ジャスティンの新しいイーサネット・コンセンサス・レイヤー・プロポーザルBeam Chainをざっと読む

昨日タイで開催されたDevconのメインステージで、Etherフェローのジャスティン・ドレイク氏が、Etherの究極のビジョンに向かうためにBeacon ChainをさらにアップグレードしてEtherのコンセンサス層を再設計するBeam Chainの提案についてプレゼンテーションを行いました。Beam Chainは、イーサリアムのコンセンサス層を再設計するジャスティン氏の提案であり、イーサリアムの究極のビジョンに向かうためにBeacon Chainをさらにアップグレードしたものである。この記事では、Beam Chainの提案の目標と、それに関連する技術的な実装について簡単に見ていきます。

コンセンサスレイヤーを再設計する一方で、ビームチェーンはイーサトークンを使い続け、新しいトークンや新しいネットワークを発行することはありません。

なぜBeam Chainなのか？ 

イーサには3つのレイヤーがあります：実行レイヤー、ブロブデータレイヤー、コンセンサスレイヤーです。実行レイヤーは、トランザクションを処理し、スマートコントラクトを実行するイーサの一部であり、アプリケーションの状態とロジックを直接管理します。ブロブデータレイヤーは、大量のデータの保存を担当し、アプリケーションが必要とする長期的なデータの保存に関与します。これら2つのレイヤーは、アプリケーションと直接やりとりするレイヤーの1つであり、変更はこれらのレイヤーの互換性に直接影響する。

そしてコンセンサスレイヤーは、主にネットワーク上のノード間のデータコンセンサスを保証する役割を担っており、アプリケーションの状態やデータを直接扱うことはありません。この間接性により、アプリケーションに直接影響を与えない技術革新やアップグレードの導入が比較的容易になります。したがって、ビームチェーンの提案のようなコンセンサスレイヤーの改善は、フロントエンドのアプリケーションレイヤーの互換性を破壊することなく、イノベーションの余地を提供することができる。 

また、Beacon Chainは5年前に設計され、非常に古いものです。5年後、市場はBeacon Chainのいくつかの間違いを完全に理解し、MEVに対する理解も深まっています。SNARK技術もブレークスルーを遂げたため、ブレークスルーの風に乗ってイーサネットのコンセンサスレイヤーに一連の修正を加えている。

Beam Chainが達成しようと計画している目標 

目標は、ブロック生成、誓約、暗号の3つの部分に分けることができます。

ブロック生産の目標は3つあり、主にMEVに関連するものです。1つはインクルードリストなどで検閲耐性を高めること、2つ目はAttester Proposer Seperationを使いオークションなどを行うことで検証者をブロック生産から隔離すること、3つ目はスロットの高速化で、スロット時間を4秒に短縮することです。スロット時間を4秒に短縮します。

プレッジコンポーネントの目標は、現在のリリースカーブを改善し、プレッジのしきい値を32ETHから1ETHに下げ、高速なシングルスロットのファイナリティを達成することです。

暗号化コンポーネントの目標は、zkVMなどを使用してチェーンスナーク化を実装し、イーサリアム暗号のセキュリティを維持して数年間継続できるようにすることです。暗号コンポーネントの目標は、zkVMなどを使ってチェーンスナーク化を実現すること、イーサリアム暗号のセキュリティを数十年、あるいは数世紀にわたって維持すること、MinRoot VDFなどを使って強力なランダム性を維持することです。 

ジャスティンは、これらの目標を達成する方法を2つに分類した。緑色のものは段階的なフォークとして達成されるもので、赤色のものは全体として同時に達成されるべきものです。 

snarkifacation（データや計算を証明するためにzk-SNARKs技術を使用すること）を例にとると、もしリアルタイム証明を実現したいのであれば、ハッシュ関数や署名の方法、シリアライゼーションやMerkleization(Merkleisation。署名の方法は、迅速に生成し、検証を完了することができる必要があり、複雑なデータ構造がノード間で送信され、格納することができるように直列化の必要性は、データの検証可能なフォーマットと変換の必要性のゼロ知識証明を満たすために、メルクルツリー（メルクルツリー）処理のために直列化されたデータになりますだけでなく、状態の効率的な検証。

過去に、イーサのコンセンサスはPOWからPOSへの変更を経てきましたが、ビームチェーンの仕組みでは、コンセンサスはさらに更新されます - 完全なZK対応、つまりスナークがコンセンサスレイヤー全体に適用されます。つ目は、コンセンサスレイヤー全体に適用されるスナークの使用である。

チェーンのスナーク化 

スナーク化された部分は状態遷移のためだけに存在し、基礎となる計算（コンセンサスメカニズムがトランザクションや状態遷移を処理する前に行う論理計算）、ネットワーク層（ノード間の通信やデータ転送）、キャッシュ管理、パフォーマンス最適化の一部は存在しないことを強調することが重要です。そして、キャッシュ管理とパフォーマンス最適化は、ZKによって変更されず、影響を受けません。

BeamChainの実装コード（GoやRustで書かれたBeamChainのコアロジックやコンセンサスアルゴリズムのコードなど）が行う必要があるのは、コードをzkVMが理解できる形式に変換することです。一旦Beam Chain実装コードがzkVMのコードフォーマットにコンパイルされると、zkVMはそのコードを実行し、ブロックチェーンの外部入力を読み、状態遷移プロセスの正当性を検証し、ゼロ知識証明を生成することができます。

zkVMは、ゼロ知識証明を検証するための特定の形式のコードを理解するゼロ知識仮想マシンを実行する環境です。zkVMによって実行可能なフォーマットにコードをコンパイルするこのプロセスには、高レベル言語（GoやRustなど）を基礎となる中間フォーマット（RISC-V命令セットなど）に変換し、zkVMで実行することが含まれます。

RISC-Vは現在、zkVMの業界標準です。

認証 スナーク化

スナークのもう1つの用途は、集約可能な署名で、複数の検証者と証人(「認証者」)の署名の圧縮です。attesters)の署名で、多数の署名を検証可能な単一の証明に集約する圧縮プロセスです。

私たちは（量子攻撃に耐えられるような）量子集約後の署名の安全性を持ちたいと考えており、ここではハッシュ関数を使うことを期待しています。ハッシュ関数はポスト量子レベルのセキュリティを持ち、暗号システムの基本コンポーネントまたはベースモジュールとして暗号を構築するために使用できます。ハッシュベースのスナークを使えば、何千もの署名を1つの証明に圧縮することができる。これがポスト量子集約署名である。そしてこのポスト量子アグリゲート署名は無限に再帰的であり、より高い圧縮効率を達成するために、複数のアグリゲートされた署名を再び積み重ねてアグリゲートし続けることができます。

ここ数カ月で、スナーク対応のハッシュ関数技術が大幅に改善され、ラップトップから証明を素早く生成できるようになり、1秒間に約200万回のハッシュ演算で証明を完了できるようになりました。この性能のブレークスルーにより、ポスト量子セキュア集合署名スキームがより現実的になり、効率的で量子耐性のある暗号化の可能性が開ける。 

それだけでなく、スナーク化されたBeam Chainは、もともと複雑だった検証、保存、計算のプロセスを圧縮することを可能にし、libp2p、ssz、pyspec、protocolguildなど、Beacon Chainに直接使用できなかった一連のインフラを実現することを可能にします。

タイムライン計画

タイムライン計画に関しては、Justinは2025年に仕様策定、2026年に構築、2027年にテストを計画しています。