導入

Vitalik Buterinによって導入された多次元EIP-1559は、研究トピックとして登場しました。EthResearchの投稿2022年1月。ロールアップ、MEV、データ可用性ソリューションのような他の研究トピックほど注目されていませんが、それは活発な研究分野です。最近公開された研究論文ギジェルモ・アンゲリスおよびセオ・ディアマンディス多次元手数料市場の理論的基盤と頑健性を探り、その構築方法を提案します。

実際に、多次元の手数料市場はすでに今日使われています。2024年3月にEthereumがEIP-4844を採用することで、blob gasを導入し、blobトランザクションのための別個の手数料市場を作成しました。これにより、単一次元のガスモデルから二次元の手数料市場への移行が実現しました。

ただし、トランザクションリソースの使用を最適化するためにリソース次元の数を増やす必要があります。多次元の手数料マーケットを拡大することは、多様なリソースを効率的に管理するためにイーサリアムの能力を向上させるスケーラビリティソリューションです。

この記事では、多次元ガス料金市場の重要性と仕組みについて探求し、それがイーサリアムのスケーラビリティとリソース配分を向上させる方法を説明します。

まず、多次元ガス価格設定とは何かについて詳しく調べてみましょう。

多次元ガス価格とは何ですか？

多次元ガス価格設定は、L1スケーリングソリューションのようなものです、ガスリミットの増加最近実施されましたイーサリアム上で。これはイーサリアムの総取引能力を直接的に増やすわけではありませんが、既存の制限内でリソースの利用を最大限に高めます。これにより、不要な混雑なしに、より多くの分散型アプリケーション（DApps）やユーザーがイーサリアムの基本層で取引できるようになります。

イーサリアムは現在、計算、ストレージ、および帯域幅などのすべてのリソースコストを1つのガス単位にまとめています。一方、多次元ガス価格設定はこれらのリソースを分離し、それらの割り当てを最適化しつつ、イーサリアムのセキュリティと分散性を維持します。

これがなぜ有益なのかを理解するために、現実世界の類推を考えてみましょう。

フィットネスクラブをたとえとして

さまざまな施設を備えたフィットネスクラブを想像してください。有酸素運動用のトレッドミル、筋力トレーニング用のスクワットラック、一般的な使用のためのダンベルなどがあります。メンバーは異なる嗜好を持っています：トレッドミルのみを利用する人、スクワットラックに焦点を当てる人、両方を交互に行う人もいます。

ジムが総メンバー数に基づいて一律の入場料を請求するシステムでは、効率が低下します。トレッドミルが混雑している日でもスクワットラックが余っている日には、一律料金が全員にとって高騰し、ウェイトトレーナーは引き起こしていない混雑のために支払わなければなりません。同様に、スクワットラックが高い需要があるときでもトレッドミルが空いているとき、有酸素運動をする人が不必要な費用を負担します。この一次元の価格設定はジムの収容能力を最も混雑したリソースに結びつけ、他の施設の未使用を引き起こします。これは一次元の価格設定モデルと見なすことができます。

ここで、ジムが多次元の価格設定モデルを導入していることを想像してみてください。定額料金の代わりに、トレッドミルとスクワットラックに別途料金がかかります。カーディオユーザーとウェイトトレーナーは、互いの使用状況の影響を受けなくなり、ジムはこれらのリソースを個別に管理することで、その能力を最適化できます。よりバランスの取れた利用により、ジムは全体的な混雑を増やさずにより多くの利用者に対応できます。

このアプローチは、リソースを別々の市場に分割して公平性と効率を向上させる多次元価格設定の本質を示しています。ただし、すべての機器ごとに個別の価格設定など、細かすぎるとシステムが使いにくくなります。そのため、フィットネスクラブでは、入場料の固定価格を設定し、単一次元の価格設定モデルを採用していることが一般的です。

トレッドミルとスクワットラックの料金を分けることで混雑を緩和できるのと同じように、イーサリアムは計算やデータ使用量などのリソースに別々の市場を使用することができます。

イーサリアムへの適用方法

EIP-4844の前、Ethereumはすべてのトランザクションリソース（計算、ストレージ、帯域幅を含む）が1つの指標であるガスにバンドルされる単一次元のガス価格モデルを使用していました。このモデルは、フィットネスクラブの比喩のように、効率性に欠ける傾向があります。

• コンピューティングなどの 1 つのリソースが頻繁に使用される場合、他のリソースが十分に活用されていない場合でも、すべてのユーザーの料金が上昇します。
• 特定のリソースに余剰容量がある場合、硬直したガスリミットのために使用されません。

この非効率性の典型例は、ロールアップが以前にトランザクションデータを保存していた方法です。 EIP-4844の前に、ロールアップはトランザクションデータをEthereumのcalldataフィールドに投稿し、calldataの価格設定に基づいてガス料金を支払っていました。 しかし、2024年3月にEIP-4844が採用されたことで、ロールアップは今やblobガスと呼ばれる別の単位を使用し、それにより専用構造体であるblobにデータを保存することができるようになりました。

EIP-4844はロールアップデータのための第2のガス次元（Blobガス）を導入しましたが、その範囲は限られています。BlobガスはBlobトランザクションにのみ適用されます。他のトランザクションコンポーネント（EVMの実行、calldata、およびストレージ）は、まだ単一のガスモデルの下で価格が設定されています。イーサリアムのトランザクションは依然として複数の独立したリソースを消費しますが、すべてのリソースがガスで価格が設定されており、効率の悪い最悪のケースのシナリオにつながります。

例えば、ある1つの取引がEVMの実行で現在の36Mのガスリミットをすべて消費するとします。イーサリアムノードがより大きなデータサイズを安全に処理できたとしても、取引はガスが複数の独立した制限ではなく単一の制約として扱われるため、追加のデータを伝播することはできません。

この問題は、イーサリアムのブロックサイズ分布を見るとさらに明白になります。2024年7月から2024年12月まで、平均ブロックサイズは約73KBで、ほとんどのブロックが100KB未満でした。しかし、ブロック#21419230、最大ブロックサイズは1.48MBに達し、平均の20倍以上になりました。

マルチディメンショナルなガス価格設定は、計算、ストレージ、および帯域幅ごとに独立して取り扱うことにより、この問題に対処します。この区別により、ガスコストを支配するリソースがなくなり、セキュリティリスクを増やさずに容量を最適化します。

Vitalik Buterin’s articles propose several key resource types for separation. Let’s explore these candidate resources and why separating them could improve イーサリアム’s scalability.

多次元ガス価格設定を通じて分離できるリソースは何ですか？

マルチ次元の手数料市場を設計する際、リソースの独立性は最も重要な要素の一つです。非常に相互依存関係の高い2つのリソースが別々の手数料市場に配置されると、非効率、誤価格設定、不必要な複雑さにつながる可能性があります。たとえば、計算（CPUサイクル）とメモリ使用量（RAM）が別々に価格設定されている場合、しかし、片方が他方に依存している場合、ユーザーは自らの間でコストを移動させることによってシステムを悪用する可能性があり、最適でない価格設定につながることがあります。

したがって、イーサリアムのリソースを個別のガス市場に分類する前に、ネットワーク経済を歪めることなく、どのリソースが独立して価格設定されるほど独立しているかをまず特定する必要があります。

その核心には、イーサリアムノードは複数のリソースを並行して管理するコンピューターです。従来のハードウェアリソースは、独立して最適化できる異なるコンポーネントに分類されます。

• 計算（CPU）– ADD、MULTIPLY、スマートコントラクトの実行などの操作を実行します。
• メモリI/O（RAM）- 一時データの読み書き、実行速度に影響を与える。
• ストレージI/O（SSD/HDDの読み書き）-永続的な状態アクセスに影響を与え、長期ストレージ効率に影響します。
• ストレージの成長（ディスクスペースの増加）- 格納されたデータの拡張により、ノードの持続可能性に影響を与えます。
• 帯埯（ネットワークデータ転送）- トランザクションやブロックデータを送信する能力。

重要な原則は並列処理可能性です: システムがこれらのリソースを独立して処理できる場合、価格設定のためにそれらを分離することは意味があります。これをイーサリアムに適用すると、イーサリアムのリソースを効率的に運用し、不要な依存関係なしに可能な限り効率的に運用するために、イーサリアムのリソースを分類できるようにする必要があります。

コンピューターとは異なり、イーサリアムの運用は1つのカテゴリにきれいに収まりません。多くの操作は複数のリソースを同時に消費するため、それらを完全に分離することは困難です。例えば

• トランザクションの calldata は、主に帯域幅を消費します。なぜなら、ネットワーク全体に送信されなければならないからです。また、ブロックチェーンには永久に残るため、ストレージの増加にも寄与します。
• SLOAD（Storage Read）はストレージI/Oを使用しますが、ノードがステートレスである場合、完全なノードから状態の証明を取得するために帯域幅も必要です。
• ストレージ書き込み（SSTORE）は、イーサリアムの永続的な状態を増やすため、長期的なストレージの膨張に寄与するため、読み取りよりもコストが高くなります。

これらの相互依存関係により、すべてのリソースを独自の価格設定市場に分けることは実用的ではありません。代わりに、イーサリアムのスケーラビリティに直接影響を与える最も重要なボトルネックに焦点を当てるべきです。

イーサリアムの運用には複数のリソースが関与していますが、現在議論されている多次元価格設定の候補は次のとおりです:

• 計算（EVM実行）- ADDやMULTIPLYなどの単純な演算は純粋なCPUタスクです。
• ストレージI/O（SSTORE/SLOAD）- イーサリアムのステート膨張に影響を与える永続的な読み書き。
• トランザクションコールデータ – 主に帯域幅を使用しますが、ストレージにも貢献します。
• ウィットネスデータ-特にステートレスクライアントにとって帯域幅とストレージI/Oに影響を与えます。

これらのカテゴリをコンピュータシステムのリソース管理方法に合わせることで、イーサリアムの料金体系をより直感的かつ効率的にすることができます。

理論上は、イーサリアムのリソースをさらに細かいカテゴリに分割することもできますが、そうすることで複雑さが増す一方で、それに見合った利点が得られるわけではありません。代わりに、今日のイーサリアムのパフォーマンスを制限している主要なボトルネックに焦点を当てるべきです。

例えば、トランザクションのcalldataサイズは直接最大ブロックサイズを決定し、これはイーサリアムのコンセンサスレイヤーにとって重要なボトルネックとなります。さらに、ストレージの成長はコントロールされなければならず、フルノードが運用コストが高すぎて中央集権化を維持できないようにする必要があります。

したがって、イーサリアムの効率を支配するいくつかの主要リソースに焦点を当てることが実用的です。

これらの主要なリソースが特定されたことで、多次元的な価格設定を実現するための2つの異なる方法、つまり、個別の料金市場または修正された単一のガスユニットを模索することができます。

多次元ガス価格設定の実装1: 各リソースに対する独立した手数料市場

多次元ガス価格設定を実装するアプローチの1つは、各リソースに独立した手数料市場を作成し、より効率的な割り当てを確保することです。この方法は、ロールアップデータストレージ用の独立した単位として blob gas を導入した EIP-4844 を通じて部分的に実装されています。

この概念は、状態の成長や証人のサイズなど、他のリソースにも拡張できるため、イーサリアムはすべてのコストを単一のガスメトリックにバンドルするのではなく、各リソースの制限を個別に管理できます。

このアプローチを形式化するために、bi をリソース i の基本料金、gi をトランザクションでのリソース i の消費、ki を 1 つのブロック内のリソース i の制限として定義しましょう。

取引手数料の合計はibi*gi​として計算され、ブロックはすべてのリソースiについてすべてのiのすべてのtxbi kiの制約を満たさなければなりません。現行のEIP-1559モデル同様、biは前のブロックの使用状況に基づいて動的に調整されます。Ethereumは指数関数的な価格モデル（ブロックガスに使用されるもの）や他の手数料更新メカニズムを採用してリソース消費を規制することができます。

独立した手数料市場モデルには重要な利点があります。 現在のガスモデルにおいて効率の悪い最悪のケースの見積もりを回避するのに役立つ独立したキャッピングを許可することで、各リソースに対する正確な制御を提供します。 また、不要な混雑を防ぎ、1つのリソースに対する高い需要が関連のない操作の手数料を過度に増加させないようにします。 さらに、このアプローチにより、データの伝播などの要因に直接制限を設定することで、ネットワークの使用を最適化し、1MBでその上限を設定したり、状態の成長などに依存せず、リソースの消費を調整するための間接的なガス価格の調整に頼ることがなくなります。

別々の手数料市場はリソースの効率的な割り当てを提供しますが、リソースを細かく細分化しすぎると複雑さが増します。あらゆる種類のリソースについて独立した市場を作成するには、主要なプロトコルの変更が必要であり、それによりイーサリアムの基本層の不安定化が懸念されます。DAppsやウォレットも追加の課題に直面します。各リソースのために複数の手数料市場を追跡し、ベース手数料の変動を予測する必要があり、コスト効率的でタイムリーな取引の含有がより困難になります。

別の問題は、1つのリソースが予測不可能な価格高騰を経験したときに発生します。ウォレットが他のすべてのリソースの手数料を最適化したとしても、1つの手数料市場が突然急上昇すると、トランザクションがブロックに含まれることが妨げられ、ユーザーにとって不確実性と非効率性につながる可能性があります。

バリデータは、それぞれのリソース制限の制約内で収益を最大化することを目指しているため、同様の課題に直面しています。独立したリソース市場の数が増えるにつれ、この状況は複雑な最適化問題となり、最も利益の高い取引を選択することがますます困難になる多次元ナップサック問題に似ています。

一部の人々は、これらの複雑さが最大抽出可能価値（MEV）の収益が検証者の利益に大きく貢献しており、優先手数料が彼らの意思決定においてそれほど重要でない可能性があると主張しています。ただし、各リソースに完全に独立した手数料市場を実装する全体的な実現可能性は、効率性、利用性、ネットワークの安定性のトレードオフをさらに探求することが必要なオープンな研究課題となっています。

多次元ガス価格設定の実装2：ガスを主要な単位として維持する

完全に手数料市場を分離するよりも簡単な代替手段は、ガスを主要な単位として保持しながら手数料の計算方法を調整することです。各リソースに新しい単位を導入する代わりに、トランザクション手数料の合計は最も多くのガスを消費するリソースによって決定されます。

リソース i のガス コストを ci として定義し、使用されるリソースの量を gi として定義しましょう。取引手数料は次のように決定されます。

(c1g1 , c2g2 , c3*g3,…)

リソースごとのガス使用量を合計する代わりに、トランザクションは消費する最も高価なリソースに基づいてのみ料金が請求されます。

例えば、EVMの実行に50,000ガス、calldataに200,000ガスを消費するトランザクションを考えてみましょう。このモデルでは、calldataが優先リソースであるため、トランザクション手数料は200,000ガスです。実行コストは事実上無視されます。

この方法では価格設定が簡素化されますが、潜在的な問題が発生します。

• 公平性の懸念: コールデータに 200K のガスを使用し、実行に 50K のガスを使用するトランザクションは、コールデータに 200K のガスを使用し、実行に 150K のガスを使用するトランザクションと同じ料金を支払います。これにより、複数のトランザクションを戦略的に組み合わせてコスト上の優位性を活用するバンドルが奨励されます。その結果、高度なオプティマイザーが恩恵を受け、通常のユーザーやDAppsにとってトランザクションコストの予測が難しくなる可能性があります。
• リソースの非効率性：最も消費量の多いリソースだけが重要であるため、ユーザーは意図的に他のリソースを追加コストなしで過剰利用する可能性があります。前述の例では、最大150KガスのEVM実行には追加料金がかからず、ネットワークを膨らませる無駄な取引が生じますが、コストは増えません。

これらの懸念にもかかわらず、このアプローチの主な利点はその単純さです。 イーサリアムはガスを普遍的な価格単位として保持することにより、複数のリソース単位を管理する複雑さを回避しつつ、さまざまなリソース使用の違いを区別しています。

EIP-7623, which will be implemented in the ペクトラのアップグレード, 似ていますが、わずかに修正されたアプローチに従います。これは、calldata-heavyトランザクションに対するデュアルプライシングメカニズムを導入し、不均衡な高いcalldata使用量のトランザクションがより高い手数料を支払うことを保証します。これは完全な多次元ガス価格モデルではありませんが、Ethereumのガス構造を大幅に変更することなく、リソースの適切な差別化に向けた一歩を表しています。

EIP-7623は多次元ガス価格とどのように関連していますか?

EIP-7623 では、特に calldata の使用量が実行ガスの使用量を大幅に上回る場合に、データ可用性 (DA) トランザクションの料金が高くなっています。このメカニズムにより、過剰なコールデータを消費するトランザクションはより高い料金を支払うようになり、新しい価格単位を必要とせずに不要なデータストレージを思いとどまらせます。

EIP-7623のガス計算の簡略版は次の通りです:

total_gas_used max(4tokens_in_calldata + evm_gas_used, 10*tokens_in_calldata)

さらに単純化されます:

total_gas_used 4tokens_in_calldata + max(evm_gas_used, 6*tokens_in_calldata)

この式は、実行ガスとコールデータガスのうち大きい方を取ることで総ガス使用量を決定します。トランザクションが主にコールデータを使用する場合、実行コストが低下する代わりにコールデータに対して高い手数料が請求されます。これにより、過剰なデータの保存を des し、計算負荷の高いトランザクションが不当に罰せられることを防ぎます。

EIP-7623は、実行ガスとコールデータガスの間に暗黙的な区別を導入するため、ネットワークリソースのよりバランスの取れた割り当てを促進する、多次元ガス価格の簡略化バージョンです。

結論

多次元のガス価格設定は、経済性やUI/UXの強化と見なされることがよくありますが、リソース配分の最適化を可能にする根本的なスケーラビリティの向上です。しかし、その実装は、主にプロトコル層の大幅な変更が必要であり、リソースタイプを完全に分離することの難しさのために、大きな課題に直面しています。その結果、より次元の高いガス価格設定がすぐに採用される可能性は低いと思われます。

これらの課題にもかかわらず、多次元ガス価格設定は、リソースの効率的な利用の向上、ネットワークセキュリティの強化、持続可能なノードの運用など、大きな利点を提供します。イーサリアムの計算能力とストレージ容量をより効率的に活用することで、イーサリアムが分散化とセキュリティを維持しながらスケーリングするための実現可能な道筋が示されます。

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