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Ethereum

Ethereumの仕組み

① P2Pネットワークプロトコル

Ethereumは分散型のP2P（Peer-to-Peer）ネットワークを基盤としています。このネットワークはDevP2Pと呼ばれるプロトコルスタックを使用しています。

graph TD
    A[Ethereum ノード] -- DevP2P --> B[Ethereum ノード]
    A -- DevP2P --> C[Ethereum ノード]
    B -- DevP2P --> C
    B -- DevP2P --> D[Ethereum ノード]
    C -- DevP2P --> D
    A -- DevP2P --> D

    subgraph "DevP2P プロトコルスタック"
    E[アプリケーションプロトコル:eth,les,snap等]
    F[RLPx トランスポート]
    G[ディスカバリープロトコル]
    end

DevP2Pの主要コンポーネント

  • ノードディスカバリー：Kademlia DHT（分散ハッシュテーブル）ベースのプロトコルを使用して新しいピアを発見します。UDPを使用します。
  • RLPx：暗号化されたトランスポートプロトコルで、ノード間の安全な通信を可能にします。TCPを使用します。
  • サブプロトコル：eth（メインのEthereumプロトコル）、les（Light Ethereum Subprotocol）、snap（スナップショットシンク）などがあります。

各ノードは、ブロックとトランザクションの伝播を通じてネットワークの状態を同期します。

② ETH1署名の仕様

Ethereum 1.0（執行層）では、楕円曲線デジタル署名アルゴリズム（ECDSA）を使用してトランザクションに署名します。具体的にはsecp256k1曲線が使用されています。

sequenceDiagram
    participant A as ユーザー
    participant B as 秘密鍵
    participant C as トランザクションデータ
    participant D as 署名生成
    participant E as ネットワーク

    A->>B: 秘密鍵を保持
    A->>C: トランザクションを作成
    C->>D: トランザクションハッシュの計算
    B->>D: 秘密鍵を使用
    D->>E: 署名付きトランザクションを送信
    Note over D: ECDSA (secp256k1)

署名プロセス

  • メッセージハッシュ：トランザクションデータをKeccak-256（Ethereumの変形SHA-3）でハッシュ化
  • 署名生成：秘密鍵を使用してハッシュに署名（r, s, v の3つの値で構成）
  • v値：リカバリーID（鍵の復元に使用）、チェーンIDを含む場合があります
  • アドレス検証：署名から公開鍵を復元し、それをハッシュ化してアドレスと比較

③ ETH2署名の仕様

Ethereum 2.0（コンセンサス層）では、BLS（Boneh-Lynn-Shacham）署名が使用されています。これはより効率的な集約署名を可能にします。

graph TD
    A[バリデータ] -->|秘密鍵| B[BLS署名生成]
    C[メッセージ/アテステーション] --> B
    B --> D[署名]
    E[他のバリデータの署名] --> F[署名集約]
    D --> F
    F --> G[集約署名]
    G --> H[検証]

    subgraph "BLS署名の特徴"
    I[署名集約が可能]
    J[検証の効率化]
    K[決定的な署名]
    end

BLS署名の主要特性

  • 署名の集約：複数の署名を単一の署名に集約でき、検証が効率的になります
  • 決定的：同じメッセージと秘密鍵から常に同じ署名が生成されます
  • 使用曲線：BLS12-381楕円曲線を使用しています
  • 適用場所：主にステーキング、アテステーション、ブロック提案に使用されます

④ ブロックチェーンの仕様

Ethereumのブロックチェーンは、トランザクションを含むブロックがリンクされた構造を持ちます。現在はEthereum 1.0（執行層）とEthereum 2.0（コンセンサス層）が共存しています。

graph LR
    A[ジェネシスブロック] --> B[ブロック #1]
    B --> C[ブロック #2]
    C --> D[...]
    D --> E[ブロック #n-1]
    E --> F[ブロック #n]

    subgraph "Ethereum 2.0（コンセンサス層）"
    G[ビーコンチェーン]
    H[シャード 0]
    I[シャード 1]
    J[...]
    K[シャード 63]
    end

    subgraph "Ethereum 1.0（執行層）"
    F
    end

    G --- F

Ethereum 1.0（執行層）のブロック構造

  • ヘッダー：前のブロックハッシュ、タイムスタンプ、難易度、ノンス等のメタデータ
  • トランザクションリスト：ブロックに含まれる全てのトランザクション
  • アンクルブロックヘッダー：（あれば）有効だが、メインチェーンに含まれなかったブロック
  • ステート：全アカウントの最新状態（直接ブロックには保存されず、マークルパトリシアツリーで参照）

Ethereum 2.0（コンセンサス層）の構造

  • ビーコンチェーン：システム全体を調整するメインチェーン
  • エポック：32スロット（約6.4分）で構成される時間単位
  • スロット：12秒ごとのブロック生成機会
  • バリデータ：32 ETHをステーキングして、ブロック生成と検証に参加するノード
  • シャード：並列処理を可能にする64のチェーン（将来的に実装予定）

Ethereumは2022年9月のマージ以降、コンセンサスメカニズムとしてPoW（Proof of Work）からPoS（Proof of Stake）に移行しました。これにより、エネルギー消費を大幅に削減し、スケーラビリティを向上させています。

flowchart TD
    A[トランザクション] --> B[メモリプール]
    B --> C[バリデータ選択]
    C --> D[ブロック提案]
    D --> E[アテステーション]
    E --> F[ファイナリティ]
    F --> G[ブロックチェーンに追加]

    subgraph "PoS コンセンサス"
    C
    D
    E
    F
    end

PoSシステムでは、バリデータはランダムに選択され、彼らの持つステーク（預けたETH）に比例して選ばれる確率が高くなります。不正行為をすると、ステークの一部または全部が没収される仕組み（スラッシング）があり、セキュリティを確保しています。