AvailabilityEIP4844Scaling

ブロックチェーンスケーリングのためのデータ可用性ソリューション：包括的分析

投稿者: Researcher•

データ可用性はブロックチェーンスケーリングにおける重要な課題として浮上しています。この記事では、EthereumのEIP-4844からCelestiaのような専用DAレイヤーまで、データ可用性のボトルネックに対処する現在のソリューションについて、技術的アプローチ、トレードオフ、そして広範なブロックチェーンエコシステムへの影響を詳細に分析します。

データ可用性の課題の概要

ブロックチェーンシステムにおいて、「データ可用性」とはブロックに含まれるすべてのトランザクションデータがネットワーク参加者に実際に利用可能であることを保証することを指します。この一見シンプルな要件はブロックチェーンのセキュリティの基盤であり、ネットワークがスケールしようとするとますます課題となります。

データ可用性が重要な理由

データ可用性が重要なのは以下の理由からです：

  1. 検証要件：ノードは状態遷移を検証しネットワークの整合性を確保するためにトランザクションデータへのアクセスが必要です。

  2. 不正証明の依存性：オプティミスティックシステムでは、無効なトランザクションが発生した場合に不正証明を構築するためにデータにアクセスできる必要があります。

  3. 検閲耐性：データ可用性の保証がなければ、データを隠すことによってトランザクションが事実上検閲される可能性があります。

  4. スケーリングのボトルネック：スループットが増加するにつれて、伝播および保存されるべきデータも増加し、スケーリングの制限を生み出します。

zkSyncのCEOであるAlex Gluchowskiが述べたように：「データ可用性は究極のスケーリングボトルネックです。ZK証明によって計算がどれだけ高速になっても、データを投稿する場所が必要です。」

スケーリングのトリレンマとデータ可用性

ブロックチェーンスケーリングのトリレンマは、ブロックチェーンが分散化、セキュリティ、スケーラビリティの間で妥協しなければならないということを示唆しています。データ可用性はこのトリレンマの中心に位置しています：

  • オンチェーンデータ：最高のセキュリティを持つが、スケーラビリティは限定的
  • オフチェーンデータ：より良いスケーラビリティを持つが、セキュリティや中央集権化の懸念がある
  • 専門化されたDAレイヤー：モジュラー設計を通じて3つの次元すべてを最適化しようとする試み

データ可用性アプローチの進化

伝統的なオンチェーンアプローチ

BitcoinやEthereum（シャーディング以前）のような第一世代のブロックチェーンでは、データ可用性へのアプローチは単純明快でした：

  1. すべてのトランザクションデータがブロックに含まれる
  2. すべてのフルノードがすべてのブロックをダウンロードして検証する
  3. 誠実なノードがコピーを保持している限り、データは利用可能な状態を維持する

このアプローチは強力なセキュリティ保証を提供しますが、ノードに大きなハードウェア要件を課し、すべてのデータがすべてのノードによって処理されなければならないためスループットを制限します。

スケーリングソリューションとデータの課題

スケーリングソリューション、特にレイヤー2フレームワークが登場するにつれて、データ可用性に対するさまざまなアプローチが発展しました：

ロールアップ

ロールアップはトランザクションをオフチェーンで実行しますが、データをオンチェーンに投稿し、主に次の2つのバリアントがあります：

  • オプティミスティックロールアップ：すべてのトランザクションデータをオンチェーンに投稿し、不正証明に依存
  • ZKロールアップ：圧縮されたトランザクションデータと有効性証明をオンチェーンに投稿

ValidiumとPlasma

これらのソリューションは計算とデータの両方をオフチェーンに移動します：

  • Validium：セキュリティのために有効性証明を使用するが、データはオフチェーンに保存
  • Plasma：不正証明を伴う出口メカニズムを使用し、データはオフチェーンに保存

データ可用性委員会（DACs）

一部のスケーリングソリューションは、データ可用性を保証するために信頼された委員会を使用します：

  • 選ばれた一群の事業体がデータを維持し、その可用性を証明する
  • より中央集権的だが、潜在的により効率的
  • StarkExのvalidiumモードのようなソリューションで使用される

主要なデータ可用性ソリューション

EIP-4844（プロト・ダンクシャーディング）

2024年3月のDencunアップグレードで実装されたEthereumのEIP-4844は、ロールアップのためのデータ可用性に対処するために特別に設計された「blob」トランザクションを導入しました。

技術的実装

EIP-4844はいくつかの重要なコンポーネントを導入しています：

  • Blobトランザクション：大きなデータ「blob」（Binary Large OBject）を含む新しいトランザクションタイプ
  • 一時的ストレージ：blobは限られた期間（〜18日間）コンセンサスノードによって保存される
  • KZGコミットメント：blobの効率的な検証を可能にする暗号学的コミットメント
  • データ可用性サンプリング：ノードがすべてのデータをダウンロードせずに可用性を検証できるようにする

エコシステムへの影響

EIP-4844の実装は以下のような重要な効果をもたらしました：

  • コスト削減：Ethereumでのデータ投稿コストを約10分の1に削減
  • ロールアップへの恩恵：Arbitrum、Optimism、zkSyncのようなロールアップに直接恩恵をもたらした
  • スケーラビリティの向上：セキュリティを損なうことなくEthereumのデータスループットを増加させた
  • ダンクシャーディングへの道：完全なダンクシャーディングへの第一歩として機能する

Vitalik Buterinが述べたように：「EIP-4844は、物事をシンプルに保ちながら、calldataよりもはるかに安価なロールアップのためのデータの専用スペースを提供するように設計されています。」

専用データ可用性レイヤー

Celestia

Celestiaは、2023年10月にメインネットを立ち上げ、データ可用性専用に設計された最初のブロックチェーンです。

技術的アーキテクチャ

Celestiaはいくつかの革新的アプローチを実装しています：

  • データ可用性サンプリング（DAS）：ライトノードがサンプリングによってデータ可用性を検証できるようにする
  • 名前空間付きマークルツリー（NMTs）：特定のデータ部分の効率的な証明を可能にする
  • イレイジャーコーディング：部分が欠落していてもデータを再構築できることを保証する
  • PoSコンセンサス：データ可用性証明を伴うプルーフオブステークをコンセンサスに使用
ユースケースと統合

Celestiaは複数のユースケースに対応しています：

  • ソブリンロールアップ：独自のバリデータセットを持つロールアップにDAを提供
  • 決済レイヤー：Eclipse、AltLayer、Radiusのような決済レイヤーを強化
  • モジュラーブロックチェーン：完全にモジュラーなブロックチェーンアーキテクチャを可能にする

Polygon Avail

Polygon Availは、Polygonエコシステム内の特化したデータ可用性レイヤーです。

技術的アプローチ

Availはいくつかの重要な技術を採用しています：

  • Kate-Zaverucha-Goldberg（KZG）コミットメント：効率的なデータ検証のため
  • データ可用性サンプリング：Celestiaと同様に、ライトクライアントが可用性を検証できるようにする
  • アプリケーション固有のデータレイアウト：さまざまなユースケースに最適化されたデータ編成
  • ブリッジネットワーク：複数のブロックチェーンエコシステムへの接続
現在の状況

2024年5月現在、Polygon Availは：

  • テストネットで稼働中
  • いくつかのテストネットアプリケーションをサポート
  • メインネット立ち上げの準備中
  • 複数のレイヤー2ソリューションと統合中

EigenDA

EigenDAは、Ethereum上に構築された分散型データ可用性サービスで、特にロールアップ向けに設計されています。

技術的実装

EigenDAはいくつかの革新的なコンポーネントを使用しています：

  • 分散型バリデータ技術（DVT）：分散型データ証明のため
  • リステーキング：ネットワークを保護するために他の場所でステーキングされたETHを活用
  • 反相関スラッシング：高度な暗号経済セキュリティモデル
  • モジュラー設計：ブロック生成、データ可用性、決済を分離
エコシステム統合

EigenDAは以下と統合されています：

  • 複数のロールアップソリューション
  • より広範なEthereumリステーキングエコシステム
  • その他のモジュラーブロックチェーンコンポーネント

データ可用性サンプリング（DAS）

データ可用性サンプリングは、ノードがブロック全体をダウンロードせずにデータ可用性を確認できるようにする暗号技術です。

技術的メカニズム

DASはいくつかのステップで機能します：

  1. イレイジャーコーディング：データは元のデータの一部から再構築できるようにエンコードされる
  2. ランダムサンプリング：ノードはデータのランダムサンプルをリクエストする
  3. 確率分析：十分なサンプルがあれば、ノードはデータが利用可能であることを統計的に確信できる
  4. 不正証明：データが利用できない場合、証明を生成できる

様々なソリューションでの実装

DASは以下で実装されています：

  • Celestia（コア技術）
  • EIP-4844（blob検証の一部）
  • Polygon Avail（Celestiaに類似）
  • Near（Nightshadeシャーディング設計内）

データ可用性ソリューションの比較分析

セキュリティモデルの比較

ソリューションセキュリティモデル信頼の前提攻撃耐性
EIP-4844コンセンサスベースEthereumコンセンサスセキュリティ高（Ethereumのセキュリティを継承）
Celestiaデータ可用性サンプリング + PoS>2/3の誠実なバリデータ中〜高（バリデータの誠実さが必要）
Polygon AvailKZGコミットメント + DASCelestiaに類似中〜高（バリデータセットに基づく）
EigenDA分散検証 + リステーキングリステーキングからの経済的セキュリティ中（より新しく、戦場での検証が少ない）
DACs委員会による証明信頼された委員会の誠実さ低め（委員会が共謀する可能性）
オンチェーン（伝統的）フルノード検証>50%の誠実なハッシュパワー/ステーク最高（最も分散化）

コストとパフォーマンスの比較

ソリューションMBあたりのコストトランザクションスループットファイナリティ時間ストレージ期間
EIP-4844~$0.03-0.05/MBブロックあたり~2 MB~12分~18日
Celestia~$0.002-0.005/MBブロックあたり~10 MB~15秒永続
Polygon Avail~$0.001-0.003/MB（推定）ブロックあたり~5-15 MB~2秒永続
EigenDA~$0.01-0.02/MB可変決済によって異なる可変
Ethereum Calldata~$0.30-0.50/MBブロックあたり~1.5 MB~12分永続
Validiums (DACs)~$0.0001-0.001/MB可変可変永続（委員会あり）

統合とエコシステムの比較

ソリューション現在の統合統合の容易さ相互運用性開発者サポート
EIP-4844Optimism, Arbitrum, Base, zkSync高（Ethereumスタンダード）Ethereumに焦点高（成熟したドキュメント）
CelestiaEclispe, Radius, dYmension, Neutron中（より新しいプロトコル）IBCを介したクロスチェーン中〜高（成長中）
Polygon Availテストネットアプリケーション中Polygonに焦点、ブリッジあり中（開発中）
EigenDA進行中（アルファ）中〜低（複雑）Ethereumエコシステム低〜中（初期段階）
DACsStarkEx, Immutable X低（カスタム実装）限定的低（独自）

トレードオフと考慮事項

セキュリティ vs. スケーラビリティ

データ可用性ソリューションはセキュリティとスケーラビリティのバランスを取る必要があります：

  • オンチェーンデータ可用性は最強のセキュリティ保証を提供しますが、スループットは限られています
  • 専門的なDAレイヤーは暗号技術を用いて両方を最適化しようとします
  • DACsを伴うオフチェーンソリューションは高いスケーラビリティを提供しますが、より強い信頼の前提が必要です

分散化 vs. 効率性

分散化と効率性の間には本質的な緊張関係があります：

  • 完全オンチェーンDAは最も分散化されていますが、最も効率が悪い
  • DACsはより効率的ですが、中央集権化のリスクをもたらす
  • DASベースのソリューションは効率性を向上させながら分散化を維持しようとする

永続性 vs. コスト

異なるソリューションはデータの永続性に関して異なるトレードオフを行います：

  • EIP-4844は低コストで一時的なストレージ（〜18日）を提供
  • 伝統的なオンチェーンと多くのDAレイヤーは高コストで永続的なストレージを提供
  • 一部の特殊ソリューションは異なる永続性保証を持つ階層化されたストレージを許可

実装の複雑さ

異なるDAソリューションの実装の複雑さは大きく異なります：

  • オンチェーンDAは概念的に最もシンプル
  • DASベースのシステムは複雑な暗号技術を必要とする
  • カスタムDAソリューションは安全に実装するために専門知識が必要な場合がある

ユースケースとアプリケーション

ロールアップデータ可用性

ロールアップはデータ可用性ソリューションの主要なユーザーです：

オプティミスティックロールアップ

OptimismやArbitrumのようなオプティミスティックロールアップはセキュリティのためにトランザクションデータをオンチェーンに投稿します：

  • 当初はEthereum calldataを使用
  • 現在はコスト効率のためにEIP-4844 blobを利用
  • 一部はさらなるコスト削減のために代替DAレイヤーを検討中

ZKロールアップ

zkSyncやStarkNetのようなZKロールアップは、さまざまなDAアプローチで有効性証明を使用します：

  • 圧縮データをオンチェーンに投稿
  • 一部はハイブリッドアプローチを使用（例：zkPorter）
  • EIP-4844から大きな恩恵を受ける

Validiumとハイブリッドアプローチ

Validiumはオンチェーンセキュリティを維持しながらデータをオフチェーンに保存します：

  • StarkExはデータ可用性のためにDACを使用
  • Immutable Xはゲームアプリケーション向けにvalidiumとDACを組み合わせる
  • Volitionモデル（StarkNetのような）はユーザーがロールアップモードとvalidiumモードを選択できるようにする

アプリチェーンとソブリンロールアップ

アプリケーション固有のチェーンは専用DAレイヤーを活用できます：

  • Celestia上のソブリンロールアップ
  • Polygon Availを使用するアプリ固有チェーン
  • EigenDAまたは他のプロバイダーによるカスタムソリューション

将来の発展と傾向

完全なダンクシャーディング

Ethereumのロードマップには、EIP-4844の進化である完全なダンクシャーディングが含まれています：

  • blobスペースを大幅に増加させる
  • データストレージのためのより多くのシャードを可能にする
  • ロールアップとアプリケーションのコストをさらに削減する
  • 予想される実装タイムライン：2025-2026年

クロスチェーンデータ可用性

クロスチェーンデータ可用性を可能にする新興ソリューション：

  • DAレイヤー間のブリッジ技術
  • マルチチェーンDAプロトコル
  • DAレイヤーのための相互運用性標準

再帰的証明と圧縮DA

高度な暗号技術が開発されています：

  • データ可用性検証のための再帰的ZK証明
  • より効率的なデータストレージのための新しい圧縮技術
  • 時間制限付きデータ可用性のための検証可能遅延関数（VDFs）

AIとデータ可用性

AIとデータ可用性の間の新たな交差点：

  • データ可用性サンプリングのためのAI駆動最適化
  • データアクセスパターン予測のための機械学習
  • ブロックチェーンデータのためのニューラル圧縮技術

実装ガイドと考慮事項

適切なデータ可用性ソリューションの選択

DAソリューションを選択する際、開発者は以下を考慮すべきです：

  1. アプリケーションのセキュリティ要件
  2. コスト感度と予算制約
  3. スループット要件と予想されるデータ量
  4. データ保存の永続性要件
  5. エコシステム互換性と統合ニーズ

統合例

EIP-4844との統合

EIP-4844を活用したい開発者向け：

// Ethereumでのblobトランザクション作成例
const blobTransaction = {
  to: rollupAddress,
  value: 0,
  data: "0x...", // 通常のcalldata
  blobVersionedHashes: [hash1, hash2], // blobへの参照
  maxFeePerBlobGas: maxFeePerBlobGas
};

Celestiaへの接続

Celestiaをデータ可用性に使用したい開発者向け：

// Celestiaの Goクライアントを使用する例
import (
  "github.com/celestiaorg/celestia-node/api/rpc/client"
)

// Celestiaノードに接続
c, err := client.NewClient(context.Background(), "http://localhost:26658")

// データをCelestiaに送信
namespace := []byte("yourapp.........") // 最低10バイト
data := []byte("your transaction data")
height, err := c.State.SubmitPayForBlob(context.Background(), namespace, data, fee)

ケーススタディ

OptimismのEIP-4844への移行

OptimismはEIP-4844 blobを採用した最初のロールアップの一つでした：

  • EIP-4844以前：トランザクションあたり〜$0.30-0.50（データコスト部分）
  • EIP-4844以後：トランザクションあたり〜$0.03-0.05
  • 影響：コストの〜90%削減
  • ユーザー成長：コスト削減後、採用が大幅に増加

StarkNetのVolitionモデル

StarkNetはVolitionと呼ばれるハイブリッドアプローチを実装しました：

  • 技術：ユーザーはロールアップモード（データはオンチェーン）とvalidiumモード（データはオフチェーン）を選択可能
  • ユースケース適応：高価値トランザクションはロールアップモードを使用；高頻度で低価値のトランザクションはvalidiumを使用
  • 実装課題：モード間の複雑な状態管理
  • 結果：異なるアプリケーションタイプに対する柔軟性の向上

Celestia駆動のソブリンロールアップ

Celestia上にソブリンロールアップを構築するプロジェクト：

  • dYmension：カスタムトークン経済を持つゲーム重視のロールアップ
  • Eclipse：EVM互換のソブリンロールアップ
  • 実装アプローチ：ソブリンコンセンサスを維持しながらCelestiaをDAに使用
  • 実現された利点：低コスト、カスタマイズ可能なセキュリティモデル

課題と制限

現在の技術的課題

データ可用性の分野にはいくつかの課題が残っています：

  • 高度な暗号スキームのための証明生成の複雑さ
  • ライトクライアント実装の難しさ
  • マルチチェーンアプリケーションのためのクロスチェーン調整
  • データ損失シナリオのための回復メカニズム

規制上の考慮事項

データ可用性ソリューションは潜在的な規制上の課題に直面しています：

  • 様々な司法管轄区域におけるデータ保持要件
  • データの保存とアクセスに影響するプライバシー規制
  • データ可用性プロバイダーの法的責任
  • 特定の金融アプリケーションのためのコンプライアンス要件

採用障壁

広範な採用への障壁には以下が含まれます：

  • 新しいソリューションの技術的複雑さ
  • 既存アプリケーションの統合コスト
  • 開発者間の教育ギャップ
  • 複数のソリューション間の市場断片化

要約と結論

主要な要点

データ可用性はブロックチェーンスケーリングの重要なコンポーネントとして浮上しています：

  1. モジュラーアプローチ：モジュラーブロックチェーンアーキテクチャへの傾向により、DAが個別のレイヤーとして浮き彫りになっています

  2. 複数の実行可能なソリューション：EIP-4844からCelestiaのような専用レイヤーまで、さまざまなユースケースに対して複数のアプローチが有効であることが証明されています

  3. コスト削減：すべてのソリューションは、セキュリティを維持しながらトランザクションデータの保護コストを削減することを目指しています

  4. セキュリティトレードオフ：異なるソリューションは異なるセキュリティ前提とトレードオフを行います

  5. エコシステムの成長：DAエコシステムは新規参入者とアプローチで進化し続けています

将来の展望

データ可用性の状況は以下のようないくつかの方法で進化する可能性があります：

  1. 目的特化型DAレイヤーの継続的な専門化

  2. さらなるコスト削減につながる競争の激化

  3. 相互運用性を向上させるための標準化の取り組み

  4. 効率性とセキュリティを高めるための高度な暗号技術

  5. 異なるニーズに対して複数のDAソリューションを組み合わせたハイブリッドアプローチ

データ可用性ソリューションはブロックチェーンスケーリングにおける重要な最前線を代表しています。トランザクションデータがアクセス可能なままであることを保証しながらコストを削減しセキュリティを維持するという根本的な課題に対処することで、これらのソリューションは次世代のブロックチェーンアプリケーションが数百万のユーザーにスケールし、ブロックチェーン技術を価値あるものにするセキュリティと分散化の原則を維持することを可能にしています。

エコシステムが成熟するにつれて、この分野での継続的なイノベーションが見られ、データ可用性に内在するトレードオフのバランスをとるためのますます洗練されたアプローチが見られるでしょう。成功するソリューションは、ブロックチェーンシステムが必要とする核となるセキュリティ保証を維持しながら、開発者とユーザーのニーズを最も効果的に満たすものになるでしょう。

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