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Ethureum2とはIntroduction

イーサリアムネットワークは、世界最大級で最も広く利用されているブロックチェーンネットワークの一つです。また、世界最大のオープンソースプロジェクトの一つでもあり、go-ethereumはGithub上で最大のプロジェクトの一つとなっています。 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している中央集権的なアプリケーションの多くにいつか取って代わることができる分散型のグローバルコンピュータになるという究極の目標に向かって前進してきました。しかし、Ethereumのコミュニティとネットワークは、この目標が実現するまでにまだ多くの仕事を抱えています。 このページでは、現在までのEthereumの進捗状況を簡単に説明した後、このネットワークが近日中にリリースされる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」と呼ばれています(今後は互換的に使用されます)。 このリリースは、Ethereumコミュニティがこれまでに実施した中で最大かつ最も包括的なアップデートとなります。

4段階のフェーズThe Four Stages of Ethereum’s Development

2015年にEthereumネットワークが開始されたとき、プロジェクトの長期的なロードマップは4つのフェーズで想定されていました。各フェーズは、EIP(Ethereum Improvement Proposals:イーサリアム改善提案)によって定義されています。これは、Ethereumコミュニティに提案され、承認された提案です。この提案は、さまざまなEthereumクライアントや開発者が従うべきガイドラインを作成します。例えば、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ために設計された合計4つのEIPによって作成されています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、ネットワークの最初のライブバージョンです。フロンティアでは、ユーザーや開発者がイーサを採掘したり、Dappsやツールを構築したり、新しいプラットフォームを試すことができました。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ホームステッドは、イーサリアムネットワークの最初のプロダクションリリースでした。今後のアップグレードの基盤となるプロトコルに多くの改良が加えられ、取引速度が向上しました¹。

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1.フェーズ0
(2020年内)

新しいブロックチェーンであるBeacon Chainのローンチ、PoS機能のCasper FFGの実装、ただしこの時点ではステーキングしかできず本格的な使用はできない。

2

2.フェーズ1
(2021年内期待)

Shardingの実装、Beacon Chainとそれぞれのシャードを繋ぐためのCross-Linkの実装される。ただしこの時点でアカウントやスマートコントラクトはサポートされず実用状態ではない。

3

3.フェーズ2
(2022年内期待)

フェーズ2でEthereum2.0は実用的な状態になる。
eWASMの実装によりスマートコントラクトが扱えるようになる。この時点をもってコントラクトの開発やDAppsの利用がEthureum2.0上で出来るようになると期待される。

4

4.フェーズ3
(2022年以降)

フェーズ2以降も継続的な改善が行われる。期待されるトピックとして、ライトクライアントの実装、シャード間のトランザクションの効率化、シャードブロックチェーンの効率化など。

イーサリアムの開発の第3段階、現在の段階はメトロポリスと呼ばれています。 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という2つのリリースに分かれています。Byzantiumは2017年の10月にリリースされたもので、これまでのバージョンに比べて軽量化、高速化、安全性の向上が図られています。具体的なアップグレードとしては、ガソリン価格がより予測しやすくなり、開発者がより簡単にプログラミングできるようになりました。Byzantiumでは、Ethereumの開発者がzk-SNARK(zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge)の効率的なオンチェーン検証を行えるようにすることで、プライバシーの向上も図っています。zk-SNARKsの頭文字は一見すると複雑に見えるかもしれませんが、このシステムでは、ゼロ知識証明という比較的シンプルな概念が使われています。 例えば、私は友人に携帯電話のパスワードを知っていることを、実際にそのパスワードを明かすことなく証明することができます¹。また、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の調整が更新されました。これは、杭の証明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を困難にするものです(詳細は後述します)¹ コンスタンティノープルは、これらの改善をさらに進めたものとなります。 コンスタンティノープルの当初のリリース日は2018年の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、そのリリースを2019年まで延期することを決定しました¹ フォークは2019年2月28日にブロック7,280,000でようやくリリースされました² イーサリアムの第4の、そして暫定的な最終ステージは、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。イーサリアム2.0は、2019年から2021年の間に4つのフェーズでリリースされることになっていますが、このスケジュールは変更される可能性があります。Eth 2.0の規模と重要性を十分に理解するためには、まず現在のEthereumネットワークが直面している主要な問題、つまりEth 2.0が解決しようとしている問題を検証する必要があります。

現在の課題Current Issues Facing Ethereum

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。 Ethereum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秒間に大量のトランザクションを処理する必要があります。各ノードが各トランザクションを検証する必要があるため、ノードを増や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Dapps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が増えると、トランザクションの時間とコストが継続的に増加します。これにより、イーサリアムネットワークは遅くなり、使い勝手が悪くなっています。最近行われたスピードテストでは、Ethereumネットワークは1秒間に20件のトランザクションしか実行できませんでした(さまざまな情報源によると、昨年は1秒間に12件から45件のトランザクションが実行されていたとのことです)。それに比べて、PayPalやVisaなどの集中型ネットワークでは、定期的に193件、1667件の取引が行われており、Visaの最大容量は24,000件に近いものです。⁴ ネットワークが大量に普及するためには、スケーラビリティを大幅に向上させる努力がEthereum 2.0の開発の中心となります。他のいくつかの選択肢を検討した結果、Ethereumチームはネットワークのスケーラビリティのため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に決定しました。また、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、プラズマチェーンやステートチャンネルなどのオフチェーンソリューションも使用されるでしょう。シャーディングとスケーラビリティについては、今後数週間のうちに新しい記事を公開する予定です。詳細はそちらをご覧ください。

イーサリアム2.0が取り組むもう一つの大きな課題は、効率性と環境維持です。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、PoW(Proof of Work)コンセンサスプロトコルに依存しています。PoWシステムでは、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ハードウェアを所有する多数のマイナーが参加しています。マイナーは、自分のハードウェアをネットワークで使用することで報酬を得ます。アルゴリズムでは、新しいブロックの目標値が設定されており、マイナーはこの目標値を最初に見つけて新しいブロックを追加することを競います。そのためには、提案されたブロックのヘッダーデータとランダムな「ノンセ値」をハッシュ関数にかけ、固定長のスクランブルされた数字の列を返します。目標値に達しない場合は、nonceを変更し、ハッシュ関数を再実行する。マイナーは、指定された目標値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、新しいブロックはネットワーク上の各ノードにブロードキャストされ、検証されて台帳に追加され、成功したマイナーにはその作業に対して少額の残高が与えられる。PoWシステムの大きな利点は、新しいブロックがチェーンに属しているかどうかを検証することが、非常に高速で比較的簡単なプロセスであることです。しかし、ネットワークのセキュリティを確保し、不正行為を防止するためには、マイナーが正しいハッシュ入力を見つけることが計算上の負担となります。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ため、他のすべてのマイナーが行った作業が実際には使用されないという事実によって悪化します。その結果、PoWコンセンサスは膨大な計算能力と電力を必要とし、非常に非効率なものとなっています。

この記事を書いている時点で、イーサリアムのネットワーク上では、1回の取引に約29kwh(キロワット時)の電力が使われています。これは、アメリカの平均的な家庭の24時間分の電力に相当します。また、イーサリアムの鉱山で使用される電力は、アメリカの652,669世帯の年間電力を賄うことができます。⁵イーサリアムの鉱山では、ボリビアの国とほぼ同じ量のエネルギーが年間使用されています。これは明らかに大きな問題です。イーサリアムのPoWプロトコルで必要とされる法外なエネルギー量は、マイニングの収益性を低下させ、環境や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構築を可能にしたという点で重要ですが、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優位性を与えるため、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、より高速で強力なコンピュータを大量に購入することができるため、それぞれの暗号パズルをうまく解いて報酬を得る確率が非常に高くなります。例えば、ビットコインの採掘の約65%は、5つの採掘グループによって行われています。これらのグループは、理論的には一緒になって市場の50%以上を支配することができます。ビットコインの採掘者は、高価で特殊なASIC(特定用途向け集積回路)を使用しており、これがビットコインの採掘の産業化と部分的な中央集権化につながっています。イーサリアムのマイニングは、一般家庭のパソコンに搭載されているGPU(Graphics Processing Unit)を使って行われることが多いため、中央集権的なマイニングのリスクは、ビットコインほど大きくはありません。しかし、イーサリアム用のASICが最近リリースされ、イーサのマイニングは現在PoWプロトコルに依存しているため、中央集権化・独占化の危険性があります。これにより、ビットコインやイーサリアムなどのブロックチェーンネットワークは、本来の目的である分散化がほとんどなされておらず、その独立性や実用性が危ぶまれる状況となっています。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Casper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設計になっており、この効率性と持続性の問題を解決しようとしています。この移行は、2017年にビザンチウムアップデートによって導入された難易度爆弾のマイニング調整により、ますます重要になります。この爆弾は、最終的に実行不可能になるまで、Etherの採掘をますます困難にします。⁶ この装置は、SerenityがPoWからPoSに移行することを見越して導入されたもので、このアップデートがEthereumコミュニティにとって非常に重要であることのもう一つの理由です。Casperとproof of stakeについての詳しい説明はこちらの記事をご覧ください。

Eth 2.0で解決される最後の大きな問題は、スピードと使いやすさです。これは、シャーディングによって解決されるスケーラビリティの問題と関連していますが、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スピードとスループットの最も大きなボトルネックが解消されるはずですが、もう一つのボトルネックはEthereum Virtual Machine(EVM)自体に起因します。EVMは基本的に、コードを実行し、ネットワークが正常に機能するためのEthereumの基礎構造です。EVMは、Ethereumネットワークの内部状態と、そのすべての計算に責任を負います。また、EVMは、残高などのアカウント情報、現在のガス価格、アドレス、ブロック情報などの正確性を確保します。さらに、マシンは以下のコンポーネントを追跡する必要があります。また、仮想マシンは、Solidity/Vyperで記述され、EVM独自のバイトコードにコンパイルされたすべてのEthereumスマートコントラクトを扱います。このコントラクトは、ネットワーク上の各ノードによって実行されます。

Ethereum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与えます。⁴ Eth 2.0が進めているこのボトルネックの解決策は、Ewasm(Ethereum wasm)と呼ばれています。ワズムは、W3C Community Groupのオープンスタンダードな命令セットで、現在、Google、Mozilla、Microsoft、Appleのエンジニアが開発を進めている。Ewasmは、スピードとスループットの向上に加えて、イーサリアムネットワークのセキュリティとユーザビリティを向上させ、他にもいくつかのメリットを授けます。Ewasmの詳細については、数週間以内に記事を公開する予定ですので、お楽しみに

Ethereum 2.0のさらなる目標Additional Goals of Eth 2.0

現在、私たちが知っているように、Ethereum 2.0は、現在のEthereum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、技術革新はこれだけにとどまりません。Serenityは、より一般的な設計目標をいくつか満たすためにも建設中です。CasperとShardingの導入により、多くの新しい複雑なシステムが発生するため、Eth 2.0の主な設計目標の1つは、多少の効率低下を招いたとしても、ネットワークの複雑さを可能な限り軽減することです。これは、シャーディング、Casper、Ewasmによって可能となったスループットと効率の大幅な向上が、これらのシステムによって必要とされる追加の複雑さを軽減するための効率のわずかな低下を凌駕するためである。もうひとつの主要な設計目標は、全体的にもトランザクションごとにも多くのバリデータの参加を可能にする暗号と設計技術を使用することである。同じく3つ目の目標は、一般消費者向けのノートパソコンで個々のシャードの処理と検証ができるシステムを作ることである。これらの目標は、ネットワークの安全性と分散性を確保するためのものである。

特定の問題を解決し、より一般的な問題に対処することに加えて、Serenityには、将来発生する可能性のある問題を想定して作成された2つの長期的な設計目標があります。1つ目は、大規模なパーティションが発生した場合や、非常に大きな割合のノードが同時にオフラインになった場合でも、ネットワークがライブ状態を維持できるようにリリースを設計することです。イーサリアムの開発者であるジャスティン・ドレイクは、Devcon 2018での講演で、チームがEth 2.0を「第三次世界大戦を生き抜く」ことができるようにしたいと考えていることや、最大80%のノードが一度にオフラインになるような同様の状況を想定していることを説明しました⁹ これは、他のそれほど極端ではない状況でも重要になります。例えば、気候変動に関連した1つ以上の大規模な災害が数時間以内にノードの大部分を破壊する可能性や、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の禁止を決定し、自国内のノードを排除しようとする可能性があります。

Eth 2.0が想定しているもうひとつの事態は、量子コンピューターの登場です。現在、米国や中国をはじめとする大国や企業の間で、量産型の量子コンピューターを最初に開発するという技術競争が続いています。現在、米国や中国をはじめとする大国や企業が、最初に量産型の量子コンピューターを開発するという技術競争を繰り広げています。量子コンピューターが実現すれば、従来の最先端のコンピューターよりも指数関数的に高い性能を発揮します。そうなると、暗号化やブロックチェーン技術など、既存のサイバーセキュリティのほとんどが無防備になり、簡単にハッキングされてしまいます。そのため、新しいブロックチェーンネットワークや将来のブロックチェーンネットワークでは、量子コンピュータの万が一の事態に備えて、(従来のバイナリコンピューティングの範囲内で)可能な限りの対策を講じることが重要です。Ethereumのgithub repoに記載されているEth 2.0の最終的な設計目標は、以下の通りです。”Eth2.0の最終的な設計目標は、Ethereumのgithub repoに記載されているように、「すべてのコンポーネントを、量子的に安全であるか、あるいは利用可能な場合には量子的に安全なものに簡単に交換できるように選択する」ことです。

Serenityに期待されることWhat to Expect From Serenity

これは非常にエキサイティングなことですが、Eth 2.0は実際にいつ稼働するのでしょうか?残念ながら、答えは…. のままで、わかりません! しかし、Devcon 2018での講演で、VitalikはSerenityが “本当にそう遠くない時期に登場する “と述べています。また、「Ethereum 2.0は……私たちが数年前から話し合って、数年前から研究して、数年前から積極的に構築してきたさまざまな機能を組み合わせたもので、それがようやく1つのまとまった全体になろうとしている」と説明しています¹⁰ William Subergは、”大きな発表 “の前に “最終的な調整 “を行うと書いており、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くらい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は、現在のEthereumのメインチェーンとは別に開発されており、最初はメインチェーンと並行して稼働することが分かっています。また、Eth 2.0がリリースされる際には、4つの連続したステージで展開されることもわかっています。フェーズ0では、ビーコンチェーンによるPoSシステムが採用されます。これはまだDappsをサポートしていませんが、次のフェーズのための基礎を築きます。フェーズ1では、Dappsをサポートし、データチェーンとしてShard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、ネットワークの状態は引き続き古いEthereumブロックチェーンに保存され、まだシャード化されていません。フェーズ2では、完全にシャード化され、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、Eth 2.0は上述の主要な機能をすべて備えています。各フェーズが実装されると、Eth 2.0は、完全シャード化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が約8~16秒に短縮され、10~20分で達成できる「経済的最終性」という特徴を持つようになると予想されています⁴ VitalikはSerenityを “The world computer as it’s really meant to be “と考えています。Eth 2.0のリリースを私と同じように楽しみにしていただければ幸いです。

参考記事special thanks

Special thanks to Aidan Hyman, Greg Markou and Cayman Nava for reviewing this article and making many valuable suggestions. Furthermore, this article would not have been possible without the work done by many other great writers and researchers in the space. Thanks to Michael Karnjanaprakorn, Darren Langley, William Suberg, Bisade Asolo, Justin Drake and of course Vitalik Buterin. Also thanks to the editors and content creators at Digiconomist and Cryptofacts.

  1. The Beginner’s Guide to Ethereum’s Roadmap.
    https://hackernoon.com/the-beginners-guide-to-ethereum-s-2020-roadmap-2ac5d2dd4881
  2. The Beginner’s Guide to Ethereum’s Roadmap.
    https://hackernoon.com/the-beginners-guide-to-ethereum-s-2020-roadmap-2ac5d2dd4881
  3. The Beginner’s Guide to Ethereum’s Roadmap.
    https://hackernoon.com/the-beginners-guide-to-ethereum-s-2020-roadmap-2ac5d2dd4881

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