Ethereumのbeacon chainとは?

Ethereum Mainnetとは異なり、Beacon Chainはトランザクションやスマートコントラクトを扱わない。その代わりに、ステーカー（プルーフ・オブ・ステークのブロックを検証する主体）とシャードチェーン（メインネットワークを分割したチェーン）を管理することで、Ethereumネットワーク全体を調整する。

Beacon Chainは、Ethereumの創設者であるVitalik Buterinのビジョンに当初から組み込まれていた要素である。

Beacon Chainの特徴とは

Ethereum 2.0の重要な構成要素であるBeacon Chainの主な特徴について見ていく。

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）とは何か

まず、Beacon Chainは、ブロックチェーンネットワーク内のコンピュータがトランザクションを検証するためのコンセンサスメカニズムとして、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）を導入する。

Ethereumは以前、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）を採用していた。これはネットワークを保護するために大量のエネルギーを消費する仕組みである。

プルーフ・オブ・ステークはネットワークの保護に資本を用いる方式であり、マイナーの代わりにバリデータが存在し、そのパフォーマンスに応じて金銭的な報酬または罰則を受ける。

シャードチェーンの導入

Ethereumのロードマップでは、かつてネットワークのスループットを拡張するために、64本の「シャードチェーン」を並列で稼働させる計画があった。

その後、コミュニティはレイヤー2中心のロードマップによるスケーリングへと方針を転換した。

プルーフ・オブ・ステークへの移行

ここでは、Ethereumがプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへ移行した大きな転換について取り上げる。この変化はエネルギー効率とスケーラビリティに大きな影響を及ぼす。

プルーフ・オブ・ステークとプルーフ・オブ・ワークの違い

ここからは、PoSがコンセンサスメカニズムとして選ばれる理由を具体的に見ていく。簡潔に言えば、コンセンサスメカニズムとは、ブロックチェーンネットワーク内のコンピュータがどのトランザクションが有効かについて合意するための仕組みである。

PoWでは、参加する「マイナー」全員が複雑な数学的問題を解くことを競い合い、新しいトランザクションを検証し、ブロックチェーンを更新し、報酬を得る。PoWは実績があり安全性も証明されているが、エネルギーを大量に消費するプロセスであるため、実用性が徐々に低下している。

これに対しPoSは、（詳細は後述するが）半ランダムに選ばれた少数の「バリデータ」だけが、次のブロックのトランザクションを検証し、そのブロックをブロックチェーンに提案するという仕組みでこの問題を解決する。これはPoWの「マイニング」に対して「ミンティング」と呼ばれる。

ある時点で競合する参加者の数が99%以上少なくなるため、PoSは新しいブロックをミンティングするために必要な計算能力とエネルギーを大幅に削減する。

バリデータになるには

バリデータになるには、ノードが一定量のETHをEthereumネットワークにデポジットする必要がある。これは担保や保証金に似た仕組みで、「ステーキング」と呼ばれる。このアップグレードでは、バリデータノードを稼働させるためにEthereumメインチェーン上で最低32 ETHをステークする必要がある。

ステーク量は、バリデータがミンティングに選ばれる確率を線形的に決定する。例えば、Aliceが320 ETH（すごい額だ）をステークし、Bobが32 ETHをステークした場合、Aliceのノードは次のブロックをミンティングする担当として選ばれる確率がBobの10倍になる。つまり、選出プロセスは完全にランダムというわけではない。

次のブロックを検証するバリデータに選ばれると、まずそのブロック内のすべてのトランザクションが有効かどうかを確認する。問題がなければ、バリデータはそのブロックをブロックチェーンに書き込むことでブロックチェーンの状態を更新する。

この情報は、アテステーションと呼ばれるプロセスにより、少なくとも128人の他のバリデータからなる「委員会」によって確認される。ブロックの内容に問題がなければ、最初に選ばれたバリデータは、検証済みのトランザクションに紐づく手数料からなるステーキング報酬を受け取る。

バリデータの誠実さはどのように担保されるか

PoSが正常に機能するためには、ステーカーが誠実なバリデータとして振る舞うという信頼が不可欠であり、そのためにいくつかの仕組みが用意されている。

まず、バリデータが不正なトランザクションを承認した場合、ステークの一部を失う、つまり「スラッシュ」される。

これが、ステーク額が32 ETHと高く設定されている理由の一つでもある。ステーク額が常にステーキング報酬を上回っていれば、ステーカーが不正なノードになることによる金銭的な利益は損失を上回らないため、不正を行う経済的な動機がなくなる。

さらに、ノードがバリデータとしての役割を終えたい場合、ステークとステーキング報酬を引き出せるようになるまでに約25分の遅延がある。このロックアップ期間中も、ネットワークが不正なブロックを承認していたと判断すれば、バリデータはスラッシュされる可能性がある。

Ethereum Foundationのチームは、あらゆる面からバリデータに責任を持たせることをよく考え抜いている。

PoS：より安全で分散化されたブロックチェーンか

PoWのもう一つの欠点は、マイニングプールの利用を助長することである。マイニングプールでは、マイナーがチームを組んで計算能力を結集し、ハッシュを解く確率を高め、得られた報酬をプール内の全員で均等に分配する。

これにより、悪意のある者がマイニングプールを集約し、ネットワークの総ハッシュパワーの51%以上を掌握する可能性も生まれる。これは51%攻撃として知られ、このようなブロックチェーンの中央集権化により、マイニングプールが自らの利益のために不正なトランザクションを承認できてしまう恐れがある。

中央集権化はブロックチェーンの最も基本的な原則に反するものであり、PoSはこの問題を解決する。その仕組みはどのようなものか。

PoSは、マイニング機器から集約された計算能力に頼るのではなく、どれだけステークしているかに応じてバリデータを選出する。そのため、PoSで51%攻撃を仕掛けるには、ステークされている全コインの51%以上を取得する必要があり、コインの価値によっては数千億ドル規模の費用がかかる可能性があるため、極めて高コストかつ非現実的である。

さらに、マイニングプールは規模の経済の恩恵も受けている。PoWの下では、追加のマイナーが生み出す収益は、そのマイナーを大規模なマイニングプールに加える際のコストを上回る。結果として、これは富める者をさらに富ませる構造を生み出している。

対照的に、ステーキングを行いバリデータになることは、マイニングよりも容易である。高価なマイニング機器を購入するところから始める必要がないためだ。そのため、Ethereum Foundationのチームは、これによりより多くの人々がネットワークへの参加を促され、時間の経過とともにネットワークがより分散化し、51%攻撃に対して安全になることを期待している。

The Merge - 現在地と今後の展望

Ethereumは2022年9月にThe Mergeを無事に完了した。次に控えているのはproto-danksharding、そしてその後のフルダンクシャーディングであり、これによりメインネットが、その上に追加のブロックチェーンを構築するためのベースレイヤーとして最適化される。

これは、スケーラビリティ、セキュリティ、そしてサステナビリティというEthereumのビジョンを実現するうえで大きな一歩であり、ネットワークの利用者だけでなく、ブロックチェーン業界全体にとってより環境負荷の低い未来の実現にもつながるものである。