新しいEthereumアップグレード(2.0)

注記：この概要には古い内容が含まれています。執筆時点から、Ethereumは「The Merge」を完了し、Beacon Chainが提供するProof-of-Stakeコンセンサスへの移行を果たしました。シャーディングメインネットの計画は、dankshardingとモジュラー設計の原則に支えられたレイヤー2中心のロードマップへと方向転換されました。

Ethereumが新しい分散型の可能性を切り開く土台を築いた当初、スマートコントラクトと分散型アプリケーションへのネイティブサポートによってユーザーを惹きつけました。しかし、数百万人規模での採用はエネルギー消費が大きく、非常に高いガス代、ネットワークの混雑、長い取引時間、そして肥大化したブロックチェーンサイズを引き起こしました。これらはEthereumが採用するコンセンサスメカニズムであるproof of workにありがちな問題です。

Ethereum 2.0とは何か？

Ethereumは当初、新しいアップグレードをEthereum 2.0、あるいはEth2と呼んでいました。しかし2022年1月24日以降、ユーザー間での誤解を理由にその呼称は廃止されました。Ethereumは現在、「execution layer」（Eth1）と「consensus layer」（Eth2）という用語を採用しています。

このEthereumアップグレードは、execution layerを置き換えるものではなく、それを補完するために設計されました。したがってEth2というものは存在せず、より優れた、進化したEthereumがあるだけです。

Serenityとも呼ばれるこのアップグレードは、Ethereumをより持続可能で、スケーラブルで、安全なものにすることで、構造的な問題の一部を解決することを目指しています。

Ethereumはまもなく、Proof of Stake（PoS）とShardingという2つの主要なアップグレードを含むことになります。

コンセンサスメカニズムをproof of work（PoW）からproof of stake（PoS）へ切り替える

proof of stakeとproof of workは、コンセンサスメカニズムとして知られています。これらのメカニズムにより、あるクリプトネットワークの全てのコンピューターが、どの取引が有効かについて合意することができます。

PoSは、PoWの計算を行うマイナーの代わりに、ETHを「ステーキング」しているバリデーターのネットワークによって取引が確認されるコンセンサスメカニズムです。計算量の多いPoWプロセスから離れることで、今後Ethereumのエネルギー消費は大幅に減少します。

Shardingの追加

Shardingでは、ブロックチェーンがいくつかの区分に分割され、ネットワークの負荷が分散されます。これまでノードはブロックチェーン全体の取引を処理する必要がありましたが、Shardingにより、ノードは自身のshardの取引のみを維持すればよくなります。

Proof of Stakeへの移行

Ethereumの移行計画は、AlgorandやSolanaといった新しいブロックチェーンが、Ethereumに対するPoSの優位性の一部を背景に人気を高めている時期に進められています。これらの優位性は、多くの場合より低い取引手数料とより速い時間的ファイナリティ（速度）をもたらします。

Ethereumの創設者であるVitalik Buterinを含む多くの人々が、proof of stakeおよび類似のコンセンサスメカニズムを将来の標準とみなしており、Buterin自身も、いずれほとんどのブロックチェーンがproof of stakeを採用するようになると考えています。

Proof of stakeとproof of workはどう違うのか？

Ethereumは現在、Bitcoinによって最初に採用されたPoWを使用しています。PoWでは、マイニングプールと呼ばれるグループを組んだマイナーたちが、複雑な数学的問題を解くことを競います。このプロセスでは、マイナーはBitcoinの現在のターゲットに一致するハッシュを計算するために競争します。この正しいハッシュを最初に見つけた者が、最終的に新しく検証された取引でブロックチェーンを更新し、その報酬としてチェーンのトークンを受け取ります。

PoWは実績のある安全なコンセンサス手法ですが、ブロックチェーンネットワークが拡大するにつれ、ますます非現実的でエネルギー消費の激しいプロセスとなっています。Ethereumのようなスマートコントラクト対応ネットワークは、大量の取引量を生み出す可能性があります。これらの取引をPoWで検証するには、膨大な計算能力が必要になります。

PoSはこれを解決するため、マイニングをステーキングメカニズムに置き換え、バリデーターとしてネットワークに参加するには、チェーンのトークンの一定量を担保として預ける必要があります。PoWとは異なり、PoSでは各バリデーターが同時に競い合うのではなく、1人のバリデーターがランダムに選ばれるため、必要な計算能力は大幅に少なくなります。

バリデーターが選ばれると、そのバリデーターはブロックチェーンへの書き込み権を得て、その情報はattestation（証明）と呼ばれるプロセスを通じてネットワークの他のメンバーによって検証されます。その見返りとして、バリデーターはチェーンのトークンで報酬を受け取ります。選ばれたバリデーターが誤った、あるいは悪意のあるブロックを提案した場合、slashing（スラッシング）と呼ばれるプロセスによってそのステークを失います。アップグレード後のEthereumでバリデーターノードを運用するには、最低32 ETHをステークする必要があります。

Shardingとは何か？

Shardingはコンピューターサイエンスにおける一般的な概念であり、負荷を分散させるためにデータベースを分割するという考え方です。Ethereumの場合、これはネットワークを「shard」と呼ばれる64個のチェーンに分割することを意味します。現在のEthereum Mainnetと同様に、各shardは最終的に独自のアカウント残高とスマートコントラクトのセットを持つことになります。

ブロックチェーンを複数の部分に分割することで、バリデーターはもはやEthereumネットワークにブロードキャストされる全ての取引を処理する責任を負わなくなります。バリデーターは代わりに自身のshard上で新しいブロックを検証し、それを「committee」（ランダムに選ばれた128人のバリデーター）がメインのEthereumチェーン上で確認します。あるshardのブロックが十分なattestationを得ると、ネットワーク全体の取引を確定するためにBeacon Chainとの間で「cross-link」が作成されます。

Beacon Chainは、shard間を調整する主要なメカニズムです。shard間で状態情報を中継し、バリデーターのプロセスを管理する役割を担っています。Beacon Chainは乱数を生成し、shard chainを検証するステーカーを割り当てます。

これは持続可能性にどう影響するか？

PoSはPoWのような計算能力ではなく通貨のステーキングに依存するため、エネルギー消費が大幅に少なくなります。これはEthereumにとって重要な改善です。現在、このネットワークの年間消費量は112.9 TWhと推定されており、これは人口1,740万人のオランダの年間消費量にほぼ匹敵します。

Ethereumの開発チームは、この移行によってエネルギー消費を99.95%削減できると見積もっています。

これはスケーラビリティにどう影響するか？

エネルギー面での利点に加え、PoSとShardingはEthereumのキャパシティを大きく拡大します。

現在、Ethereumネットワークは15取引/秒しか処理できません。何百万人ものユーザーが参入し、新しいアプリケーションが毎日登場する中、この取引数の上限はEthereumの実用性を著しく制限してきました。さらに、現在のコンセンサスメカニズムでは各ノードがネットワーク全体のデータを保持する必要があり、そのサイズはすでに1TBを超えています。ネットワークが拡大するにつれ、このディスク容量要件の増大は持続不可能となり、ノードを運用できる者を制限してしまいます。

PoSでは、ノードを運用するために大規模なハードウェアやエネルギーへの投資が不要になり、ネットワークの規模が拡大してもコストは増加しません。

さらに、Shardingを追加することで、より多くの取引を同時に処理できるようになり、ストレージ要件も減少するため、最終的にネットワークの混雑が緩和されます。Ethereumの開発チームによれば、これらの変更により100,000取引/秒のスループットが実現可能になるとされています。

これはセキュリティにどう影響するか？

PoSのもう一つの利点は、分散性を高め、セキュリティを向上させることです。ハードウェア要件が低くなることで、ネットワークに参加するノードの参入障壁が下がります。アップグレード後、Ethereumは現在の2,700に対し、少なくとも16,384のバリデーターを持つことになります。

PoSへの切り替えは、潜在的な攻撃に対する抑止力もさらに高めます。第一に、バリデーターによる攻撃の試みは、プロトコルがそのバリデーターのステークしたETHを破棄する、いわゆるslashingという結果を招く可能性があります。第二に、51%攻撃やSybil攻撃のような攻撃には、ネットワークのマイニングパワーの51%を支配する代わりに、ステークされたETHの51%を保有することが必要になります。これは非現実的な金額であるだけでなく（現在の時価で約150億米ドル）、そのような攻撃はETHの大幅な価値下落を招く可能性が高く、実行を思いとどまらせる要因となります。

Ethereumの開発タイムラインの現在地は？

アップグレード以前

2015年、Vitalik ButerinはPoSアップグレードの必要性を認識していました。このアップグレードはプラットフォームにとって重要なアップグレードであるだけでなく、Buterinが長らく思い描いてきたEthereumのビジョンを実現するものであり、Ethereum Foundationのコアチームが長年取り組んできた目標でもあります。

「Ethereum 1.0はプロトタイプだと考えることができます。スケーラブルではないと分かっていたものを、分散型アプリケーションを構築できることを証明するためにリリースする必要があったのです。」— Joe Lubin、Ethereum共同創設者

Beacon Chain

2020年12月1日、この新しいアップグレードの最初の部分であるBeacon Chainが稼働を開始しました。現在、Beacon ChainとEthereum Mainnetは並行するチェーンとして存在しており、これまでのEthereumチェーンの使い方に変化はありません。

Beacon Chainのアップデートは、EthereumにPoSを導入するものです。ユーザーはデポジットコントラクトを利用してMainnetからBeacon ChainへETHを移すことができるようになり、ETHをステークしてBeacon Chainのセキュリティをさらに強化できるようになりました。ただし、出金は、次のアップデートである「Merge」でEthereum Mainnetが Beacon Chainに「ドッキング」するまで不可能です。つまり、ETHをステークした人々は、その報酬を受け取るまでしばらく待つ必要があります。現在、総供給量約1億2,000万ETHのうち、約1,000万ETHがステークされています。

当初、バリデーターはBeacon Chainのみに新しいブロックを追加します。しかし「Merge」が起こると、これらのバリデーターはメインのEthereumネットワークにもブロックを提供するようになります。

PoSを構築する上で、Beacon ChainはShardingを実現するために必要なインフラを提供します。最終的にBeacon Chainは、安全なShardingを実現するために必要な、shard chainのバリデーターのランダムな割り当てを担当することになります。Shardingは「Merge」の後に続くアップグレードで追加される予定です。

The Merge

当初は2021年第4四半期を予定していましたが、Mergeは現在2022年第2四半期に予定されています。完了すると、Ethereum MainnetはBeacon Chain内の一つのshardとなり、PoSが公式なコンセンサスメカニズムとなります。Ethereum Mainnet shardはPoSを使用し、EthereumのPoWとマイニングは終了します。

Mainnetが加わることで、この新しいPoS版Ethereumは、スマートコントラクトを実行する能力と、Ethereumの完全な履歴および状態を持つことになります。

なお、ステークしたETHの出金といった機能は、Mergeの直後にはサポートされない点に注意が必要です。これらは、Mergeに続く最初のハードフォークでの導入が予定されています。

Shard chain

2023年に予定されているshard chainは、2段階のアップデートで導入されます。

バージョン1：データの可用性

Shard chainは当初、Ethereumネットワークに追加のデータを提供するだけで、63本の新しいチェーンが追加されます（合計64本）。ローンチ時点では、取引やスマートコントラクトはサポートされません。しかし、これらの追加チェーンはrollupsと合わせて、取引処理能力を劇的に向上させ、ガス代を引き下げ、毎秒数万件の取引への道を切り開きます。

Rollupsは、メインのEthereumチェーン（レイヤー1）の外で取引を実行し、完了した取引データをレイヤー1に投稿するレイヤー2ソリューションです。この、取引を単一のオフチェーン取引に「ロールアップ」するプロセスは、大きなスケーラビリティ上の利点をもたらします。

バージョン2：コード実行

このアップグレードの最終段階では、shardを現在のEthereum Mainnetにより近いものにし、取引の処理とスマートコントラクトの実行を可能にします。shard同士も通信できるようになり、shardをまたいだ取引が可能になります。

このステップが本当に必要かどうかは、Ethereumコミュニティ内で議論されています。多くの人は、「バージョン1：データの可用性」で得られる秒間取引数の増加で十分であり、「よりスマートな」shardは不要だと考えています。

execution shardが配信速度の向上にどの程度必要になるかは、今後の展開次第です。

Ethereumアップグレードのより広範な影響

Ethereumのアップグレードが実現すれば、Ethereumはそのブロックチェーンのエコシステム全体が直面している多くのボトルネックを解消できる可能性があります。執筆時点でのガス価格は容易に80 Gwei（約30米ドル）を超えており、小額の送金を非現実的なものにし、結果としてユーザー層を限定してしまっています。さらに、この混雑は取引時間の長期化を招いており、多くの場合数時間かかることもあり、Ethereumの現在の実用性をさらに制限しています。

Ethereumが持続可能性、スケーラビリティ、セキュリティの面で新たな進歩を遂げることで、これらのボトルネックの多くが改善され、Ethereumのさらなる普及とユースケースの拡大への道が開かれます。

このアップグレードがもたらす技術的な向上によって、Web3空間全体が恩恵を受けることは間違いありませんが、レンディングやイールドファーミングといったDeFiの一部の領域は、より厳しい競争にさらされる可能性があります。ステーキングがこれらの投資手法の代替手段になり得るためです。しかし、DeFiの利回りはアップグレード後のEthereumのステーキング報酬を通常上回るため、少なくとも短期的にはこれは不要な懸念だと言えるでしょう。

アプリがこの新しい技術へ移行するのにどれだけの時間がかかるかは、依然として未解決の問いです。Skaleネットワークの開発元であるSkale LabsのCEO、Jack O’Holleranは、ほとんどのアプリはMergeまで待ち、その後は「自分たちのペースで」移行していくだろうと示唆しています。アップグレードがいつ完全に完了し、広く採用されるかは依然として不明確ですが、完了した暁には、エコシステム全体に広範な改善をもたらす可能性を秘めていることは明らかです。