ほぼすべての開発者が KZG セレモニーに参加し、リツイートしていることに気づいたかもしれませんが、KZG セレモニーとは何でしょうか?

簡単に言えば、KZG セレモニーは EIP-4844 KZG コミットメントの信頼設定であり、EIP-4844 は Ethereum フルシャーディングのプレリリースです。

1. シャーディング: イーサリアムのスケーリングに対する長期的な解決策

  • ロールアップは実行層から Ethereum をスケーリングしますが、シャーディングはデータの可用性の観点から Ethereum のスケーラビリティと容量を向上させます。

  • 以下のトレンド チャートは、ここ数年の Ethereum の急速なイテレーションにもかかわらず、平均ブロック サイズが 90kb 前後で変動していることを示しています。ロールアップによってネットワークの混雑は大幅に緩和されますが、全体的なパフォーマンスは依然としてレイヤー 1 のデータ ストレージ容量によって制限されています。

  • セキュリティと実装の複雑さを考慮して、シャーディングはプロトダンクシャーディングとダンクシャーディングを含む複数のフェーズに分割されます。プロセス全体には数年かかる場合があります。

  • 現在のストレージ スキーマでは、ノードとして参加できる高性能ハードウェアはごくわずかです。シャーディングの実装後、ノードは履歴データの全コンテンツを保存する必要がなくなり、ノードになるためのしきい値を下げることで Ethereum のセキュリティを活用できます (データ ストレージ コストの低減と分散化の度合いの向上)。

2. EIP-4844: 注目すべき短期的リターン、イーサリアムのフルシャーディングのプレリリース

EIP-4844 = プロトダンクシャーディング；

シャーディングの完全な実装はまだ複雑すぎて何年もかかる可能性があるため、プロトダンクシャーディングは短期的に Ethereum の混雑を軽減するための最善の中間計画です。

2.1 プロトダンクシャーディングのまとめ

Proto-Danksharding では、BLOB 搬送トランザクションと呼ばれる新しいトランザクション タイプが導入されています。この更新の恩恵を受けて、ロールアップは「BLOB」を使用してデータを L1 に転送し、比較的低コストで一時的に保存できます。BLOB のサイズは、現在の calldata よりもはるかに大きくなります。

blobについて：

  • 各トランザクションは最大2つのBLOBを運ぶことができる

  • 各ブロックには通常 8 個の BLOB が含まれており、その容量は 1 MB です。

ブロックには 16 個の BLOB を保存でき、ブロック サイズは 2 MB になります。

  • BLOB は calldata のような履歴ログとして永続的に保存されるわけではありません。

  • プロトダンクシャーディングの設計では、ノードは依然として完全なデータコンテンツをダウンロードし、データの可用性を確認する必要があります。

2.2 BLOB 転送トランザクションの詳細

機能性

データ BLOB の機能は calldata に似ており、ロールアップがトランザクション データと証明を L1 に転送できるようになります。

料金

ブロブの本来の目的は、ロールアップで高い TPS をサポートすることです。オンチェーン ストレージを使用する calldata と比較すると、これらのデータ ブロブはダウンロードされ、一定期間保存されるだけです。したがって、データの可用性を確保するためのロールアップのガス消費量は、予想どおり低くなります。

容量

各 BLOB のサイズは 125kB です。

2.3 ブロブ搬送トランザクションの価値と課題

価値

ブロブの出現により、トランザクション データが一種のキャッシュとなり、ノードのストレージ ハードウェア要件がさらに低下し、Ethereum に追加のデータ ストレージが提供されることでガス料金が削減されることは間違いありません。

チャレンジ: ハードウェア要件を計算してみましょう

実際のところ、現在のブロックサイズは約90kBですが、ブロブのサイズは125kBに達する可能性があります。

EIP-4844 の設計によれば、各スロットのサイズは通常 1 MB であり、合計データ サイズは次のように計算できます。

1 MB/ブロック * 5 ブロック/分 * 43,200 分/月 * 12 か月/年 = 2.47 TB/年

年間データ増加量は Ethereum の総データ量をはるかに上回っていることは明らかであり、この単純なデータ保存計画は効率的ではないことが推測されます。

何を最適化できますか?

短期的には、各ノードは履歴データの完全な内容を保存する必要がありますが、コンセンサス層は、BLOB データが一定期間 (30 日または 1 年、未定) で削除されるというスキームで実装されています。

長期的な利益のためには、ノードが完全なデータを保存する必要がなくなることを示す EIP-4444 を実装する必要があります。代わりに、いわゆる履歴有効期限スキームを参照して、ノードが一定期間データの一部のみを保存できるようにする新しいメカニズムが採用されています。

2.4 KZGのコミットメント

KZGコミットメントは、EIP-4844プロトダンクシャーディングで採用された多項式コミットメント方式である。

KZG セレモニーは、30,000 人を超える参加者を集める KZG コミットメントの信頼を確立するプロセスです。

2.4.1 KZGコミットメントとは何か

KZG は、2010 年に多項式コミットメント論文「Constant-Size Commitments to Polynomials and Their Applications」を発表した Aniket Kate、Gregory M. Zaverucha、Ian Goldberg の略称です。KZG コミットメントは、plonk スタイルの zk-snark プロトコルで広く適用されています。

Dankrad 氏のプレゼンテーションの図を参照すると、KZG ルートは Merkle ルートに似ていますが、KZG ルートは多項式にコミットし、すべての位置がこの多項式上に配置される点が異なります。プロトダンクシャーディングのシナリオに基づいて、KZG ルートはデータ セットにコミットし、すべてのデータ ポイントをセット全体の一部として検証できます。

KZGコミットメントが内部でどのように機能するかを簡単に説明します

  • 証明者: コミットメントの計算を担当します。セキュリティ上の理由から、証明者は指定された多項式を変更することはできず、コミットメントは現在の多項式に対してのみ有効です。

  • 検証者: 証明者から送信されたコミットメントを検証する責任があります。

2.4.2 KZGセレモニー（信頼できるセットアップ）

KZGセレモニーのプロセス

誰でも KZG セレモニーの参加者として参加し、秘密を提供できます。新しく追加された秘密は以前の出力と混合されて新しい結果を形成し、最終的に KZG コミットメント トラスト セットアップ用の SRS が生成されます。(Vitalik が提供した図を確認すると理解が深まります)

信頼の設定

  • KZG セレモニーは、power-of-tau と呼ばれる、広く使用されている複数参加者の信頼設定です。

  • このセットアップは 1-of-N 信頼モデルに従います。つまり、最終的なセットアップを生成するプロセスに何人の参加者が貢献したとしても、1 人が自分の秘密を保持している限り、セットアップの有効性が保証されます。

KZG式典の意義

  • KZGコミットメントの信頼設定の値は、次のように解釈できます。暗号化プロトコルの実行ごとに必要なパラメータを生成する

  • 証明者がコミットメントを計算すると、KZG コミットメント C = f(s)g1 となります。ここで、f は評価関数、s は KZG 信頼セットアップの最終結果です。したがって、現在の KZG セレモニーによって生成される最終的な秘密は、次のシャーディングの実装にとって重要です。

2.4.3 KZGコミットメントの利点

  • 料金

  • KZG コミットメントは複雑さが低く、効率的に検証できます。

  • 追加の証明は必要ないため、コストが削減され、帯域幅の要件が緩和されます。

  • ポイント評価プリコンパイルを利用することでさらにコストを削減します。

  • 安全

  • 障害が発生した場合、現在のコミットメントに対応する BLOB のみが感染し、それ以上の連鎖効果はありません。

  • 互換性

  • KZG のコミットメントは DAS にとってより友好的であり、開発における冗長性を回避します。

2.5 EIP-4844の利点

巻き上げる

下の図に示すように、rollup は calldata を通じて KZG コミットメントの状態デルタとバージョン付きハッシュを送信する必要があります (zk-rollup は zkp をアップロードする必要があります)。

EIP-4844 の実装後、高価な calldata は状態デルタやコミットメントなどの小さなデータのみを運び、トランザクション バッチなどの大きなデータは BLOB に格納されます。

  • コストを削減する;

  • ブロックストレージスペースの使用量を削減します。

セキュリティの向上

  • データの可用性: Blob は、Ethereum L1 と同じセキュリティを共有するビーコン チェーンに保存されます。

  • 履歴データ: ノードは BLOB を一定期間のみ保存し、レイヤー 2 ロールアップは永続的なデータ ストレージを担当します。これは、履歴データのセキュリティがロールアップに依存していることを示しています。

料金

BLOB 搬送トランザクションの低コスト機能により、全体のコストを 10 倍から 50 倍に最適化できます。

一方、EIP-4844はブロブ料金を導入する。

  • Gas と blob には、個別に調整可能なガス価格と制限があります。

  • ブロブの価格単位はガスであり、ガス量はネットワークトラフィックに応じて変動し、各ブロックが運ぶ数（平均8）を維持することを目的としています。

プリコンパイルの実装

EVM 実行では、証明者によって生成された BLOB のコミットメントのみを表示でき、BLOB データに直接アクセスすることはできません。したがって、ロールアップでは、コミットメントの有効性を検証するためにプリコンパイル スキームを使用する必要があります。

EIP-4844には2つのプリコンパイルアルゴリズムが記載されている。

  • ポイント評価のプリコンパイル

  • 複数のコミットメントが同じデータセットにコミットされていることを証明します。

  • ポイント評価プリコンパイルは主にzk-rollupで採用されており、ロールアップはKZGコミットメントとzk-rollupコミットメントの2つのコミットメントを提供する必要がある。

  • 楽観的ロールアップに関しては、そのほとんどが複数ラウンドの不正防止を採用しており、最終ラウンドの不正防止ではデータサイズが小さくなるため、ポイント評価プリコンパイルも低コストで使用できます。

  • BLOB検証プリコンパイル

  • バージョン付きハッシュが対応するBLOBに対して有効であることを証明する

  • 楽観的ロールアップでは、不正防止を送信するときに完全なデータにアクセスする必要があるため、バージョン付きハッシュの有効性を検証してから不正防止検証を行うのが合理的です。

3. Danksharding: 完全なシャーディングに向けた重要なステップ

スケーリング

データ BLOB を導入する proto-danksharding の新しいトランザクション タイプ設計のおかげで、各ブロックに 1 MB の追加キャッシュが追加されました。この数は、danksharding の実装後に 16 ～ 32 倍に増加します。

データの可用性: 高性能なデータ保存と検証

ノードが履歴データの完全なコンテンツを保存する必要のあるプロト ダンクシャーディングと比較すると、ダンクシャーディングではノードがサンプリング後のデータのみを保存できます。

ザ

消失訂正符号技術を活用することで、danksharding 提案では、ノードがデータの損失を発見しやすくなります (各ノードはデータの一部をダウンロードするだけで済みます)。

セキュリティ: ほぼ同じ

ノードは履歴データの完全な内容を保存する必要がなくなったため、セキュリティは単一のノードのみによってサポートされるのではなく、データの一部を保存し、さらに構成して完全なデータを回復できる複数のノードに依存します。

単一ポイント依存方式は複数ポイント依存方式よりも安全ですが、Ethereum ネットワーク内のノードの数は十分すぎるほど多く、データの可用性を確保するという目標を達成するのに適しています。

新たな課題：ブロックビルダーに対する要求の高まり

バリデーターは完全なデータの一部のみをダウンロードして保存しますが、ブロック ビルダーは、すべてのトランザクション データを含む BLOB であるデータの完全なコンテンツをアップロードする必要があります。

Dankrad のスライドの図によると、もともと MEV 対策として設計された PBS (プロポーザ/ビルダー分離) が、ブロック構築時の帯域幅要件の削減にどのように役立つかがわかります。

4. 別のシャーディング方式: Shardeum の動的状態シャーディング

Shardeum は EVM 互換の L1 ブロックチェーンであり、動的な状態シャーディングを使用してスケーラビリティとセキュリティを向上させます。また、Shardeum ネットワークは、より高いレベルの分散化を確保できます。

動的状態シャーディング

利点

動的ステートシャーディングの最も直感的な利点は、線形スケーリングです。各ノードは異なるアドレス範囲を保持し、ノードがカバーするアドレス間には大きな重複があります。シャーディングアルゴリズムはノードを動的にグループ化します。つまり、Shardeumネットワークに新しく追加されたノードはすぐに動作してTPSを向上させます。

実装

動的状態シャーディングの実装は、静的シャーディングよりも複雑です。Shardeum の技術チームは、シャーディング技術を深く研究してきました。Shardeum チーム (旧 Shardus テクノロジー) がこれまでに達成した研究開発の成果も大きく貢献しており、開発の初期段階で動的状態シャーディングの線形スケーリングを示すことができます。

まとめ

製品

分割統治の考え方を参考に、Shardeum の動的状態シャーディングは計算とストレージのワークロードを分割し、より高いレベルの並列化を可能にします。そのため、ネットワークはより多くのノードを収容でき、スループットと分散化のレベルがさらに向上します。

チーム

Shardeum チームは、強力なマーケティング経験とナラティブ能力を備えています。また、特に動的ステート シャーディングなどの技術的な詳細についても深い理解を持っています。

テクノロジー

技術チームは、シナリオの理解に基づいて適切なシャーディング スキームと効率的なコンセンサス アルゴリズム (Proof of Stake + Proof of Quorum) を設計することができ、スケーリングとスループットを第一に考慮し、セキュリティと分散化のレベルを可能な限り確保します。

進捗

Betanet は 2023–02–02 に開始されました。

5. 見通し

  • シャーディングは、Ethereum の長期的なスケーリング ソリューションであり、ネットワーク全体にとって大きな価値と深い意味を持っています。シャーディングの実装は反復プロセスであるため、細心の注意を払う必要があります。proto-danksharding や danksharding を含む現在のすべての提案は、アップグレード/変更できます。

  • シャーディングを実装する一般的な方法を理解することは重要ですが、その過程で生まれるPBS、DAS、多次元手数料市場などの技術的提案も注目に値します。これらのスキームには、多くの優れたプロジェクトが付随する可能性があります。

  • シャーディングは、一連のスケーリング技術を表す一般的な用語であり、特定のシナリオに応じてさまざまな適用スキームがあることを知っておくことが重要です。たとえば、danksharding の設計は Ethereum にのみ適合する可能性があり、ネットワーク内の膨大な数のノードによってセキュリティを保証する必要があるため、他の L1 に適用すると悪影響が生じる可能性があります。

  • シャーディングと他のスケーリング ソリューションを合理的に組み合わせることで、相乗効果が得られます。現在の danksharding 提案は単独では機能しません。代わりに、ロールアップと danksharding が相互に補完し合い、Ethereum のスケーラビリティと容量をさらに向上させます。

参照

https://notes.ethereum.org/@dankrad/kzg_commitments_in_proofs

https://notes.ethereum.org/@dankrad/new_sharding

https://vitalik.ca/general/2022/03/14/trustedsetup.html

https://notes.ethereum.org/@vbuterin/proto_danksharding_faq#Why-use-the-hash-of-the-KZG-instead-of-the-KZG-directly

https://ethresear.ch/t/easy-proof-of-equivalence-between-multiple-polynomial-commitment-schemes-to-the-same-data/8188

https://dankradfeist.de/ethereum/2020/06/16/kate-polynomial-commitments.html

https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-4844

https://www.eip4844.com/

https://biquanlibai.notion.site/Data-Availability-caa896aae59d489b98f2448f17b01640

https://ethresear.ch/t/a-design-of-decentralized-zk-rollups-based-on-eip-4844/12434

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