オフチェーン拡張ソリューションデプス解析:ステートチャネル、サイドチェーン、プラズマ、ロールアップ

2025-08-07 02:55:00

オフチェーン拡張デプス解析

1. スケーラビリティの必要性

ブロックチェーンの未来のビジョンは、非中央集権、安全性、スケーラビリティです。しかし通常はそのうちの二つしか実現できず、これをブロックチェーンの不可能三角問題と呼びます。何年にもわたり、人々は非中央集権と安全性を保証しながら、ブロックチェーンのスループットと取引速度を向上させる方法、つまりスケーリング問題を解決する方法を探求してきました。

ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティの定義:

分散型:誰でもノードとなってブロックチェーンシステムに参加でき、ノードの数が多いほど分散化の度合いが高くなります。
セキュリティ: ブロックチェーンのコントロールを取得するコストが高いほど、セキュリティが高くなり、より大きな割合の攻撃に耐えることができます。
スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量の取引を処理する能力。

ビットコインネットワークの最初の重大なハードフォークは、スケーラビリティの問題から生じました。イーサリアムネットワークもネットワークの安全性と分散化を保証するために一部のスケーラビリティを犠牲にすることを選びました。

2017年のCryptoKittiesから、DeFiの夏、GameFi、NFTの台頭に至るまで、市場はスループットの需要が増加し続けています。しかし、イーサリアムは1秒あたり15〜45件の取引しか処理できず、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、ほとんどのDappsは運営コストを負担できません。

理想的拡張スキームは:非中央集権性と安全性を犠牲にすることなく、ブロックチェーンネットワークのトランザクション速度とスループットを向上させることです。

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2. スケーリングソリューションの種類

"一層のメインネットを変更するかどうか"を基準として、スケーリングソリューションはオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の二大カテゴリに分けることができます。

2.1 オンチェーン拡張

コアコンセプト:主ネットプロトコルの一層を変更することでスケーリング効果を達成するソリューション、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

オンチェーンのスケーリングにはさまざまな方法があります。たとえば:

ブロックスペースを拡大し、各ブロックにパッケージされるトランザクションの数を増やしますが、ノードの要件が高まるとともに、非中央集権化の程度が低下します。
シャーディングは、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割し、異なるノードが異なる記帳を担当することで、取引処理速度と分散化の程度を向上させることができますが、ネットワーク全体のセキュリティは低下します。

レイヤー1のメインネットプロトコルを変更すると、予測できない悪影響を引き起こす可能性があり、基盤となるわずかなセキュリティの脆弱性がネットワーク全体の安全性に深刻な脅威をもたらす。

2.2 オフチェーン拡張

コア概念:既存のレイヤー1メインネットプロトコルを変更せずにスケーリングソリューションを実現する。

オフチェーン拡張ソリューションはLayer2とその他のソリューションに細分化できます:

レイヤー 2: ステートチャネル、プラズマ、ロールアップを含む
他のソリューション: サイドチェーンのように

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3. オフチェーン拡張の方案

3.1 ステートチャネル

3.1.1 まとめ

ステートチャンネルは、チャネルが開いている、閉じられている、または紛争が解決されている場合にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があることを規定しており、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことで、取引の時間とコストを削減します。

ステートチャンネルは、"ターンベースのアプリケーション"、例えば二人用のチェスゲームに適したシンプルなP2Pプロトコルです。各チャンネルは、メインネット上で実行されるマルチシグスマートコントラクトによって管理され、このコントラクトはチャンネルに預けられた資産を制御し、状態の更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。

3.1.2 タイムライン

2015/02:ライトニングネットワークホワイトペーパー草案発表
2015/11:ジェフ・コールマンが初めてState Channelの概念を体系的にまとめました
2016/01:ビットコインのライトニングネットワークのホワイトペーパーが正式に発表されました
2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様であるSpritesが提案されました
2018/06: Counterfactual が一般化状態チャネルの詳細設計を提示
2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念を提案
2019/02: N-Party Channelsの概念が拡張され、Nitroプロトコルが確立されました
2019/10: Pisaは、参加者の継続的なオンライン問題に対処するために、ものみの塔の概念を拡大します
2020/03:Hydraがファストアイソモーフィックチャネルを提案

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3.1.3 技術原則

ステートチャネルのワークフロー:

ユーザーはスマートコントラクトを通じてメインネットに資金を預け、ステータスチャネルを開通します
ユーザーはオフチェーンで複数回の取引を行い、互いに署名して状態を更新します。
任意の当事者はメインネットに対してチャネルの閉鎖リクエストを提出できます。異議がない場合は最終状態が実行されます。
争議がある場合、契約は「チャレンジ期間」が終了するまで最終状態を確認しません。

従来のオンチェーンインタラクションと比較して、ステートチャネルはメインネットの計算量を大幅に削減し、取引速度を向上させ、コストを削減できます。

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####3.1.4長所と短所

価値：

取引の即時確認
取引手数料が安い
高いプライバシー性
高いスケーラビリティ

短所：

資金を事前にロックする必要があります
参加者はオンラインを維持する必要があります
オープン参加型アプリケーションには適用されません
多者間チャネルの実現が難しい
通路が閉じているときは、チャレンジ期間を待つ必要があります

3.1.5 アプリケーション

主なアプリケーションには、ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのライトニングネットワーク、Celer Networkなどがあります。

ビットコイン・ライトニングネットワーク:

2015年に提案され、2018年にメインネットバージョンがリリースされました
ビットコインネットワークのスケーラビリティ問題をオフチェーンのマイクロペイメントチャネルで解決する
現在、76,236の支払いチャネルがあり、チャネル資金は5049 BTCです。

イーサリアムライトニングネットワーク:

2017年設立、目標はERC20トークンの即時低コスト決済を実現すること
2020年に最初のメインネットクライアントをリリース
現在使用が少ないため、チームはL2ロールアップで動作するように改造しています。

セラーネットワーク:

2018年に設立され、インセンティブ層を追加したライトニングネットワークです。
高頻インタラクションに適したアプリケーション、例えばeスポーツプラットフォーム
現在はクロスチェーン通信プラットフォームに転換しました

3.1.6 アプリの比較

ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのレイデンネットワーク、そしてCeler Networkには以下の点で違いがあります:

ベースレイヤーブロックチェーン:それぞれビットコイン、イーサリアム、マルチチェーンに基づいています
適用範囲:支払い、スマートコントラクトおよび汎用アプリケーション
発展段階:成熟度とエコシステムの発展程度が異なる
技術的特徴: ルーティングアルゴリズムやステートチャネルデザインなどに違いがあります

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3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンの概念は2012年に初めて提案され、2014年に関連論文が発表されました。サイドチェーンは取引を加速するために現れたブロックチェーンの形態で、より複雑な契約やコンセンサス機構の改善が可能です。サイドチェーンの取引結果は最終的にメインチェーンのバリデーター側に記録されます。

3.2.2 タイムライン

2012/01:ビットコインサイドチェーンの概念がチャットルームで提起される
2014/10:ビットコインのサイドチェーン論文初発表
2017/04:POA Networkテストネットのオンライン開始
2017/10: Matic Networkがローンチ
2017/12:POA Networkメインネットのローンチ
2018/01:Skaleテストネットのローンチ
2018/10:xDai Chainテストネットオンライン
2020/06:SkaleメインネットとMatic PoSチェーンメインネットのローンチ
2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
2021/02:Axie InfinityサイドチェーンRoninメインネット運用
2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併
2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

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3.2.3 テクニカルプリンシプル

サイドチェーンは、双方向アンカーまたは非調整アンカーを介してメインチェーンと通信します。主なプロセス:

ユーザーはネイティブ資産を特別なアドレスに送信してロックします
確認期間が終了したら、サイドチェーンに証明を提出します。
チャレンジ期間を待ち、ダブルスペンド攻撃を避ける
完了後、ユーザーはサイドチェーンで新たに鋳造された封装資産を使用できます

サイドチェーンのセキュリティは、サイドチェーンのコンセンサスメカニズムに依存しています。誰かがサイドチェーン上でメインチェーンと一致しない資産を無から作り出すと、資金が盗まれるリスクが生じる可能性があります。

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####3.2.4長所と短所

価値：

高いスケーラビリティ
迅速な確認
取引手数料が安い
カスタマイズ可能な機能

短所：

セキュリティはサイドチェーン自体に依存しています
サイドチェーンのバリデーターを信頼する必要があります
資産のクロスチェーンは待機時間が長い必要があります
部分的な集中化

3.2.5 アプリケーション

主なアプリケーションには:

xDai(グノーシスChain):

イーサリアムサイドチェーン、xDaiをネイティブトークンとして使用
2018年9月にメインネットが立ち上がり、2021年にGnosisと合併
PoSDAOコンセンサスメカニズムを採用
現在のTVLは約5300万ドルです

ポリゴン:

前身はMatic Networkで、2021年にブランドがアップグレードされました。
PoSサイドチェーンとPlasmaチェーンの2つのソリューションを提供
現在、37k+ Dapps、1.8Bの総トランザクション、135M+のユーザーがいます

ロニン:

Axie Infinityゲーム専用サイドチェーン
2021年3月にメインネットがローンチされ、PoAコンセンサスを採用
2022年3月に6.25億ドルのハッキング攻撃を受けた

3.2.6 アプリケーション比較

xDai、Polygon、および Ronin は、次の点で異なります。

コンセンサスメカニズム:それぞれPoSDAO、PoS、PoAを採用
アプリケーション範囲:汎用、多様化エコシステムおよびゲーム専用
セキュリティ:バリデーターの数と選択メカニズムが異なる
発展段階:エコシステムの発展度と規模に違いがある

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3.3 プラズマ

3.3.1まとめ

Plasmaは、スケーラブルなDappを構築するためのフレームワークです。それはサイドチェーンの進化のソリューションとして登場し、ユーザーのサイドチェーンオペレーターへの信頼を最小限に抑えることを目的としています。Plasmaの基本原則は、Plasmaチェーンにセキュリティの問題が発生しても、すべてのユーザー資産は引き出してメインネットに戻すことができるということです。