Ethereumの基本03

Ken @ インフラエンジニア

Execution Layer

スマートコントラクトの実行とトランザクションの処理を担当する。Ethereum Virtual Machine (EVM) を通じてスマートコントラクトを実行し、トランザクションの結果を計算する。このレイヤーでは、スマートコントラクトのコードがEVMで実行され、トランザクションが受け取られてその内容に基づいて状態が更新される。
また、トランザクションの実行に必要なガス（計算リソースの単位）が計算され、実行コストが支払われる。
例えば、ユーザーがあるスマートコントラクトを呼び出すと、そのリクエストはエクセキューションレイヤーに送られ、EVMがそのコントラクトを実行する。トランザクションが完了すると、結果として得られる状態の変更がEthereumのブロックチェーンに記録される。

Consensus Layer

ブロックチェーンの分散ネットワーク全体で一貫した状態を保つために、ブロックの順序と有効性を確立する。ネットワークのノードがどのブロックが有効であるかを合意するプロセスを管理する。
このレイヤーでは、新しいブロックがネットワークに追加される前に、そのブロックが有効であることを確認し、PoS（Proof of Stake）やPoW（Proof of Work）などのコンセンサスアルゴリズムを用いて、ブロックの順序と整合性を確保する。各ノードはネットワーク内の全てのノードが同じブロックチェーンのコピーを持つように同期する。
例えば、新しいブロックがマイナー（PoW）やバリデーター（PoS）によって作成されると、そのブロックはネットワーク全体にブロードキャストされ、各ノードはそのブロックの有効性を検証し、合意が得られればブロックチェーンに追加される。

エクセキューションレイヤーとコンセンサスレイヤーの相互作用

エクセキューションレイヤーとコンセンサスレイヤーは連携して動作する。まず、ユーザーがトランザクションを送信すると、それはエクセキューションレイヤーで処理される。次に、トランザクションが処理されて新しいブロックに含まれると、そのブロックはコンセンサスレイヤーに送られ、検証と合意のプロセスが開始される。コンセンサスレイヤーで合意が得られると、そのブロックはブロックチェーンに追加され、全てのノードがその変更を受け入れる。最後に、エクセキューションレイヤーは新しいブロックに基づいて状態を更新し、これが次のトランザクションに対する基盤となる。このように、エクセキューションレイヤーとコンセンサスレイヤーが連携することで、Ethereumのブロックチェーンは安全かつ効率的に動作し、分散型アプリケーションの基盤を提供している。

まとめ

  • エクセキューションレイヤーは、スマートコントラクトの実行とトランザクションの処理を担当し、EVMを通じてこれを実現する。

  • コンセンサスレイヤーは、ブロックの順序と有効性を確立し、ネットワーク全体で一貫した状態を維持するためのプロセスを管理する。

  • これら2つのレイヤーが連携することで、Ethereumのブロックチェーンは安全かつ効率的に動作し、分散型アプリケーションの基盤を提供している。

クライアントの連携

Ethereumでは、エクセキューションクライアントとコンセンサスクライアントが連携して動作する。エクセキューションクライアントはスマートコントラクトの実行やトランザクションの処理を担当し、コンセンサスクライアントはブロックの順序と有効性を確立する。
これらのクライアントは互いに通信し、ネットワークの一貫性と信頼性を維持する。例えば、Geth（エクセキューションクライアント）とPrysm（コンセンサスクライアント）が連携して、Ethereumネットワーク上でのトランザクションの処理とブロックの検証を行う。



バリデータ（Validator）

Ethereum 2.0におけるProof of Stake（PoS）コンセンサスアルゴリズムで重要な役割を果たす。バリデータは、ブロックの作成と検証を行い、ネットワークのセキュリティと一貫性を維持する役割を持つ。
バリデータになるためには、最低32 ETHをステークする必要がある。ステークしたETHは、バリデータが正当な行動を取るインセンティブとなり、不正行為を防止する仕組みとなっている。バリデータは特定のハードウェアとソフトウェアを使用して常時オンライン状態を維持し、Ethereumネットワークの一貫性と信頼性を支える

  1. ブロック提案:

    • バリデータは順番に新しいブロックを提案する役割を持つ。選ばれたバリデータは新しいブロックを作成し、ネットワークに提案する。

  2. ブロックの検証:

    • 他のバリデータによって提案されたブロックを検証し、正当性を確認する。検証が成功すると、ブロックがチェーンに追加される。

  3. 投票と合意形成:

    • 提案されたブロックに対して投票を行い、合意形成プロセスに参加する。この投票に基づいて次のブロックがチェーンに追加される。

バリデータの報酬とペナルティ

バリデータは、ブロック提案や検証の作業に対して報酬を受け取る。

  • ブロック報酬: 新しいブロックを提案して採用されることで得られる報酬。

  • トランザクション手数料: 提案されたブロックに含まれるトランザクションの手数料の一部を受け取る。

  • MEV（Maximal Extractable Value）: トランザクションの順序付けやアービトラージから得られる利益。

  • チップ: ユーザーから直接支払われるオプションの支払い


Signing Key と Withdrawal Key について

Signing Key（署名鍵）は、バリデータがブロックを提案したり証明（アテステーション）を行うために使用する鍵だ。バリデータは各スロットで新しいブロックを提案し、他のブロックの証明を行う際に、この鍵を使用して署名する。
署名鍵は頻繁に使用されるため、ホットウォレット（常時オンラインのウォレット）で管理される。これにより、バリデータは迅速に行動できるが、セキュリティリスクも伴う。
例えば、署名鍵が悪用されると、バリデータは不正行為と見なされスラッシュ（罰則）を受ける可能性がある。不正行為の例として、同じスロットで異なるブロックに署名したり、重複した証明を行うことが挙げられる​ (ethereum.org)​​(Ethereum Foundation Blog)​。

Withdrawal Key（引き出し鍵）は、バリデータの資金管理を行うための鍵である。引き出し鍵は、バリデータがステークしたETHの引き出しや移動を行うために使用される。
この操作はバリデータのライフタイムに数回しか行われないため、通常はコールドストレージ（オフラインで安全に保管）される。引き出し鍵は頻繁に使用されないため、高度なセキュリティを確保するためにオフラインで保管され、オンラインでのセキュリティリスクを最小限に抑えることができる。また、バリデータがETHの引き出しを行う前に、引き出しクレデンシャルを実行アドレスに更新する必要がある。これは、初期デポジット時に設定されなかった場合に必要となる操作​ (ethereum.org)​​ (Welcome! | ProtocolStaking Learn)​。

Signing Keyはバリデータの操作に使用され、ホットウォレットで管理される一方、Withdrawal Keyは資金管理に使用され、コールドストレージで安全に保管される。これら2種類の鍵を分離することで、セキュリティリスクを分散し、バリデータの運用をより安全かつ効率的に行うことができる​。

Staking as a Service (SaaS)

ユーザーが自分の32 ETHを使ってバリデータをアクティベートし、その運用を第三者に委任するサービスだ。ユーザーは署名鍵（Signing Key）をサービスプロバイダーにアップロードし、バリデータの運用を委任するが、Withdrawal Keyは自分で保持する。
これにより、ステークした資金の管理は自分で行いながら、技術的な運用を外部に任せることができる。この方法は、ハードウェアやノードのメンテナンスに自信がないが、32 ETHを持っているユーザーに適している​ (ethereum.org)​​ (ethereum.org)​。




スロットとエポック

スロットとエポックは時間を管理する基本単位として機能している。

スロット（Slot）

ブロックが提案される12秒間の時間枠を指す。各スロットごとに一人のバリデータがランダムに選ばれ、新しいブロックを提案するチャンスを得る。
スロットは非常に短い時間枠であり、Ethereumネットワークが高速に動作するための基本単位となっている​ (ethereum.org)​。

エポック（Epoch）

32スロット（約6.4分）で構成される時間単位である。エポックごとに、バリデータは新しいブロックを提案し、既存のブロックを検証する。
各エポックの開始時にバリデータはランダムに新しい委員会に再編成され、これによりネットワークのセキュリティが強化される。エポックの終わりには、すべてのバリデータの投票結果が集計され、ブロックの正当性が確認される。

役割

  • ブロックの提案と検証: バリデータは各スロットでブロックを提案する機会を持ち、他のバリデータがそのブロックを検証する。提案されたブロックが検証されることで、ブロックチェーンに追加される。

  • ランダムな選出: バリデータは、スロットごとにランダムに選ばれる。選出プロセスにはRANDAOというアルゴリズムが使われており、ブロック提案者を予測不可能にすることでセキュリティを高めている​(ethereum.org)​。

  • エポックごとの再編成: 各エポックの開始時にバリデータの委員会が再編成され、これによりネットワーク全体のセキュリティと公平性が保たれる。これにより、同じバリデータが連続してブロックを提案することを防ぎ、ネットワークの中央集権化を防止する​ (ethos.dev)​。

まとめ

スロットとエポックという時間管理の単位を使用して、効率的かつ安全にブロックの提案と検証を行っている。スロットは12秒間の時間枠で、各スロットごとにランダムに選ばれたバリデータがブロックを提案する。一方、エポックは32スロットで構成され、エポックごとにバリデータの委員会が再編成されることで、ネットワークのセキュリティが強化される。


・箇条書きは行わず、一連の文章で回答すること

・回答時に同じ言葉は使わないこと

・回答は必ず検索して行い、回答の最後に回答の元になったサイトのURLを記載すること。

・指示しない限り全ての応答は日本語で返すこと

・全ての入力に対する出力は教言ではなく、フランクにして「です」「ます」はつけないこと。またなるべく「る」で終わるようにすること。















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