イーサリアム（ETH）のネットワーク改善を支える技術まとめ

イーサリアムは、分散型アプリケーション（DApps）を構築するための基盤となるブロックチェーンプラットフォームであり、そのネットワークの改善は、スケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性の向上に不可欠です。本稿では、イーサリアムネットワークの改善を支える主要な技術について、詳細に解説します。

1. スケーラビリティ問題とレイヤー2ソリューション

イーサリアムの初期の課題の一つは、スケーラビリティ問題でした。トランザクション処理能力が限られていたため、ネットワークの混雑時にはガス代が高騰し、DAppsの利用が困難になる状況が発生していました。この問題を解決するために、様々なレイヤー2ソリューションが開発されています。

1.1. ロールアップ

ロールアップは、複数のトランザクションをまとめてオフチェーンで処理し、その結果をイーサリアムメインチェーンに記録することで、スケーラビリティを向上させる技術です。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの主要なタイプがあります。

1.1.1. Optimistic Rollup

Optimistic Rollupは、トランザクションが有効であると仮定し、不正なトランザクションがあった場合に、チャレンジメカニズムによって検証を行います。ArbitrumやOptimismなどが代表的なOptimistic Rollupです。比較的実装が容易である一方、不正なトランザクションの検証に時間がかかるというデメリットがあります。

1.1.2. ZK-Rollup

ZK-Rollupは、ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）を用いて、トランザクションの有効性を証明します。これにより、不正なトランザクションを即座に検出し、検証時間を短縮することができます。zkSyncやStarkNetなどが代表的なZK-Rollupです。高いセキュリティとスケーラビリティを実現できる一方、実装が複雑であるという課題があります。

1.2. サイドチェーン

サイドチェーンは、イーサリアムメインチェーンとは独立したブロックチェーンであり、独自のコンセンサスアルゴリズムを使用することができます。Polygon（旧Matic Network）などが代表的なサイドチェーンです。高速なトランザクション処理と低いガス代を実現できる一方、セキュリティがイーサリアムメインチェーンに依存するというデメリットがあります。

1.3. ステートチャネル

ステートチャネルは、当事者間で直接トランザクションを交換し、最終的な結果のみをイーサリアムメインチェーンに記録することで、スケーラビリティを向上させる技術です。Raiden Networkなどが代表的なステートチャネルです。特定のDAppsに特化した利用に適している一方、参加者のオンライン状態が必須であるという制約があります。

2. コンセンサスアルゴリズムの進化：プルーフ・オブ・ステーク（PoS）

イーサリアムは、当初プルーフ・オブ・ワーク（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。しかし、PoWは、膨大な電力消費とスケーラビリティ問題を引き起こすため、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行が決定されました。2022年9月15日に実施された「The Merge」によって、イーサリアムはPoSに移行しました。

2.1. PoSの仕組み

PoSでは、トランザクションの検証者（バリデーター）は、イーサリアム（ETH）を預け入れる（ステークする）ことで選出されます。バリデーターは、トランザクションを検証し、ブロックを生成することで報酬を得ることができます。不正なトランザクションを検証した場合、ステークしたETHの一部を没収される可能性があります。

2.2. PoSのメリット

PoSは、PoWと比較して、電力消費を大幅に削減し、スケーラビリティを向上させることができます。また、PoSは、51%攻撃のリスクを軽減し、ネットワークのセキュリティを向上させることができます。

3. イーサリアム仮想マシン（EVM）の改善

イーサリアム仮想マシン（EVM）は、イーサリアム上でスマートコントラクトを実行するための仮想マシンです。EVMの改善は、スマートコントラクトの実行効率とセキュリティの向上に不可欠です。

3.1. EVMのバージョンアップ

EVMは、定期的にバージョンアップされており、新しい機能の追加やパフォーマンスの改善が行われています。例えば、EVMの最新バージョンであるEVM Shanghaiは、新しいopcodeの追加やガス代の最適化など、様々な改善が含まれています。

3.2. EVM互換性

EVM互換性は、他のブロックチェーンプラットフォームがEVMと同じようにスマートコントラクトを実行できることを意味します。EVM互換性を持つプラットフォームは、イーサリアムのDAppsを容易に移植することができ、相互運用性を高めることができます。

4. シャーディング

シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャード（断片）に分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理することで、スケーラビリティを向上させる技術です。イーサリアムのシャーディングは、現在開発が進められており、将来的にネットワークの処理能力を大幅に向上させることが期待されています。

4.1. シャーディングの仕組み

シャーディングでは、各シャードが独自のトランザクション履歴と状態を保持します。トランザクションは、特定のシャードに割り当てられ、そのシャード内で処理されます。各シャードは、独立してブロックを生成し、検証することができます。シャーディングによって、ネットワーク全体の処理能力を向上させることができます。

4.2. シャーディングの課題

シャーディングは、実装が複雑であり、セキュリティ上の課題も存在します。例えば、クロスシャードトランザクション（異なるシャード間のトランザクション）の処理や、シャード間のデータの整合性の維持などが課題となります。

5. その他の技術

上記以外にも、イーサリアムネットワークの改善を支える様々な技術が存在します。

5.1. EIP（Ethereum Improvement Proposals）

EIPは、イーサリアムの改善提案であり、コミュニティによって議論され、承認されたものが実装されます。EIPは、イーサリアムの進化を方向付ける重要な役割を果たしています。

5.2. 形式検証

形式検証は、スマートコントラクトのコードを数学的に検証し、バグや脆弱性を検出する技術です。形式検証を用いることで、スマートコントラクトのセキュリティを向上させることができます。

5.3. 監視ツールと分析ツール

イーサリアムネットワークの監視ツールと分析ツールは、ネットワークの状態を監視し、パフォーマンスを分析するために使用されます。これらのツールは、ネットワークのボトルネックを特定し、改善策を講じるために役立ちます。

まとめ

イーサリアムネットワークの改善は、スケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性の向上に不可欠です。レイヤー2ソリューション、PoSへの移行、EVMの改善、シャーディングなど、様々な技術が開発され、実装されています。これらの技術は、イーサリアムをより強力で信頼性の高いプラットフォームへと進化させ、DAppsの普及を促進することが期待されます。イーサリアムの開発は現在も進行中であり、今後も新たな技術が登場し、ネットワークの改善が進んでいくでしょう。