イーサリアム（ETH）アップグレードの技術的特徴

はじめに

イーサリアムは、スマートコントラクトの実行を可能にする分散型プラットフォームであり、暗号資産としてのETH以外にも、DeFi（分散型金融）、NFT（非代替性トークン）など、様々なアプリケーションの基盤として利用されています。しかし、初期の設計上の課題から、スケーラビリティ問題、高いガス代、複雑なプログラミングといった問題点が指摘されてきました。これらの課題を解決するため、イーサリアムは継続的にアップグレードされており、その中でも特に重要なものが、コンセンサスアルゴリズムの変更を伴う「The Merge」や、スケーラビリティ向上を目指す「Sharding」などの取り組みです。本稿では、これらのアップグレードの技術的特徴について詳細に解説します。

1. イーサリアムの初期アーキテクチャと課題

イーサリアムは、当初Proof-of-Work（PoW）と呼ばれるコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWでは、マイナーと呼ばれる参加者が複雑な計算問題を解くことでブロックを生成し、ネットワークのセキュリティを維持します。しかし、PoWには、消費電力の高さ、トランザクション処理速度の遅さ、スケーラビリティの限界といった課題がありました。トランザクション処理速度が遅いため、ネットワークが混雑するとガス代が高騰し、DeFiなどのアプリケーションの利用を妨げる要因となっていました。また、PoWは、51%攻撃と呼ばれるセキュリティリスクも抱えており、悪意のある攻撃者がネットワークの過半数の計算能力を掌握した場合、トランザクションの改ざんや二重支払いを実行する可能性があります。

2. The Merge：Proof-of-Stake（PoS）への移行

これらの課題を解決するため、イーサリアムはコンセンサスアルゴリズムをProof-of-Stake（PoS）に変更する「The Merge」と呼ばれるアップグレードを実施しました。PoSでは、マイナーの代わりにバリデーターと呼ばれる参加者が、ETHを預け入れる（ステークする）ことでブロックを生成し、ネットワークのセキュリティを維持します。バリデーターは、預け入れたETHの量に応じてブロック生成の権利を得て、不正なトランザクションを検証することで報酬を得ます。PoSは、PoWと比較して、消費電力を大幅に削減し、トランザクション処理速度を向上させ、スケーラビリティを改善する効果が期待されています。The Mergeは、イーサリアムのエネルギー消費量を99.95%削減したと報告されています。

2.1 Beacon Chainの役割

The Mergeの実現には、Beacon Chainと呼ばれる新しいブロックチェーンが導入されました。Beacon Chainは、PoSコンセンサスアルゴリズムを管理し、バリデーターの登録、ステークされたETHの管理、ブロック生成の調整などを行います。The Merge以前は、PoWによるメインネットが存在し、Beacon Chainは並行して稼働していました。The Mergeによって、メインネットとBeacon Chainが統合され、PoSコンセンサスアルゴリズムがイーサリアム全体に適用されました。

2.2 スラッシングとフォークチョイス

PoSでは、バリデーターが不正な行為を行った場合、預け入れたETHが没収される「スラッシング」と呼ばれるペナルティが科せられます。スラッシングは、バリデーターが不正なトランザクションを承認したり、ネットワークのルールに違反したりした場合に適用されます。また、PoSでは、「フォークチョイス」と呼ばれる仕組みが採用されており、バリデーターは、最も長いチェーンを正しいチェーンとして認識し、そのチェーンに基づいてトランザクションを検証します。フォークチョイスは、ネットワークの分岐を防ぎ、コンセンサスを維持する役割を果たします。

3. Sharding：スケーラビリティ向上のための技術

The Mergeによってイーサリアムのスケーラビリティは改善されましたが、さらなるスケーラビリティ向上のためには、「Sharding」と呼ばれる技術の導入が不可欠です。Shardingは、データベースのシャーディング技術を応用したもので、イーサリアムのブロックチェーンを複数の「シャード」と呼ばれる小さなブロックチェーンに分割します。各シャードは、独立してトランザクションを処理し、ブロックを生成することができます。これにより、ネットワーク全体のトランザクション処理能力を大幅に向上させることができます。Shardingは、イーサリアムの将来的なスケーラビリティを支える重要な技術として期待されています。

3.1 データ可用性サンプリング

Shardingを実装する上で重要な課題の一つは、データ可用性の確保です。各シャードは、独立してトランザクションを処理するため、あるシャードのデータが利用できなくなった場合、そのシャードのトランザクションを検証できなくなります。この問題を解決するため、イーサリアムでは「データ可用性サンプリング」と呼ばれる技術が導入されています。データ可用性サンプリングでは、各バリデーターは、すべてのシャードのデータを検証するのではなく、ランダムに選択された一部のシャードのデータのみを検証します。これにより、バリデーターの負担を軽減し、データ可用性を確保することができます。

3.2 クロスシャード通信

Shardingを実装する上で、もう一つの課題は、シャード間の通信です。異なるシャード間でトランザクションを送信したり、データを共有したりする必要があります。この問題を解決するため、イーサリアムでは、クロスシャード通信のためのプロトコルが開発されています。クロスシャード通信プロトコルは、異なるシャード間でトランザクションを安全かつ効率的に送信することを可能にします。

4. その他のアップグレード

The MergeとSharding以外にも、イーサリアムは様々なアップグレードを実施しています。例えば、「EIP-1559」と呼ばれるアップグレードでは、トランザクション手数料の仕組みが変更され、ガス代の予測可能性が向上しました。また、「London Hard Fork」と呼ばれるアップグレードでは、EIP-1559が実装され、スマートコントラクトのセキュリティを向上させるための機能が追加されました。これらのアップグレードは、イーサリアムの機能性とセキュリティを向上させ、より多くのアプリケーションの基盤として利用されることを可能にしています。

5. 今後の展望

イーサリアムは、The MergeとShardingの完了に向けて、継続的に開発が進められています。Shardingの実装には、まだ多くの技術的な課題が残されていますが、イーサリアムの開発コミュニティは、これらの課題を解決するために精力的に取り組んでいます。Shardingが完了すれば、イーサリアムは、VisaやMastercardなどの既存の決済システムと同等のトランザクション処理能力を持つようになると期待されています。また、イーサリアムは、DeFi、NFT、メタバースなど、様々な分野での応用が期待されており、Web3の基盤となる重要なプラットフォームとしての役割を担っていくと考えられます。

まとめ

イーサリアムは、初期の設計上の課題を克服するために、継続的にアップグレードされています。The MergeによるPoSへの移行は、エネルギー消費量を削減し、トランザクション処理速度を向上させました。Shardingは、さらなるスケーラビリティ向上を目指す重要な技術であり、イーサリアムの将来的な成長を支えると考えられます。これらのアップグレードを通じて、イーサリアムは、より安全で、効率的で、スケーラブルな分散型プラットフォームへと進化し、Web3の基盤となる重要な役割を担っていくでしょう。