Beacon Chain

Beacon Chainとは？

Beacon Chainは、Ethereumにステーキングとコンセンサスレイヤーの仕組みを導入した、最初のProof of Stakeブロックチェーンです。

暗号資産分野でBeacon Chainという用語は、通常、バリデーター、アテステーション、ブロック提案、報酬、ペナルティ、フォーク選択、ファイナリティを調整するEthereumのコンセンサスレイヤーを指します。

公式のEthereum Beacon Chainのドキュメントによると、Beacon Chainは2020年12月1日に稼働を開始し、2022年9月15日のThe MergeによってProof of StakeがEthereumのコンセンサスメカニズムとして正式に導入されました。

The Merge以前、Beacon ChainはEthereum Mainnetとは別に稼働していました。

当時、Beacon Chainは通常のEthereumユーザー取引やスマートコントラクトの処理を行っていませんでした。

その代わりに、Ethereum MainnetがProof of Workを引き続き使用する中で、Proof of Stakeのバリデーターシステムをテストし、調整していました。

The Merge後、Beacon Chainは独立した並行チェーンではなくなり、Ethereumのコンセンサスレイヤーとなりました。

公式のEthereum Mergeのドキュメントによると、Ethereumの当初の実行レイヤーがBeacon Chainと統合され、現在は二つが一つのProof of Stakeネットワークとして稼働しています。

現在、Beacon Chainという場合、通常はProof of Stakeのセキュリティを管理するEthereumのコンセンサス部分を指します。

この点で、Beacon ChainはEthereumの歴史における最も重要なアップグレードの一つです。

Beacon Chainが重要な理由

Beacon Chainが重要なのは、Ethereumのセキュリティを支える仕組みを変えたためです。

The Merge以前、EthereumはProof of Workのマイニングを使用していました。

The Merge後、EthereumはProof of Stakeを採用し、バリデーターがETHをステーキングしてバリデーターソフトウェアを実行することでネットワークを保護しています。

Beacon Chainは、Ethereum Mainnetがマイニングから完全に移行する前にバリデーターの調整機能を導入し、この移行を可能にしました。

Mergeのドキュメントによると、The MergeによってEthereumのエネルギー消費量は約99.95%削減されました。

この変更により、Ethereumのブロック生成プロセスから大量のエネルギーを消費するマイニングがなくなりました。

Beacon Chainによって、Ethereumのコンセンサスプロセスもより明確に整理されました。

バリデーター、バリデーター残高、アテステーション、ペナルティ、退出、出金、ファイナリティチェックポイントを管理します。

このバリデーターレジストリは、いつでもブロックを提案・承認できるバリデーターをEthereumが把握するために重要です。

これは、バリデーターレジストリに登録されなくてもマイナーが参加・離脱できたProof of Workとは異なります。

ユーザーが通常のウォレット操作をする際、Beacon Chainはほとんど意識されません。

しかし、Ethereumのセキュリティにとっては中心的な存在です。

The Merge以前のBeacon Chain

The Merge以前、Beacon ChainはEthereum Mainnetと並行して稼働する、独立したProof of Stakeブロックチェーンでした。

EthereumのProof of Stakeコンセンサスを、実際のEthereum取引の保護に利用する前にテストする目的で作られました。

Beacon Chainには、バリデーター、スロット、エポック、アテステーション、報酬、ペナルティ、コンセンサスの仕組みがありました。

しかし、初期段階ではEthereumのスマートコントラクトを実行せず、通常のMainnet取引も処理していませんでした。

Ethereum Beacon Chainのページでは、実行クライアントから取引データを受け入れるようになる前は、空のブロックから成るチェーンだったと説明されています。

この分離によって、既存のProof of Workネットワークをすぐに置き換えることなく、Ethereumの開発者やステーキング参加者は、実稼働環境でProof of Stakeをテストできました。

バリデーターはETHを預け入れ、バリデーターソフトウェアを有効化し、Beacon Chainのコンセンサスに参加できました。

その間、Ethereumユーザーは従来どおりMainnetを利用し続けました。

Ethereumのコンセンサスシステム全体を一度に切り替えなかったため、この段階的な方法によってリスクが抑えられました。

したがってBeacon Chainは、稼働中のネットワークであると同時に、The Mergeに向けた長期的な準備レイヤーでもありました。

The Merge後のBeacon Chain

The Merge後、Beacon ChainはEthereumのコンセンサスレイヤーとなりました。

当初のEthereum Mainnetは実行レイヤーとなりました。

コンセンサスレイヤーは、Proof of Stakeのコンセンサスに基づいて、どのブロックが有効かを判断します。

実行レイヤーは、取引、スマートコントラクト、アカウント残高、Ethereum Virtual Machineの実行、状態の変更を処理します。

Beacon Chainのページによると、The Mergeの完了後、Ethereumのブロックチェーンが二つに分かれて存在することはなくなりました。

代わりにEthereumは、主要なソフトウェアレイヤー二つで構成される一つのProof of Stakeネットワークとなりました。

つまり、The Mergeによって「新しいETH」や「古いETH」が作られたわけではありません。

Mergeのドキュメントは、ETHはそのままETHであり、The Merge後に資産をアップグレードする必要があるという主張は詐欺の兆候だとユーザーに注意を促しています。

Beacon Chainは現在、ブロックの伝播、コンセンサスの仕組み、フォーク選択、バリデーターの役割、報酬、ペナルティを担います。

実行レイヤーは、取引の実行とEthereumの状態を管理します。

これら二つのレイヤーが連携して、現在のEthereumを動かしています。

コンセンサスレイヤー

コンセンサスレイヤーは、EthereumにおけるProof of Stakeの合意形成を調整する部分です。

これは、現在のBeacon Chainが担う役割です。

コンセンサスレイヤーは、チェーンの最新ブロックに関するEthereumノード間の認識を一致させます。

バリデーターと有効残高を追跡します。

バリデーターの役割をスロットとエポックに分けて整理します。

ブロックやチェックポイントに投票するアテステーションを処理します。

バリデーターの行動に基づいて報酬やペナルティを適用します。

また、EthereumのProof of Stakeコンセンサス設計を通じてファイナリティを実現します。

公式のEthereumノードアーキテクチャのドキュメントによると、コンセンサスクライアントは、ノードをEthereumのProof of Stakeネットワークと同期させるためのロジックを担います。

このコンセンサスクライアントは、Beacon Nodeと呼ばれることがよくあります。

Beacon Nodeは、バリデーターがなくてもチェーンを追跡できます。バリデータークライアントを追加すると、ステーキングの役割を担います。

実行レイヤー

実行レイヤーは、Ethereumの取引を処理し、Ethereumの状態を維持する部分です。

アカウント残高、スマートコントラクトのコード、トークンの活動、アプリケーションのロジック、Ethereum Virtual Machineの実行などが含まれます。

The Merge以前は、この実行ロジックはProof of Workのコンセンサスと組み合わされ、Ethereumの実行クライアント内にありました。

The Merge後、実行クライアントはコンセンサスクライアントと連携する必要があります。

ノードアーキテクチャのドキュメントによると、Ethereumノードは実行クライアントとコンセンサスクライアントで構成されます。

実行クライアントは取引を検証して実行し、コンセンサスクライアントはProof of Stakeチェーンの成長とフォーク選択を担います。

バリデーターがブロックを提案するよう選ばれると、コンセンサスクライアントは実行クライアントに実行ペイロードを要求します。

実行クライアントは取引ペイロードを作成または検証します。

コンセンサスクライアントは、そのペイロードにコンセンサスデータを追加して、Ethereumネットワークにブロックを配信します。

この分離は、The Mergeによってもたらされた最も重要なアーキテクチャ変更の一つです。

Engine API

Engine APIは、Ethereumのコンセンサスクライアントと実行クライアントの間で通信するためのインターフェースです。

The Merge後、ソフトウェアスタックの片方だけでは、ノードを正しく稼働させることができません。

コンセンサスクライアントと実行クライアントは、ブロックデータ、ペイロードデータ、検証結果、チェーンの最新状態に関する情報をやり取りする必要があります。

Beacon Chainのページによると、コンセンサスレイヤーと実行レイヤーはEngine APIを使って通信します。

このインターフェースによって、ブロックを提案するタイミングでコンセンサスクライアントが実行ペイロードを要求できます。

また、実行クライアントは、提案されたペイロードがEthereumの実行ルールに準拠しているか検証できます。

ノード運用者にとってEngine APIが重要なのは、二つのクライアントを正しく接続し、認証する必要があるためです。

Mergeのドキュメントによると、ノード運用者はThe Merge後、コンセンサスクライアントと実行クライアントの両方を実行する必要があります。

二つのクライアントが適切に接続されていない場合、ノードがEthereumを正しく追跡できない可能性があります。

そのため、バリデーターの運用にはブロックチェーンの知識と、システム管理における規律の両方が求められます。

バリデーター

バリデーターは、The Merge後にEthereumのセキュリティを支える参加者です。

公式のEthereum Proof of Stakeのドキュメントによると、バリデーターはETHをステーキングし、新しいブロックを確認したり、ときに新しいブロックを作成したりする役割を担います。

従来の方法でバリデーターになるには、Ethereumのデポジットコントラクトに32 ETHを預け入れ、バリデーターソフトウェアを実行します。

有効化後、バリデーターはBeacon Chainから役割を割り当てられます。

その役割には、ブロックの提案、ブロックのアテステーション、同期委員会への参加、チェックポイントのファイナリティ確定への貢献などが含まれる場合があります。

バリデーターは、それだけでフルノードと同じものではありません。

フルノードはEthereumを追跡して検証し、バリデーターはProof of Stakeのコンセンサスに積極的に参加します。

ノードアーキテクチャのドキュメントによると、新しいブロックを提案するには、実行クライアントとコンセンサスクライアントに加えて、バリデータークライアントも実行する必要があります。

バリデーターは、適切に参加することでETHの報酬を得られる場合があります。

役割を果たせなかったり、不正な行動を取ったりした場合、ペナルティやスラッシングによってETHを失う可能性もあります。

ステーキング

ステーキングとは、EthereumのProof of Stakeシステムでバリデーターの役割を有効にするためにETHをロックするプロセスです。

Ethereumでは、ブロック生成を保護する仕組みとして、マイニングがステーキングに置き換えられました。

Beacon Chainは、ステーキングによるMainnetの実行データの保護が始まる前に、Ethereumへステーキングを導入しました。

実際のステーキングには、資金とソフトウェアの運用が必要です。

バリデーターがステーキングしたETHは担保として機能します。

バリデーターが適切に行動すれば、報酬を受け取れる場合があります。

不適切な行動を取ると、ペナルティを受ける可能性があります。

スラッシング対象となる違反を犯した場合、ステーキングした資産の一部が没収される可能性があります。

攻撃にコストがかかるようにすることで、暗号経済的なセキュリティが実現します。

したがって、ステーキングは利回りを得る手段だけではありません。

EthereumでProof of Workのマイニングに代わったセキュリティの仕組みです。

スロットとエポック

Beacon Chainは、時間をスロットとエポックに分けて管理します。

Proof of Stakeのドキュメントによると、Ethereumの時間は12秒のスロットと、32スロットから成るエポックに分けられます。

スロットとは、ブロックを提案するバリデーターが1人、ランダムに選ばれる短い時間枠です。

選ばれたバリデーターがオンラインで正常に動作している場合、そのスロットのブロックを提案できます。

オフラインである、または正常に機能しない場合、スロットが欠落することがあります。

エポックは32スロットで構成されます。

バリデーターの割り当て、アテステーション、正当化、ファイナリティ、報酬、ペナルティがエポックを基準に整理されるため、エポックは重要です。

この固定された時間管理によって、Proof of Workのマイニングにおける変動するブロック生成時間が置き換えられました。

スロットとエポックは、EthereumのProof of Stakeコンセンサスレイヤーの基本的な時間の刻みを形作っています。

ユーザーにとってこの時間構造は、Ethereumのブロックが一定間隔で生成される理由や、ファイナリティの確定に1ブロック以上かかる理由を理解する助けになります。

ブロック提案

ブロック提案とは、選ばれたバリデーターが新しいEthereumブロックを作成し、配信することです。

コンセンサスメカニズムのドキュメントによると、各スロットでは1人のバリデーターがブロック提案者としてランダムに選ばれます。

提案者のコンセンサスクライアントは、接続された実行クライアントに取引の一式を要求します。

その取引一式が実行ペイロードになります。

バリデーターは実行ペイロードにコンセンサス情報を加えます。

その後、ブロックが他のEthereumノードに送られます。

他のバリデーターはブロックを確認し、賛成する場合はアテステーションを送信します。

ブロック提案の報酬は、この役割を正しく果たしたバリデーターに支払われます。

ブロック提案を逃すと、バリデーターの報酬が減る場合があります。

コンセンサスルールに違反する悪意ある提案は、スラッシングのリスクにつながる可能性があります。

ブロック提案の時点で、新しいEthereumブロックがチェーンに追加されます。

アテステーション

アテステーションは、EthereumのProof of Stakeコンセンサスにおけるバリデーターの投票です。

バリデーターはブロックを確認し、正しいと考えるチェーンの最新状態とチェックポイントに賛成票を投じることで、アテステーションを行います。

Proof of Stakeのドキュメントによると、バリデーターは有効なブロックに賛成する投票をアテステーションとして送信します。

アテステーションは、どのチェーンがより大きな重みを持つかをEthereumが判断する助けになります。

また、チェックポイントの正当化とファイナリティ確定にも役立ちます。

バリデーターの役割の大半は、ブロック提案ではなくアテステーションです。

各スロットでブロックを提案するのは1人のバリデーターだけですが、多数のバリデーターがエポックを通じてアテステーションを行うためです。

報酬を全額受け取るには、アテステーションを適切なタイミングで正確に行う必要があります。

遅延、未実施、誤りのあるアテステーションは報酬の減少につながる場合があります。

プロトコルルールに違反する相反したアテステーションは、スラッシングの対象になる可能性があります。

アテステーションはEthereumのProof of Stakeにおける投票システムであるため、Beacon Chainではその処理が大きな役割を占めます。

フォーク選択

フォーク選択とは、複数のブロックが存在する場合に、Ethereumノードがどのチェーンの先端を追跡するか決めるルールです。

Proof of Workのシステムでは、チェーンの選択は累積作業量に基づく場合がよくあります。

EthereumのProof of Stakeでは、ステーキングされたETHの量に応じて重み付けされたバリデーターの投票が、チェーンの選択を決めます。

コンセンサスメカニズムのドキュメントによると、Ethereumはバリデーターのアテステーションの重みを測るフォーク選択アルゴリズムを使用しています。

EthereumのProof of Stakeコンセンサスは、一般にGasperと呼ばれています。

Gasperは、LMD-GHOSTのフォーク選択とCasper FFGのファイナリティロジックを組み合わせています。

ネットワーク上でブロックが異なる順序で伝わることが一時的にあるため、フォーク選択ルールは重要です。

ブロック提案者がスロットを逃した場合や、ネットワークの遅延によって異なる見解が生じた場合にも重要になります。

フォーク選択によって、ノードは一つの正規チェーンの先端へと収束できます。

強固なフォーク選択ルールがなければ、バリデーターやユーザーがEthereumの現在の状態について異なる認識を持つ可能性があります。

ファイナリティ

ファイナリティとは、ネットワークによってファイナライズされたブロックを覆すことが極めて困難であることを意味します。