからね。イーサリアムがコンセンサスメカニズムを洗練させるために努力する中で、シングルスロットファイナリティのビジョンは、ユーザー体験やネットワークの信頼性を大いに改善する可能性がある刺激的な可能性なんだ。

#今後の作業方向

シングルスロットファイナリティの目標を進めるために、いくつかの取り組みを行うことができる：

1. プロトコルのテスト: 提案されたメカニズムの実世界での実装とテストを行うことで、大きな変更を加える前にその強みと弱みを特定できるよ。
2. 経済モデルの理解: バリデーターの経済的インセンティブを理解することや、それらがネットワークの目標にどう整合するかを考えることで、新しいコンセンサスメカニズムの機能を最適化できる。
3. 合意の正式化: 新しいシステムのもとでバリデーターがどのように行動するかについて明確なプロトコルやルールを設けることで、すべてのユーザーにとってより安定した環境を作るのに役立つんだ。

これらのアプローチを進めることで、イーサリアムはより速くて安全なトランザクションを約束し、ユーザーにとって全体的な体験をより良くするための効果的なコンセンサスモデルに近づけるんだ。