ステートマシン

暗号資産におけるステートマシンとは？

ステートマシンとは、入力を受け取り、固定されたルールを適用することで、ある有効な状態から別の有効な状態へ移行するシステムです。

暗号資産においてステートマシンは、ブロックチェーンが残高、アカウント、スマートコントラクト、UTXO、バリデーター記録、その他のオンチェーンデータをどのように更新するかを説明する中核モデルです。

状態とは、ブロックチェーンの現在の状態です。

入力は通常、トランザクション、ブロック、メッセージ、スマートコントラクト呼び出しです。

状態遷移関数とは、入力が有効かどうかと、状態をどのように変更するかを決定するプロトコルロジックです。

同じ有効な入力を同じ開始状態に適用した場合、すべての誠実なノードは同じ終了状態に到達する必要があります。

この決定論的な動作により、数千の独立したコンピューターが中央データベースを信頼せずに、1つの共有ブロックチェーンについて合意できます。

公式のEthereum whitepaperでは、Ethereumの状態はアカウントで構成され、状態遷移はアカウント間の価値と情報の移転として説明されています。

簡単に言えば、ブロックチェーンのステートマシンは、古いブロックチェーンデータと新しいトランザクションを新しいブロックチェーン状態へ変換するルールエンジンです。

ブロックチェーンでステートマシンが重要な理由

ステートマシンが重要なのは、ブロックチェーンは多数の異なるコンピューターで同じ結果を生成しなければならない共有システムだからです。

ブロックチェーンは、正しい残高またはコントラクト値について1社のサーバーだけに依存することはできません。

代わりに、ネットワークにはすべてのノードが独立して実行できるルールが必要です。

ブロックが提案されると、ノードはそのブロック内のトランザクションを検証し、プロトコルルールを適用します。

ブロック内のトランザクションが有効な新しい状態を生み出す場合、そのブロックは受け入れられます。

トランザクションがルールを破る場合、誠実なノードはそのブロックを拒否します。

これにより、ブロックチェーンは多くの参加者が互いを知らず、信頼していない場合でも完全性を維持します。

ステートマシンは、ブロックチェーン履歴だけでは不十分である理由をユーザーが理解するのにも役立ちます。

トランザクションはユーザーが何を試みたかを記録しますが、そのトランザクションが実際に何を変更したかはステートマシンが決定します。

最終結果は、すべての誠実なノードが再現できる新しい状態です。

状態、入力、状態遷移関数

すべてのブロックチェーンステートマシンには、状態、入力、状態遷移関数という3つの基本要素があります。

状態とは、ブロックチェーンが新しい操作を処理するために必要とする、現在のデータ集合です。

アカウントベースのブロックチェーンでは、状態にはアカウント残高、nonce、コントラクトコード、コントラクトストレージが含まれる場合があります。

UTXOベースのブロックチェーンでは、状態には、まだ使用可能な未使用トランザクション出力の集合が含まれる場合があります。

入力とは、システムに送信される新しい操作です。

ほとんどの暗号資産ネットワークで最も一般的な入力は、署名済みトランザクションです。

状態遷移関数とは、入力を確認して状態を更新するルールセットです。

例えば、トランザクションは、署名が正しく、送信者に十分な残高があり、nonceが正しく、手数料が支払われている場合にのみ有効となることがあります。

すべてのルールを満たした場合、ステートマシンはトランザクションを適用し、新しい状態を作成します。

必要なルールのいずれかを満たさない場合、状態遷移は拒否されるか、プロトコルルールに従ってトランザクションが失敗します。

複製ステートマシンとしてのブロックチェーン

ブロックチェーンは、多数のノードが同じ状態のコピーを維持し、同じトランザクションを同じ順序で適用するため、複製ステートマシンとよく表現されます。

複製とは、1台の中央サーバーではなく、多数のコンピューターがシステムを保持・更新することを意味します。

ステートマシンとは、それらのコンピューターが同じ決定論的な遷移ルールに従うことを意味します。

同じトランザクションでも異なる順序で適用すると異なる結果が生じる可能性があるため、トランザクションの順序は重要です。

コンセンサスメカニズムは、ネットワークがブロックとトランザクションの順序について合意するのに役立ちます。

順序が合意されると、各ノードはトランザクションを実行し、新しい状態を計算できます。

公式のCometBFT documentationでは、CometBFTは決定論的有限ステートマシンのためのByzantine Fault Tolerantなステートマシン複製を実行するソフトウェアとして説明されています。

この説明は、多くのブロックチェーンシステムの背後にある一般的な考え方を捉えています。

コンセンサスは順序付けられた入力について合意し、ステートマシンはその入力を適用して次の状態を生成します。

ブロックチェーンは、両方の部分が正しい場合にのみ機能します。

暗号資産のステートマシンにおける決定性

決定性とは、同じ状態に同じ入力を適用すると、常に同じ出力が生成されることを意味します。

独立したノードが同じ結果に到達する必要があるため、暗号資産のステートマシンは決定論的でなければなりません。

あるノードが別の誠実なノードと異なる結果を計算すると、ネットワークが分岐したり、ブロックが拒否されたりする可能性があります。

このため、スマートコントラクトはローカルコンピューターの通常の乱数に依存できません。

また、ブロックチェーンがガス計算、署名、算術、ストレージ更新、トランザクション順序について正確なルールを定義する理由でもあります。

実行上の小さな違いでも、最終的なステートルートまたは台帳結果を変える場合は危険になり得ます。

スマートコントラクトのコードは大きな価値を扱う場合があるため、決定性はスマートコントラクトプラットフォームで特に重要です。

コントラクト関数は、同じ条件下で実行するすべてのバリデーターに対し、同じ結果を生成する必要があります。

このため、ブロックチェーンプログラミングは通常のWebプログラミングより厳格です。

ステートマシンは、遷移ルールが予測可能で再現可能な場合にのみ信頼できます。

ステートマシンとしてのEthereum

Ethereumはブロックチェーンステートマシンの最も明確な例の1つです。

Ethereum whitepaperでは、Ethereumはアカウントで構成される状態を持ち、各アカウントにはnonce、残高、コントラクトコード、ストレージが含まれると説明されています。

トランザクションは、価値の移転、コントラクトの作成、コントラクトの呼び出し、コントラクトストレージの変更を通じて状態遷移を引き起こします。

Ethereum Virtual Machine、すなわちEVMは、スマートコントラクトコードを処理する実行環境です。

公式のEthereum EVM documentationでは、EVMはすべてのEthereumノードでコードを一貫して安全に実行する分散型仮想環境として説明されています。

つまり、EVMはEthereumの状態遷移機構の一部です。

トランザクションがスマートコントラクトを呼び出すと、EVMはコントラクト命令を実行し、結果として生じる状態変更を計算します。

これらの変更には、残高更新、ストレージ書き込み、ログ、コントラクト作成、ガス消費が含まれる場合があります。

すべてのノードが同じ開始状態から同じトランザクションを実行する場合、すべての誠実なノードは同じ終了状態に到達する必要があります。

これにより、Ethereumは中央アプリサーバーに依存せず、プログラム可能なアプリケーションをサポートできます。

Ethereumのワールドステート

Ethereumのワールドステートは、すべてのEthereumアカウントの現在のグローバル状態です。

これには、秘密鍵で制御される外部所有アカウントと、コードで制御されるコントラクトアカウントが含まれます。

公式のEthereum Merkle Patricia Trie documentationでは、Ethereumにはグローバルなステートトライが1つ存在し、クライアントがブロックを処理するたびに更新されると説明されています。

このステートトライは、現在のワールドステートにコミットするステートルートを生成します。

ステートルートはブロックヘッダーに保存されます。

1つのアカウント残高またはコントラクトストレージ値が変化すると、結果のステートルートも変化するはずです。

これによりEthereumは、各ブロック後の状態全体に関するコンパクトな暗号学的フィンガープリントを得ます。

ステートマシンがワールドステートを更新し、ステートルートによりノードは結果について合意していることを検証できます。

この設計は、実行、ストレージ、コンセンサスを結び付けます。

共有ワールドステートがなければ、Ethereumのスマートコントラクトには読み取り・書き込みを行う共通の環境がありません。

ステートマシンとしてのBitcoin

Bitcoinもステートマシンですが、Ethereumとは異なる状態モデルを使用します。

BitcoinはEthereumのようなグローバルアカウントシステムを使用しません。

代わりにBitcoinはUTXOモデルを使用し、現在使用可能な状態は未使用トランザクション出力の集合です。

公式のBitcoin developer guide on transactionsでは、トランザクションは未使用トランザクション出力を使用し、新しい出力を作成すると説明されています。

Bitcoinトランザクションは、まだ使用されていない既存のUTXOを使用する場合にのみ有効です。

有効なトランザクションが受け入れられると、消費されたUTXOは使用可能な集合から削除されます。

トランザクションによって作成された新しい出力は、新しいUTXOになります。

つまり、Bitcoinの状態遷移関数はUTXOセットを更新します。

BitcoinのステートマシンはEthereumのスマートコントラクトモデルほど汎用的ではありませんが、所有状態を更新する決定論的なシステムです。

重要な考え方は同じです。有効なトランザクションがシステムをある有効な状態から次の状態へ移行させます。

アカウントモデルとUTXOステートマシン

アカウントモデルとUTXOモデルは、ブロックチェーンステートマシンを設計する2つの異なる方法です。

アカウントモデルでは、状態にアカウントと残高が含まれます。

あるユーザーから別のユーザーへのトランザクションは通常、送信者の残高を減らし、受信者の残高を増やします。

スマートコントラクトプラットフォームは、コントラクトに永続ストレージと直接的な状態更新が必要なため、アカウントベースの設計を採用することが多くあります。

UTXOモデルでは、状態にはアカウント残高ではなく未使用出力が含まれます。

トランザクションは古い出力を消費し、新しい出力を作成します。

ウォレットは単純な残高を表示する場合がありますが、その残高は通常、ユーザーが使用できる出力から計算されます。

アカウントモデルは、アプリケーション開発者にとってより直感的に感じられる場合があります。

UTXOモデルは、一部の並列検証やコイン追跡をより自然にする場合があります。

どちらのモデルも、有効な状態と有効な状態遷移を定義するため、ステートマシンです。

スマートコントラクトとステートマシン

スマートコントラクトは、ブロックチェーンのステートマシン内で実行されるプログラムです。

スマートコントラクトは、データを保存し、ルールを適用し、資産を受け取り、資産を送信し、他のコントラクトと相互作用できます。

ユーザーがスマートコントラクトを呼び出す際、ブロックチェーンは単にメッセージを記録するだけではありません。

ネットワークはコントラクトコードを実行し、その結果に応じて状態を更新します。

例えば、トークン送転コントラクトは、コントラクトストレージ内で一方のユーザーのトークン残高を減らし、他方のユーザーのトークン残高を増やす場合があります。

レンディングコントラクトは、担保残高、債務残高、金利インデックス、強制決済状態を更新する場合があります。

分散型取引所のコントラクトは、流動性プールの準備金とユーザーポジションを更新する場合があります。

これらの操作はすべて状態遷移です。

スマートコントラクトは実際の価値を扱えるため、その状態遷移ロジックは決定論的で安全であり、慎重にテストされなければなりません。

コントラクトの状態遷移ルールのバグは、資金喪失やアプリケーション動作の不具合につながる可能性があります。

ステートマシンとコンセンサス

ステートマシンはコンセンサスメカニズムと同じものではありません。

ステートマシンは、トランザクションが適用された際に状態がどのように変化するかを定義します。

コンセンサスは、どのトランザクションとブロックを適用すべきかについてネットワークがどのように合意するかを定義します。

ブロックチェーンには両方が必要です。

ネットワークに有効なステートマシンがあってもコンセンサスがなければ、ノードは異なるトランザクション順序を適用して異なる状態に到達する可能性があります。

ネットワークにコンセンサスがあってもステートマシンに欠陥があれば、ノードは安全でない、または誤った結果を生むブロックに合意する可能性があります。

コンセンサスは順序付けられた入力ストリームを選択します。

ステートマシンはその入力ストリームを実行します。

順序と実行ルールの両方が正しい場合にのみ、最終状態は正しくなります。

この区別により、ブロックチェーンにはバリデータールールと実行ルールの両方がある理由をユーザーは理解できます。

状態遷移関数

状態遷移関数とは、古い状態と入力を新しい状態に対応付ける正式なルールです。

単純な表記では、新しい状態は古い状態とトランザクションに状態遷移関数を適用したものとして記述できます。

暗号資産ネットワークでは、この関数は署名、残高、nonce、手数料、ガス上限、コントラクトコード、プロトコル固有のルールを確認します。

入力が有効な場合、この関数は有効な新しい状態を生成します。

入力が無効な場合、この関数はネットワークルールに従って入力を拒否するか、実行失敗として扱います。

Ethereumの状態遷移関数には、EVM実行、ガス計算、ストレージ更新、イベントログが含まれる場合があります。

Bitcoinの状態遷移関数は、入力が有効なUTXOを使用していることと、出力がスクリプトおよび価値のルールに従っていることを確認します。

他のブロックチェーンは、モジュール、pallet、Moveオブジェクト、リソース、アプリケーション固有のロジックを通じて状態遷移を定義する場合があります。

状態遷移関数はステートマシンの中心です。

これにより、ブロックチェーンは人間の運用者が手動で残高を更新せずに前進できます。

ステートマシン複製

ステートマシン複製とは、多数のマシンで同じ決定論的ステートマシンを実行し、同期を維持するプロセスです。

ブロックチェーンシステムでは、多数のノードが同じ順序のトランザクションを処理し、同じ結果を計算することを意味します。

このモデルは耐障害性を提供するため有用です。

1つのノードがオフラインになっても、他のノードが状態を保持・更新します。

1つのノードが虚偽を述べても、他のノードは無効な結果を拒否できます。

ユーザーがシステムを検証したい場合、ノードを実行し、自身で状態遷移を確認できます。

CometBFTは、ドキュメントで決定論的有限ステートマシンのBFTステートマシン複製を明示的に説明しているため、この考え方の有力な例です。

多くのアプリチェーンおよびモジュラーブロックチェーン設計では、この考え方を使用し、コンセンサスとアプリケーションロジックを分離しています。

コンセンサスレイヤーはトランザクションを順序付け、アプリケーションステートマシンはそれらのトランザクションの意味を定義します。

この分離により、開発者は複製のためのコンセンサスエンジンに依存しつつ、カスタムのブロックチェーンアプリケーションを構築できます。

アプリケーション固有のステートマシン

アプリケーション固有のブロックチェーンとは、特定のアプリケーションまたはユースケースのために構築されたブロックチェーンです。

この設計では、ブロックチェーンのステートマシンをアプリケーションのルールに合わせてカスタマイズできます。

決済チェーンでは、単純な残高と送転を定義する場合があります。

分散型取引所チェーンでは、注文板、流動性プール、マッチングルールを定義する場合があります。

ゲームチェーンでは、プレイヤー、アイテム、対戦、報酬を定義する場合があります。

ガバナンスチェーンでは、提案、投票、委任、トレジャリールールを定義する場合があります。

これは、多数のアプリケーションが1つの実行環境を共有する汎用スマートコントラクトプラットフォームとは異なります。

アプリケーション固有のステートマシンは、あらゆる可能なユースケースをサポートする必要がないため、より効率的になる場合があります。

また、ルールが限定されているため、理解しやすい場合があります。

トレードオフは、共有スマートコントラクトプラットフォームより汎用的なコンポーザビリティが低い可能性があることです。

ステートマシンと仮想マシン

ブロックチェーン仮想マシンは、ステートマシン内でコードを実行する実行環境です。

EVMは最もよく知られる例です。

他のブロックチェーンエコシステムでは、異なる仮想マシンまたは実行環境が使用されています。

仮想マシンは、命令の解釈方法、メモリの仕組み、ストレージへのアクセス、ガスの課金、エラー処理を定義します。

ステートマシンは、プログラム可能なトランザクションを処理するために仮想マシンを使用します。

例えば、Ethereumがスマートコントラクト呼び出しを実行する際、EVMがバイトコードを実行して状態変更を生成します。

すべてのノードが同じ結果を計算できるよう、仮想マシンは決定論的でなければなりません。

仮想マシンはブロックチェーン全体ではありませんが、実行レイヤーの重要な部分です。

ブロックチェーンのステートマシンには、仮想マシン、アカウントルール、手数料ルール、トランザクションルール、状態更新ルールが含まれます。

この関係を理解することは、実行環境がコンセンサス上重要である理由を開発者が理解するのに役立ちます。

ステートマシンとガス

ガスとは、多くのスマートコントラクトブロックチェーンで、実行を制限し料金を課すために使用される価格設定システムです。

公式のEthereum gas documentationでは、ガスはEthereum上で操作を実行するために必要な計算努力量を測定する単位を指すと説明されています。

トランザクション実行はリソースを消費するため、ガスはステートマシンの一部です。

ガス上限がなければ、トランザクションが永久に実行されたり、過剰な計算を消費したりする可能性があります。

ガスは計算量を測定可能にし、ユーザーが無制限の作業をすべてのノードに無料で強制することを防ぎます。

トランザクションはガス不足で失敗する可能性があるため、ガスは状態遷移にも影響します。

実行が失敗した場合でも、ノードは実行を試みるためにリソースを消費しているため、手数料が支払われる場合があります。

非効率な状態遷移はユーザーにとって高コストになる可能性があるため、スマートコントラクト開発者はガスを理解する必要があります。

トランザクション手数料はブロックチェーン状態を変更するコストの一部であるため、ユーザーもガスを理解する必要があります。

ガスは、ステートマシンが正確性とリソース使用量の両方を管理しなければならないことを示しています。

ステートマシンとステートルート

多くのブロックチェーンは、各ブロック後の状態を要約するために暗号学的コミットメントを使用します。

Ethereumでは、ステートルートがトランザクション実行後のワールドステートにコミットします。

ステートルートは状態そのものではありません。

状態に対するコンパクトなハッシュベースのコミットメントです。

ノードが同じブロックを処理して同じステートルートを計算する場合、結果の状態について合意している証拠となります。

ノードが異なるステートルートを計算した場合、ブロック、実行、またはクライアント実装のどこかに問題があります。

ステートルートは、特定の値がコミット済み状態に存在したことを示す証明も支援します。

これは、ライトクライアント、ブリッジ、監査人、クロスチェーンシステムにとって重要です。

ステートマシンはデータを更新し、ステートルートは更新後のデータが何であるかを証明するのに役立ちます。

これにより、ブロックチェーンは実行結果を暗号学的検証に結び付けます。

ステートマシンとノード

ノードは、ブロックチェーンソフトウェアを実行し、ステートマシンを維持する実際のコンピューターです。

公式のEthereum technical introductionでは、ノードはEVM状態を保存し、状態変更を伝播するために互いに通信すると説明されています。

フルノードはトランザクションを実行し、結果の状態が有効か確認することでブロックを検証します。

バリデーターまたはブロック生成者が新しいブロックを提案する場合でも、他のノードはそれを検証する必要があります。

この独立した検証は、ブロックチェーンが信頼を最小化できる主な理由の1つです。

自身のノードを実行するユーザーは、現在の状態について第三者のサーバーを信頼する必要がありません。

受け入れられたブロックから自身で状態を計算できます。

ただし、ノードの運用にはハードウェア、帯域幅、ストレージ、メンテナンスが必要です。

状態の増大により、時間とともにノードの運用が難しくなる可能性があります。

このため、ステートマシン設計は実行だけでなく分散化にも影響します。

ステートマシンとファイナリティ

ファイナリティとは、プロトコルの前提の下で、状態遷移が決済済みとみなされ、覆すことが極めて困難または不可能になることを意味します。

ファイナリティ前では、トランザクションはブロックに含まれていても、再編成リスクに直面する可能性があります。

ファイナリティ後、ユーザーは状態遷移が正規チェーンの一部として維持されることに、より強い確信を持てます。

ブロックチェーンごとにファイナリティの定義は異なります。

一部のチェーンは確率的ファイナリティを持ち、ブロックが追加されるほど確信が高まります。

一部のチェーンは経済的またはBFT型のファイナリティを持ち、バリデーターはスラッシングまたはコンセンサスルールの下でブロックにコミットします。

フォーク中にはステートマシンが一時的に競合する複数の履歴を持つ可能性があるため、ファイナリティは重要です。

コンセンサスはどの履歴が正規になるかを解決します。

ユーザーが通常重視するのは、状態遷移が起きたことだけでなく、それが受け入れられた状態で維持されることです。

ブロックチェーンステートマシンは、ユーザーが状態変更が決済済みであると信頼できる場合にのみ、金融において有用になります。

ステートマシンとフォーク

フォークは、異なるノードが一時的または恒久的に異なるブロック履歴に従う場合に発生することがあります。

2つの履歴に異なるトランザクションが含まれる場合、それぞれ異なる状態を生成する可能性があります。

コンセンサスルールは、プロトコルに従ってどのチェーンが正規かを決定します。

一時的なフォークは、分散型ネットワークで自然に発生することがあります。

恒久的なフォークは、コミュニティまたはソフトウェアクライアントが意図的に異なるプロトコルルールに従う場合に発生することがあります。

ステートマシンのフォークは、残高、コントラクト、台帳履歴の2つの異なるバージョンを生み出す可能性があるため深刻です。

2つのネットワークがフォーク地点まで履歴を共有している場合、その時点では同じ開始状態を共有しています。

フォーク後は、異なるトランザクション順序または異なるルールにより、異なる状態が生じる可能性があります。

このため、プロトコルアップグレードは慎重に調整する必要があります。

同じネットワークにとどまりたいすべての誠実な参加者は、互換性のある状態遷移ルールを実行しなければなりません。

ステートマシンとスマートコントラクトのバグ

スマートコントラクトはブロックチェーンステートマシンの一部であるため、スマートコントラクトのバグは危険です。

バグは意図しない状態遷移を定義する可能性があります。

例えば、コントラクトが攻撃者に意図した以上の資金を引き出させる可能性があります。

コントラクトが残高を誤った順序で更新する可能性があります。

コントラクトが状態変更前に認可を確認しない可能性があります。

コントラクトがリエントランシー、算術ミス、安全でないアップグレード動作を許す可能性があります。

トランザクションが一度受け入れられると、その結果の状態変更は、例外的な社会的調整なしには覆すことが困難または不可能になる場合があります。

このため、スマートコントラクト監査、テスト、形式検証、慎重な設計が重要です。

ブロックチェーンステートマシンは、そのロジックが経済的に有害であっても、有効なコントラクトロジックを忠実に実行します。

したがって、コードの正確性は状態の安全性の一部です。

ステートマシンとオラクル

オラクルは、ブロックチェーンアプリケーションに外部データを提供します。

ブロックチェーンのステートマシンは、それ自体ではオフチェーンの事実を直接知ることができないため、オラクルは重要です。

例えば、レンディングコントラクトにはトークン価格が必要な場合があります。

予測市場にはイベント結果が必要な場合があります。

合成資産システムには参照インデックスが必要な場合があります。

オラクルは、ステートマシンへの入力となるデータを送信します。

オラクルデータが誤っている、遅延している、操作されている、または利用できない場合、結果として生じる状態遷移も誤る可能性があります。

つまり、実世界の情報に依存するアプリケーションでは、オラクル設計が極めて重要です。

決定論的なステートマシンは、受け取ったデータを決定論的に処理できるだけです。

オラクルシステムが信頼でき安全でない限り、オフチェーンデータが真実であることを保証することはできません。

ステートマシンとステートブロート

ステートブロートは、ブロックチェーンのアクティブな状態が過度に大きくなったときに発生します。

すべてのアカウント、ストレージスロット、コントラクト、注文、ポジション、データエントリーが、ノードが維持すべき状態を増加させる可能性があります。

状態が大きくなると、ノードのストレージ要件、同期時間、データベース負荷、ハードウェアコストが増加する可能性があります。

ノードを実行できる人が減ると、分散化に悪影響が出る可能性があります。

このため、多くのブロックチェーンでは永続ストレージに手数料またはデポジットを課しています。

すべての状態遷移がデータを追加、変更、削除し得るため、ステートブロートはステートマシンの問題です。

適切に設計されたステートマシンは、有用なアプリケーションを支援しつつ、不要な状態の増大を抑制すべきです。

ガス代、ストレージレンタル、状態の有効期限、プルーニング、状態コミットメントの改善は、すべてこの問題に関係しています。

ブロックチェーンステートマシンが強力になるほど、長期的な状態をより慎重に管理する必要があります。

スケーリングは、1秒当たりのトランザクション数だけでなく、持続可能な状態の増大にも関係します。

ステートマシンとLayer 2ネットワーク

Layer 2ネットワークもステートマシンを使用します。

例えばロールアップには、ユーザーがトランザクションを送信するたびに変化する独自の状態があります。

ロールアップは、トランザクションデータ、ステートルート、有効性証明、不正証明データをベースレイヤーに公開する場合があります。

ベースレイヤーは、必ずしもすべてのLayer 2トランザクションを直接実行するわけではありません。

代わりに、ロールアップ設計に従ってLayer 2状態の決済または検証を支援します。

つまり、Layer 2はLayer 1ステートマシンに接続された別のステートマシンとして理解できます。

ユーザーはLayer 2の状態遷移が有効で出金可能であるという確信を必要とするため、クロスレイヤー設計は複雑です。

データ可用性、証明システム、ブリッジ、シーケンサー、決済ルールはいずれも重要です。

Layer 2スケーリングはステートマシンをなくすものではありません。

ベースレイヤーのセキュリティに異なる形で依存する、より専門化されたステートマシンを追加します。

ステートマシンとブリッジ

ブリッジは、チェーンまたはレイヤー間のステートマシンを接続します。

ブリッジは、あるチェーン上でイベント、メッセージ、または状態遷移が発生したことを証明してから、別のチェーンで資産を解放またはミントする必要がある場合があります。

各ブロックチェーンには独自のコンセンサス、ファイナリティルール、状態モデル、証明システムがあるため、これは困難です。

状態を誤解するブリッジは安全でなくなる可能性があります。

例えば、ブリッジはメッセージがファイナリティに達する前に受け入れる可能性があります。

弱いバリデーターセットに依存する可能性があります。

正しいステートルートまたは証明を検証できない可能性があります。

受信側ステートマシンのスマートコントラクトにバグを含む可能性があります。

したがって、ブリッジはステートマシンが相互作用する最も高リスクな場所の1つです。

ユーザーは、ステートマシン間を移動した後も資産が同等に安全であると考えるべきではありません。

ステートマシンとガバナンス

ガバナンスはブロックチェーンステートマシンのルールを変更できます。

プロトコルアップグレードにより、新しいトランザクションタイプの追加、ガスコストの変更、ステーキングルールの変更、新しいopcodeの導入、ストレージ価格の調整が行われる場合があります。

これらの変更は、将来の状態遷移の仕組みに影響します。

したがって、ガバナンスの決定は政治的または社会的な決定だけではありません。

有効なブロックチェーン動作を定義するルールエンジンの変更でもあります。

ガバナンスプロセスが弱い、急ぎすぎる、または乗っ取られている場合、ステートマシンの安全性を損なう可能性があります。

ガバナンスプロセスが明確で十分にテストされている場合、ネットワークの進化に役立つ可能性があります。

アップグレードはクライアントソフトウェア全体で慎重に実装する必要があります。

クライアントが遷移ルールで一致しない場合、ネットワークはフォークする可能性があります。

優れたガバナンスは共有ステートマシンの継続性を守ります。

ステートマシンとウォレット

ウォレットは、ブロックチェーンステートマシンと相互作用するためのユーザーインターフェースです。

ウォレットが残高を表示する際、状態または状態から導出されたインデックス化データを読み取っています。

ウォレットがユーザーにトランザクションへの署名を求める際、ステートマシンへの入力を準備しています。

ユーザーがトークンを承認し、資産をスワップし、NFTをミントする際、ウォレットは状態を変更する操作の送信を支援します。

このため、ウォレットのプロンプトは非常に重要です。

ユーザーは、署名前にどの状態変更を承認するのかを理解すべきです。

悪意のあるトランザクションは、承認を変更し、資産を送転し、コントラクトを呼び出し、権限を付与する可能性があります。

ユーザーがインターフェースを理解していなくても、ブロックチェーンは有効に署名された命令を実行します。

したがって、ウォレットの安全性とは、ユーザーがステートマシンへの入力を安全に作成できるようにすることです。

優れたウォレットは、状態遷移が発生する前にユーザーが理解できるようにします。

ステートマシンとトークン残高

トークン残高は、多くの場合スマートコントラクト内の状態値です。

アカウントベースのスマートコントラクトプラットフォームでは、トークンコントラクトがユーザーアドレスから残高へのマッピングを保存する場合があります。

トークン送転が起きると、コントラクトはその内部残高マッピングを更新します。

ユーザーはウォレットで単純な残高変更としてその結果を見る場合があります。

内部では、コントラクトレベルの状態遷移です。

つまり、トークン残高はネイティブコイン残高と常に同じ種類の状態ではありません。

ネイティブコイン残高は、ベースアカウント状態の一部である場合があります。

トークン残高は、コントラクトのストレージ状態の一部である場合があります。

この違いは、証明、インデックス化、ウォレット表示、スマートコントラクトリスクで重要です。

トークンコントラクトに安全でないロジックがある場合、トークンのステートマシンは予期せず動作する可能性があります。

ステートマシンとNFT

NFTもステートマシンに依存します。

NFTコントラクトは、一意のトークンIDの所有権情報を保存します。

NFTが送転されると、コントラクトはどのアドレスがそのトークンIDを所有するかを更新します。

NFTがミントされると、コントラクトは新しい所有権記録を作成します。

NFTがバーンされると、コントラクトはそのルールに従ってトークンを削除またはマークします。

メタデータはオンチェーンに保存される場合もあれば、外部システムを通じて参照される場合もあります。

ステートマシンは、送転が有効か、誰が承認できるか、所有権がどのように変化するかを決定します。

このため、NFTのセキュリティはウォレットによるカストディだけでなくコントラクトロジックにも依存します。

NFTは単なる画像やコレクティブルではありません。

スマートコントラクトルールで制御される状態記録でもあります。

ステートマシンを理解することは、オンチェーンにおけるNFT所有権の実態をユーザーが理解するのに役立ちます。

暗号資産におけるステートマシンの利点

ブロックチェーンステートマシンの第1の利点は、共有検証です。

互換性のあるノードソフトウェアを実行する誰もが、状態遷移が有効か確認できます。

第2の利点は決定論的な実行です。

すべての誠実なノードは、同じ開始状態と順序付けられた入力から同じ結果に到達できます。

第3の利点はプログラム可能性です。

スマートコントラクトプラットフォームでは、開発者がアプリケーションレベルの状態遷移を定義できます。

第4の利点は透明性です。

パブリックブロックチェーンでは、チェーンとツールに応じて、ユーザーはトランザクション、ステートルート、コントラクトストレージ、実行結果を確認できます。

第5の利点は耐障害性です。

多数のノードがステートマシンを複製できるため、1台のサーバーへの依存を減らせます。

第6の利点はコンポーザビリティです。

プラットフォームが安全に対応している場合、アプリケーションは共有状態と相互作用できます。

これらの利点が、ステートマシンがパブリックブロックチェーン設計の基盤である理由です。

暗号資産におけるステートマシンの制約

第1の制約は複雑さです。

ユーザーは、署名する状態遷移を理解していないことが多くあります。

第2の制約は状態の増大です。

永続状態は、ノードにとって保存・検証のコストが高くなる可能性があります。

第3の制約は実行コストです。

多くのブロックチェーンでは、すべてのノードが同じ状態変更トランザクションを処理する必要がある場合があります。

第4の制約はアップグレードリスクです。

遷移ルールの変更は、慎重に扱わなければバグまたはフォークを生む可能性があります。

第5の制約はアプリケーションリスクです。

ベースチェーンが正しく機能していても、スマートコントラクトのステートマシンには欠陥のあるロジックが含まれる可能性があります。

第6の制約は外部データリスクです。

オラクルは、本来決定論的なシステムへ誤った情報を入力する可能性があります。

これらの制約は、ステートマシン設計にエンジニアリング上の規律、セキュリティレビュー、明確なユーザーインターフェースが必要であることを示しています。

ステートマシンに関するよくある誤解

よくある誤解の1つは、ブロックチェーンは単なるデータベースであるというものです。

ブロックチェーンは、有効な状態変更のルールを定義するため、ステートマシンでもあります。

もう1つの誤解は、コンセンサスと実行が同じものであるというものです。

コンセンサスはブロックとトランザクションを順序付け、実行は状態遷移ルールを適用します。

3つ目の誤解は、スマートコントラクトが1台の中央サーバーで実行されるというものです。

スマートコントラクトは、ブロックチェーンの決定論的なステートマシンルールに従ってノードにより実行されます。

4つ目の誤解は、トランザクション履歴と現在の状態が同じであるというものです。

トランザクション履歴は入力を記録し、状態はそれらの入力処理後の現在の結果を記録します。

5つ目の誤解は、決定論的な実行が良い結果を保証するというものです。

決定性は一貫した結果を保証しますが、コントラクトロジックまたは入力データに欠陥があれば、結果は依然として有害となる可能性があります。

開発者向けベストプラクティス

明確な状態、遷移、失敗条件を持つ明示的なステートマシンとしてスマートコントラクトを設計してください。

通常の条件と敵対的な条件の両方で、すべての状態遷移をテストしてください。

認可されていない状態遷移は壊滅的な結果につながる可能性があるため、アクセス制御を慎重に使用してください。

ブロックチェーン実行内で非決定論的な動作に依存しないでください。

状態の増大はユーザーとノードのコストを増やすため、不要な永続ストレージを最小限に抑えてください。

アクティブな状態が不要な場合は、過去のシグナルとしてイベントを使用してください。

失敗した呼び出し、リエントランシー、部分実行、オラクル障害、アップグレード経路などのエッジケースをモデル化してください。

各関数が状態の何を変更するかを文書化してください。

ストレージへ書き込む状態遷移は高コストになる可能性があるため、ガスコストを確認してください。

ステートマシンロジックはセキュリティ上重要なコードとして扱ってください。

ユーザー向けベストプラクティス

トランザクションに署名する前に、ウォレットのプロンプトを慎重に読んでください。

トランザクションへの署名は、ブロックチェーン状態を恒久的に変更する可能性があることを理解してください。

トークン承認がコントラクトにどのような権限を与えるかを確認してください。

スマートコントラクトと相互作用する際は、信頼できるインターフェースを使用してください。

新しいアプリケーションを試す場合は少額のトランザクションから始めてください。

コントラクトアドレスを確認し、不明なメッセージには署名しないでください。

一部のネットワークでは、失敗したトランザクションでも手数料がかかる可能性があることを理解してください。

ブロックチェーンの状態は透明であっても、透明性が安全性を保証するわけではないことを覚えておいてください。

ブリッジは異なる前提を持つステートマシンを接続するため、注意してください。

適切な場合はセキュリティツールを使用し、不要な承認を取り消してください。

FAQ

暗号資産におけるステートマシンとは何ですか？

暗号資産におけるステートマシンとは、現在のブロックチェーン状態と有効なトランザクションを入力として受け取り、新しいブロックチェーン状態を生成するルールシステムです。

ブロックチェーンがステートマシンと呼ばれる理由は？

ブロックチェーンは、固定されたプロトコルルールの下で順序付けられたトランザクションを適用し、有効な状態から次の有効な状態へ繰り返し移行するため、ステートマシンと呼ばれます。

ブロックチェーン状態とは何ですか？

ブロックチェーン状態とは、残高、アカウント、コントラクトストレージ、UTXO、バリデーター記録など、新しいトランザクションの処理に必要な現在のデータ集合です。

状態遷移とは何ですか？

状態遷移とは、有効なトランザクション、ブロック、またはメッセージが処理された後に、あるブロックチェーン状態から別の状態へ変化することです。

Ethereumはステートマシンですか？

はい。Ethereumは、トランザクションとスマートコントラクト呼び出しによってワールドステートを更新する、トランザクションベースのステートマシンとして理解できます。

Bitcoinはステートマシンですか？

はい。Bitcoinは、有効なトランザクションが未使用出力を消費し、新しい未使用出力を作成するUTXOベースのステートマシンとして理解できます。

ステートマシン複製とは何ですか？

ステートマシン複製とは、同じ決定論的ステートマシンを多数のマシンで実行し、同じ順序の入力を処理して同じ状態を維持することです。

コンセンサスとステートマシンの違いは何ですか？

コンセンサスはトランザクションの順序について合意し、ステートマシンは順序付けられたトランザクションを適用してブロックチェーン状態を更新します。

ブロックチェーンのステートマシンが決定論的でなければならない理由は？

すべての誠実なノードが、同じ開始状態とトランザクション順序から同じ結果を計算できるようにするため、決定論的でなければなりません。

スマートコントラクトはステートマシンとどのように関係しますか？

スマートコントラクトは、ユーザーが有効なトランザクションまたはコントラクト呼び出しを送信した際にブロックチェーン状態を更新する、アプリケーションレベルのルールを定義します。

結論

ステートマシンは、暗号資産ネットワークを支える最も重要な考え方の1つです。

ブロックチェーンが、決定論的なルールの下でトランザクションを適用することで、ある有効な状態から別の有効な状態へどのように移行するかを説明します。

Bitcoinは、有効なトランザクションが古い出力を使用し新しい出力を作成するUTXOベースのステートマシンを使用します。

Ethereumは、アカウント、残高、コントラクトコード、ストレージがトランザクションとEVM実行を通じて更新される、アカウントベースのステートマシンを使用します。

コンセンサスメカニズムとステートマシンは連携しますが、役割は異なります。

コンセンサスは入力を順序付け、ステートマシンはルールを実行して新しい状態を生成します。

このモデルにより、多数の独立したノードが同じ順序のデータを処理し、同じ結果に到達していることを確認できるため、パブリックブロックチェーンは検証可能になります。

ステートマシンは、アプリケーションがオンチェーンデータを変更するためのプログラム可能なルールを定義できるため、スマートコントラクトも可能にします。

ただし、スマートコントラクトロジックが誤っている場合、オラクル入力が不適切な場合、状態が過大に増大した場合、ユーザーが理解していないトランザクションに署名した場合、ステートマシンは現実的なリスクも生み出します。

開発者にとって、ステートマシンの考え方は、より安全なコントラクト、明確なルール、より良いテストの作成に役立ちます。

ユーザーにとっては、署名するすべてのトランザクションが、残高、権限、所有権、アプリケーション状態を変更し得る命令である理由を理解するのに役立ちます。

暗号資産用語集において、State Machineは、ブロックチェーントランザクションを処理し、ネットワークをある有効な状態から次の状態へ更新する決定論的なルールシステムを意味します。

重要なポイントは、ブロックチェーンは過去のトランザクションの記録だけではなく、多数の独立したノードがデジタル経済における現在の真実について合意できるようにする、複製ステートマシンでもあるということです。