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は、非中央集権、安全性、そしてスケーラビリティです。しかし、通常ブロックチェーンはそのうちの2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。長年にわたり、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います。

まず、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、そしてスケーラビリティを定義しましょう:

• 非中央集権:誰でもノードとなり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非中央集権の度合いが高くなります。
• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかかるコストが高いほど、セキュリティが高くなります。
• スケーラビリティ:ブロックチェーンが大量のトランザクションを処理する能力。

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ビットコインネットワークの初めての重大なハードフォークはスケーラビリティの問題に起因しています。2017年8月1日、Bitcoin ABCが独自に開発した8MBブロックのクライアントシステムが稼働を開始し、ビットコインの歴史上初の重大なハードフォークが発生し、新しい通貨BCHが誕生しました。

イーサリアムネットワークは、ネットワークの安全性と分散化を確保するために、一部のスケーラビリティを犠牲にする選択をしました。2017年のCryptoKittiesからDeFiサマー、さらには後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に至るまで、市場のスループットに対する需要は不断に増加していますが、イーサリアムは1秒あたり15～45件の取引しか処理できません。これにより、取引コストが増加し、決済時間が長くなり、大部分のDappは運営コストを負担できなくなり、ユーザーにとってネットワーク全体は遅くて高価になっています。ブロックチェーンのスケーリング問題は早急に解決する必要があります。

2. スケーラビリティソリューションの種類

"レイヤー1のメインネットを変更するかどうか"を基準に、スケーリングソリューションをオンチェーン拡張とオフチェーン拡張の2つの大カテゴリに分けます。

2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト:メインネットプロトコルの1層を変更することでスケーラビリティ効果を達成するソリューションで、現在の主要なソリューションはシャーディングです。

チェーン上のスケーリングにはさまざまな方法がありますが、この記事では詳しく説明せず、2つの例を簡単に挙げます。

• 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すが、"分散化"の程度は低下する。
• シャーディング、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、ノードの計算負荷を軽減できますが、ネットワーク全体の「セキュリティ」が低下します。

メインネットプロトコルのレイヤーを変更することは、予測できない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基礎となるセキュリティの微細な脆弱性が、ネットワーク全体のセキュリティに深刻な脅威を与えるからです。

2.2 オフチェーン拡張

コアコンセプト: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拡張するソリューション。

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(楽観的ロールアップ、ZKロールアップ)
• その他:
  • サイドチェーン
  • バリディウム

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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、チャネルがオープン、クローズ、または紛争を解決する際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はオフチェーンで行われるため、取引の時間とコストを削減し、取引回数を制限なく実現します。

ステートチャネルは、2人のチェスゲームのような「ターンベースのアプリケーション」に適したシンプルなP2Pプロトコルです。各チャネルは、マルチシグスマートコントラクトによって管理され、これはチャネルに預けられた資産を制御し、ステータスの更新を検証し、参加者間の争いを仲裁します。

3.1.2 タイムライン

• 2015/02: ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャがライトニングネットワークのホワイトペーパー草案を発表。
• 2015/11:ジェフ・コールマンが初めてステートチャンネルの概念を体系的にまとめました。
• 2016/01:ジョセフ・プーンとタデウス・ドライヤが正式に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を発表。
• 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が一般化されたステートチャネルの設計を提案。
• 2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が紹介されました。
• 2019/02:ステートチャネルがN-Party Channelsに拡張され、Nitroはそのアイデアに基づいて構築された最初のプロトコルです。
• 2019/10:Pisaは、すべての参加者が常にオンラインである必要があるという問題を解決するために、Watchtowersの概念を拡張しました。
• 2020/03:Hydraがファストアイソモルフィックチャネルを提案。

3.1.3 技術原則

ステートチャネルのワークフロー:

1. アリスとボブはメインネットにマルチシグ契約をデプロイし、資金をロックしました。
2. アリスとボブはオフチェーンで複数回取引を行い、毎回取引の双方が署名して確認します。
3. チャンネルを閉じるとき、アリスは契約に最終状態を提出します。ボブが署名して承認すれば、契約は最終状態に基づいて資金を分配します。ボブが応答しない場合、資金を受け取るにはチャレンジ期間が終了するのを待つ必要があります。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 即時ファイナリティ
• 取引手数料が安い
• 高いプライバシー性

短所：

• トンネル初期化コストが高い
• 参加者は継続的にオンラインである必要があります
• ロックされた資金の流動性が悪い
• 一般的なシーンに適用するのが難しい

3.1.5 アプリケーション

1. ビットコイン・ライトニングネットワーク

   • 概要:ビットコインネットワークの少額決済チャネル、オフチェーンの少額決済チャネルと仲介者によって取引ネットワークを構成します。
   • タイムライン: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、2022年には複数の取引所がLightning Networkをサポート。
   • エコシステム: 20以上のカテゴリと100以上のアプリケーションがあり、ペイメント、ウォレット、ノード管理などが含まれています。

2. イーサリアムライトニングネットワーク

   • 概要:イーサリアムに基づく小額決済チャネルで、ライトニングネットワークに似ています。
   • タイムライン:2017年設立、2020年に初のライトクライアントをリリース。
   • 発展の障害: 使用のハードルが高く、より高度なスケーリング技術の出現などの理由により、広く採用されていない。

3. セラー ネットワーク

   • 概要: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、電子スポーツプラットフォームなどのハイフリークインタラクションアプリケーションに適しています。
   • タイムライン:2018年設立、2019年メインネットローンチ。
   • エコシステム: DeFiプロトコルLayer2.finance、クロスチェーンプロトコルCeler IM、そして資産クロスチェーンブリッジcBridgeが導入されました。

3.1.6 アプリケーションの比較

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、Celer Networkは、機能、安全性、分散化の程度などの面でそれぞれ特徴があり、異なるシーンに適しています。

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3.2 サイドチェーン

3.2.1 まとめ

サイドチェーンはメインチェーンの取引を加速させるために現れたブロックチェーンの形態であり、より複雑な契約を使用したり、コンセンサス機構を改善したりすることができます。サイドチェーンはメインチェーンに付随し、メインチェーンの問題解決を支援する基盤です。

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初めて提唱された
• 2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
• 2017-2022:複数のサイドチェーンプロジェクトが次々と立ち上がりました。例えば、POA Network、Matic Network(は後にPolygon)に改名され、xDai Chainなどがあります。

3.2.3 技術原則

サイドチェーンには主に2つのクロスチェーン技術があります:

1. 対称ペッグ(双方向アンカリング):

   • メインチェーンとサイドチェーンのバリデーターは、リアルタイムでお互いの現在の状態を記録します。
   • 情報転送に双方向SPVテクノロジーを使用
   • メインチェーンの資産がサイドチェーンに移転されると、SPVロック出力が生成され、サイドチェーンのバリデーターのみが解除できます。

2. 非対称ペッグ(不調和アンカー):

   • サイドチェーンのバリデーターはメインチェーンの活動を監視し、メインチェーンからサイドチェーンへのトランザクションを積極的に記録できます。
   • サイドチェーンからメインチェーンへの取引にはCertifiersメカニズムを導入する必要があり、Certifiersが検証および署名を行います。

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####3.2.4長所と短所

価値：

• 迅速な取引と低手数料が実現できます
• チューリング完全を実現可能
• カスタマイズ可能なコンセンサスメカニズム

短所：

• セキュリティはサイドチェーンバリデーターに依存します
• メインサイドチェーンの資産移転には待機時間が必要です
• 分散化が少ない

3.2.5 アプリケーション

1. xDai(グノーシスChain)

   • 概要:DAIに基づくサイドチェーン、取引手数料の計算が容易
   • タイムライン:2018年にローンチ、2022年にGnosisと合併
   • エコシステム:DeFi Llamaで20位、TVL約53ミリオンドル

2. ポリゴン

   • 概要:イーサリアムスケーリングソリューションアグリゲーター
   • タイムライン:2017年設立,2020年メインネットローンチ,2021年ポリゴンに改名
   • エコシステム: 37k+Dappを所有し、1.8Bの総取引数と135M+のユーザー

3. ロニン

   • 概要:Axie Infinityゲームのために開発されたサイドチェーン
   • タイムライン:2021年3月メインネットローンチ,2022年3月ハッキング攻撃を受ける
   • エコシステム:Axie Infinity関連のアプリケーションに主にサービスを提供

3.2.6 アプリケーション比較

xDai、Polygon、Roninは、技術的特徴、アプリケーションシーン、生態系の発展などの点でそれぞれ異なり、異なる使用ニーズに適しています。

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3.3 プラズマ

3.3.1まとめ

Plasmaは、ユーザーがサイドチェーンのオペレーターに対する信頼を最小限に抑えることを目的とした、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。オペレーターが悪行を働いた場合でも、Plasmaはユーザーの資金が盗まれることを防ぎます。

3.3.2 タイムライン

• 2017/08:ヴィタリックとジョセフ・プーンがPlasmaホワイトペーパーを提案
• 2018/01: プラズマMVP発表
• 2018/03: Plasma Cashを提案
• 2018/06:Plasmaデビットを提案
• 2018/11: Plasma Prime導入
• 2019年から: イーサリアムコミュニティは新しいレイヤー2スケーリングソリューション「ロールアップ」の探索を始めました。

3.3.3 技術原則

プラズマの核心思想:

• オフチェーン実行:大部分の作業はメインネット外で処理されます
• ステータスコミットメント: オペレーターは定期的にメインネットでメルクルルートをステータスコミットメントとして発表します。
• 退出メカニズム:ユーザーはMerkle Proofを提出して資金の所有権を証明できます

使用フロー:

1. ユーザーはメインネット契約に資金を預けます
2. ユーザーはPlasmaチェーン上で取引します
3. オペレーターが取引をパッケージ化し、メルクルルートをメインネットに提出する
4. ユーザーは退出リクエストを発起し、チャレンジ期間を経た後に資金を引き出すことができます

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3.3.4 長所と短所

価値：

• 高スループット
• 取引手数料が安い
• マスターネットのセキュリティを引き継ぐ

短所：

• 出口時間が長い
• ユーザーはPlasmaチェーンを継続的に監視する必要があります
• 大量出口の問題
• データの可用性の問題

3.3.5 アプリケーション

1. プラズマグループ → オプティミズム

   • 2019年、彼はOptimistic Rollupに転向しました

2. OMGネットワーク → ボバネットワーク

   • 2020年、More Viable Plasma技術を使用してメインネットが立ち上げられました
   • 2021年にBoba Networkに社名を変更し、Optimistic Rollupに移行しました

3. ポリゴン

   • 2020年にMatic Plasma Chainがリリースされました
   • 後方転向のフルスタックL2ソリューション、Rollups技術を含む

3.3.6 サマリー

プラズマは、技術的な移行策であり、主にロールアップなどの他のスケーリング技術に移行しています。

3.4 ロールアップ

3.4.1 まとめ

Rollupsの核心思想は計算プロセスと状態ストレージをオフチェーンに置き、オンチェーンにパッケージされるのは状態のコミットメントと圧縮された取引データです。現在、主にOptimistic RollupsとZK Rollupsの2種類に分かれています。

3.4.2 技術原則

ロール