イーサリアムの取引確認時間を改善するための実用的な方案の検討

近年、イーサリアムは取引確認速度において著しい進展を遂げました。EIP-1559の恩恵とPoSメカニズムへの移行により安定したブロック生成時間のおかげで、ユーザーがL1で送信する取引は通常5〜20秒以内に確認され、基本的にクレジットカードの支払い体験と同等です。しかし、ユーザー体験をさらに向上させることには価値があり、特定のアプリケーションではさらなるサブ秒レベルの応答時間が求められることもあります。本記事では、イーサリアムが取引確認速度を向上させるためのいくつかの実行可能なソリューションについて探ります。

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先行技術の概要

単スロット最終性

現在、イーサリアムのGasperコンセンサスはスロットとサイクルのアーキテクチャを採用しています。12秒ごとに1つのスロットがあり、一部の検証者がチェーンの先頭に投票します。32のスロット（6.4分）内で、すべての検証者が1回投票する機会があります。これらの投票は、類PBFTコンセンサスアルゴリズムにおけるメッセージとして解釈され、2つのサイクル（12.8分）後に強い経済的保証を提供する確定性を持ちます。

この方法には2つの主な問題があります。1つは複雑さが高く、スロット対スロット投票メカニズムと周期対周期の最終性メカニズムとの間に多くの相互作用の問題が存在することです。2つ目は、12.8分の最終確認時間が長すぎて、ユーザーの期待に合わないことです。

単一スロット最終性（SSF）は、Tendermintに似たメカニズムによってこのアーキテクチャを置き換え、ブロックNがブロックN+1が生成される前に最終確認に達することができます。SSFは「非アクティブ漏洩」メカニズムを保持しており、1/3を超えるバリデーターがオフラインであってもチェーンは引き続き動作し、復元することができます。

SSFの主な課題は、各ステーキング者が12秒ごとに2つのメッセージを発信する必要があり、これはチェーンにとって巨大な負荷です。最近のOrbit SSF提案のような緩和策がいくつかありますが、ユーザーは依然として取引の確認に5〜20秒待たなければなりません。

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ロールアップ事前確認

イーサリアムは近年、rollupを中心としたロードマップに従っており、L1をデータの可用性やその他の機能をサポートする基盤層として設計し、L2プロトコル（rollups、validiums、plasmasなど）が利用できるようにして、より大規模にユーザーにイーサリアムと同等の安全性を提供するサービスを提供しています。

これにより、イーサリアムエコシステム内での関心の分離が生じました：L1は検閲耐性、信頼性、安定性、そしてコア機能の維持と改善に焦点を当てています。一方、L2は異なる文化と技術を通じてユーザーにより直接的にサービスを提供します。しかし、L2はユーザーに5〜20秒よりも速い確認時間を提供したいと考えています。

理論的には、分散型ソートネットワークを作成するのはL2の責任です。小規模な検証者のグループが数百ミリ秒ごとにブロックに署名し、資産を担保としてステークする可能性があります。これらのL2ブロックのヘッダーファイルは最終的にL1に公開されます。

しかし、すべてのL2に分散型ソートを実装させることはあまり公平ではないように思えます。これは、ロールアップに対して新しいL1を作成するのとほぼ同じ作業を要求することに相当します。したがって、すべてのL2（およびL1）がエーテルの範囲内で基礎的な事前確認メカニズムを共有することを提案する人もいます：基礎事前確認。

基本事前確認

基礎的なプレ確認方法は、イーサリアムの提案者がMEVに関連する複雑な参加者であると仮定しています。この複雑性を利用するために、これらの提案者にプレ確認サービスを提供する責任を受け入れるように促します。

この方法は標準化されたプロトコルを作成し、ユーザーは追加料金を支払って取引が次のブロックに含まれる即時保証とその取引結果の実行に対する約束を得ることができます。提案者が約束を違反した場合、彼らは罰則に直面します。

このメカニズムはL1取引だけでなく、"エーテル"に基づくロールアップにも適用され、すべてのL2ブロックは実際にはL1取引であるため、同じメカニズムは任意のL2にプレ確認サービスを提供できます。

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未来可能のアーキテクチャ

単一スロットの最終性を実現し、Orbitのような技術を使用して各スロットに署名するバリデーターの数を減らし、十分な分散化を維持してステーキングのハードルを下げると仮定します。スロットの長さは16秒に増加する可能性があり、その後、ユーザーにより迅速な確認を提供するためにロールアップの事前確認または基盤の事前確認を使用します。最終的に得られるのは、周期-スロットアーキテクチャです。

このようなアーキテクチャが避けられない理由は、特定の事柄において大まかな合意に達するために必要な時間が、最大限の「経済的最終性」に達するために必要な時間よりもはるかに短いからです。その理由には、以下のようなものがあります：

1. "近似共識"は少数のノードで済みますが、経済的最終性には多数のノードの参加が必要です。
2. ノードの数がある規模を超えると、署名を収集するのに必要な時間が著しく増加します。

現在のイーサリアムでは、12秒のスロットは3つのサブスロットに分かれています：ブロックの公開と配布、証明、証明の集約。もし証明者の数を大幅に減らすことができれば、2つのサブスロットに減らし、8秒のスロット時間を実現できます。もし専門化されたノードのサブセットに依存して近似合意に達することができれば（同時に最終性を決定するために完全なバリデーターセットを使用し続ける）、時間を約2秒に短縮することも可能です。

したがって、周期-スロットアーキテクチャは避けられないようですが、異なる実装間には違いがあります。探求する価値のある方向性は、Gasperのように密接に結合するのではなく、2つのメカニズム間により強い関心の分離を確立することです。

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L2ポリシーの選択

L2には現在、3つの合理的な戦略があります：

1. 技術と理念の両方で「イーサリアム」に基づいています。これらのロールアップは「ブランドシャーディング」と見なすことができ、新しいバーチャルマシンの設計や他の技術的改善において多くの実験を行う可能性があります。

2. "ブロックチェーンの足場を持つサーバー"になる。STARKの有効性証明を追加し、ユーザーの退出権を保証し、集団選択をサポートすることなどによって、オンチェーンの大部分の利点を得ながら、サーバーの効率的な利点を保持する。

3. 妥協案：百のノードを持つ高速チェーンを構築し、同時にイーサリアムが提供する追加の相互運用性とセキュリティを活用します。これは多くのL2プロジェクトの現在の実際のロードマップです。

特定のアプリケーション（ENS、キー管理、一部の支払いプロトコルなど）に対しては、12秒のブロック時間で十分です。他のアプリケーションにとっては、唯一の解決策はサイクル-スロットアーキテクチャです。このアーキテクチャでは、"サイクル"はイーサリアムのSSFであり、"スロット"は異なる状況に応じて異なります。

1. イーサリアムのネイティブな周期-スロットアーキテクチャ
2. サーバープリ確認
3. 委員会による事前確認

重要な問題は、最初の提案がどれだけうまく機能するかです。もしそれが優れたパフォーマンスを示せば、3番目の提案の重要性は減少します。2番目の提案は常に存在します。なぜなら、すべての"エーテル"ベースの提案は、plasmasやvalidiumsのようなオフチェーンデータL2には適用できないからです。もしイーサリアムのネイティブなサイクル-スロットアーキテクチャがスロット時間を1秒に短縮できれば、3番目の提案のスペースは大幅に縮小します。

現在、私たちはこれらの問題の最終的な答えからまだ遠いです。重要な不確実性の一つは、ブロック提案者がどれほど複雑になるかです。Orbit SSFのような新しい設計は、周期-スロットアーキテクチャにおける周期としてOrbit SSFを使用するなど、私たちにより多くの探求の余地を提供します。私たちが持っているオプションが多ければ多いほど、L1およびL2ユーザーにより良いサービスを提供し、同時にL2開発者の作業を簡素化することができます。

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