オフチェーン拡張デプス解析

1. スケーリングの必要性

ブロックチェーンの未来のビジョンは、去中心化、安全性、そして拡張性ですが、通常はそのうちの2つしか実現できません。これはブロックチェーンの不可能三角問題と呼ばれています。長年にわたり、人々は去中心化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、つまり拡張性の問題を解決する方法を探求してきました。これは現在のブロックチェーンの発展のホットトピックの1つです。

ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティは、次のように簡単に定義できます:

• 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程度が高くなります。
• 安全性:ブロックチェーンシステムの制御権を取得するために必要なコストが高いほど、安全性が高くなり、大規模な参加者の攻撃に対抗できる。
• 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。

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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始まりました。ユーザー数と取引量が増加するにつれて、各ブロック1MBの上限がネットワークの混雑を引き起こしました。2015年から、ビットコインコミュニティはスケーラビリティの問題について意見の相違があり、最終的に2017年8月1日にビットコインが初めての重大なハードフォークを迎え、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、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ことを選択しました。ビットコインのようにブロックサイズを制限してはいませんが、単一のブロックの燃料費を制限することによって取引量を実質的に制限しています。目的は、信頼のないコンセンサスを実現し、ノードが広く分散されることを確保するためです。

2017年のCryptoKittiesから後のDeFi、GameFi、NFTの台頭まで、市場のスループットへの需要が増加し続けていますが、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、取引コストが上昇し、決済時間が長くなり、大部分のDappsが運営コストを負担できなくなり、ネットワーク全体が遅く高価になっています。ブロックチェーンのスケーラビリティ問題は早急に解決される必要があります。理想的なスケーリングソリューションは、分散化と安全性を犠牲にすることなく、取引速度とスループットを可能な限り向上させることです。

2. スケーリング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"を基準にすると、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2つの大カテゴリに分けることができます。

2.1 チェーン上のスケーリング

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ソリューションがあり、ここでは2つの方法を簡単に挙げます:

• プラン1は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ことですが、これによりノードのデバイス要件が高まり、非中央集権性が低下します。

• 方案二はシャーディングで、ブロックチェーンの台帳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し、並列計算によって同時に複数の取引を処理できます。これにより、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、取引処理速度と脱中央集権の程度を向上させることができますが、全体のネットワークの安全性は低下します。

主ネットワークプロトコルのコードを変更することは、予期しない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となるセキュリティの脆弱性は、ネットワーク全体の安全性を深刻に脅かすことがあり、フォークやアップグレードの中断を引き起こす可能性があるからです。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件では、チームは8ヶ月間秘密裏に修正を行った後に公表しました。

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スケーリング解決策。

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:

• ステートチャンネル
• プラズマ
• ロールアップ
  • オプティミスティックロールアップ
  • 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時にのみ、ユーザーがメインネットと相互作用する必要があると規定しています。ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われ、取引時間とコストを削減し、制限のない取引回数を実現します。

ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルで、「ターンベースのアプリケーション」、例えば2人のチェスゲームに適しています。各チャネルはメインネット上のマルチシグスマートコントラクトによって管理され、預けられた資産を制御し、ステータス更新を検証し、(に基づいて署名済みのタイムスタンプ付きの詐欺証明)によって争いを仲裁します。参加者はネットワークにコントラクトをデプロイした後、資金を預けてロックし、双方が署名確認を行った後にチャネルが正式に開通します。チャネルは参加者が制限なしで無料でオフチェーン取引(を行うことを許可し、送金の正味額が預けた総額)を超えない限り可能です。参加者は交互にステータス更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。通常、双方が同意したステータス更新はメインネットにアップロードされず、争いが発生した場合やチャネルを閉じる際にのみメインネットの確認が必要です。閉鎖時には、いずれかの側がメインネットにリクエストを提出でき、全員の署名が承認されれば即座に実行されます。そうでなければ、「チャレンジ期間」が終了するまで資金を受け取ることはできません。

ステートチャンネルは、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、取引コストを低下させることができます。

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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ネルの概念を体系的にまとめました
• 2016/01: 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、ビットコインのペイメントチャネルのスケーリングソリューションが提案された
• 2017/11: Payment Channelに基づく最初のState Channel設計仕様であるSpritesが提案される
• 2018/06: Counterfactualが詳細な一般化されたステートチャネルの設計を提案
• 2018/10: Generalised State Channel NetworksがState Channel NetworksとVirtual Channelsの概念を提案
• 2019/02: Nitroが初めてN-Party Channelsに基づいてプロトコルを構築
• 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はファスト同型チャネルを提案しました

3.1.3 技術原則

従来のオンチェーンワークフロー: ユーザーはオンチェーンに取引を送信することでスマートコントラクトの状態を変更しますが、その欠点は時間とコストの問題を引き起こすことです。

ステートチャンネルワークフロー:

1. アリスとボブは、オンチェーン契約に資金を預けることによってステートチャネルを開通します。
2. 双方はオフチェーンで回数無制限の取引を行い、署名メッセージを通じて相互に通信することができます。
3. アリスがチャネルを閉じたい場合、契約に最終状態を提出する必要があります。
4. Bobの署名が承認された場合、契約は最終状態に基づいて資金を配布します。
5. ボブが応答しない場合、契約はチャレンジ期間終了後に資金を配布します。

悲観的な状況下でのワークフロー:

1. Bobがステータス更新の署名に応答しない場合、Aliceは契約に最終的な有効状態を提出して挑戦を開始できます。
2. コントラクトはボブが一定の期間内に応答することを許可します
3. Bobが応答した場合は、取引を続行できます。応答しない場合、契約は自動的にチャネルを閉じ、資金を返還します。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 即時取引確認
• 取引手数料が極めて安い
• プライバシーが良い
• スケーラビリティが高い

短所：

• 継続的なオンライン監視が必要です
• 初期設定コストが高い
• 非効率的な資金調達
• 複数の取引を処理するのが難しい
• コンポーザビリティの欠如

3.1.5 アプリケーション

主要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が含まれます。

ビットコイン・ライトニングネットワーク:

• 2015年2月にホワイトペーパーの草案が発表されました
• 2018年3月に初めてのメインネットバージョンがリリースされました
• 2021年、エルサルバドルがビットコインを法定通貨として採用し、ライトニングネットワークに基づくウォレットChivoを導入しました。
• 2022年11月には76,236の決済チャネルがあり、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年に設立され、ライトニングネットワークに似ています
• 2017年10月、ICOは3,000万ドル以上を調達しました。
• 2020年5月に最初のLight Clientがメインネットに上线
• 現在の使用ハードルが高く、エコシステムの発展が遅い

セラーネットワーク:

• 本質的には、インセンティブ層を追加するライトニングネットワーク
• オフチェーン拡張技術とインセンティブ経済モデルを用いて、高速で低コスト、安全な高頻度インタラクション型Dappsを構築することができます。
• 2019年7月にイーサリアムメインネットがローンチしました
• 現在はクロスチェーンをサポートするL2拡張アグリゲーションプラットフォームに転換されています

3.1.6 アプリケーション比較

ビットコイン・ライトニングネットワーク:

• 利点:取引コストが低く、プライバシーが良い
• 欠点:資金をロックする必要があり、ルーティングが複雑です。

イーサリアムライトニングネットワーク:

• 利点:スマートコントラクトをサポート
• 欠点:開発の進捗が遅く、利用のハードルが高い

セラー ネットワーク:

• 利点:クロスチェーンをサポートし、インセンティブメカニズムが整っています
• 短所:高度な集中化

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年にビットコイン開発者のチャットルームで初めて提案され、2014年にBlockstreamの研究者によって最初の関連する論文が執筆されました。サイドチェーンは、ビットコインの取引を加速させるために登場し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を使用することができます。サイドチェーンの取引結果が最終的にメインチェーンに送信される際には、バリデーター側に記録されます。このブロックチェーンモデルは新しい形態ではなく、メインチェーンに付随し、問題を解決するための基盤インフラストラクチャを支援するものです。

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3.2.2 タイムライン

• 2012/01: ビットコインのサイドチェーンの概念がチャットルームで提案されました
• 2014/10: ビットコインサイドチェーン論文発表、対称ペッグと非対称ペッグを提案
• 2017/04: POA NetworkはイーサリアムのPoAコンセンサスに基づくサイドチェーンテストネットをオンライン化しました
• 2017/10: Matic Networkがローンチ
• 2017/12: POA Networkメインネットがローンチ
• 2018/01: Skaleテストネットがオンライン
• 2018/10: xDai Chainテストネットがオンラインになりました
• 2020/06: Skaleメインネットのローンチ
• 2020/06: イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainメインネットローンチ
• 2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
• 2021/02: Axie InfinityゲームのサイドチェーンRoninメインネット稼働
• 2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併し、Gnosis Chainを結成
• 2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

3.2.3 技術原則

サイドチェーンは、主チェーンと通信するために、双方向のアンカーと非調和アンカーの2つの方法があります。

双方向アンカー(対称ペッグ):

• メインチェーンとサイドチェーンのバリデーターはお互いの現在の状態をリアルタイムで記録します
• 情報転送に双方向SPVテクノロジーを使用
• 主チェーンのトークンがサイドチェーンに送信されると、SPVロックされた出力が生成されます
• サイドチェーンバリデーターはSPV証明を使用してロックを解除します
• confirmation periodとcontest periodを経た後、ユーザーはサイドチェーンで新しくミントされたパッケージ化された資産を使用できます。

不協和音のアンカリング(非対称ペッグ):

• サイドチェーンバリデーターはメインチェーンの活動をリアルタイムで監視します
• メインチェーンからサイドチェーンへの取引は直接記録できます
• 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ます
• 認証者は重要な情報を記録し、署名を集約します。
• システムを破壊しないように資産をステークする必要があります

現在、ますます多くのサイドチェーンがPoAメカニズムやリレイヤーを使用してメインチェーンのブロック状態を確認することを選択しています。

サイドチェーンメカニズムの要約:

• メインチェーンからサイドチェーンへ: メインチェーンが資産をロックし、サイドチェーンがラップドアセットを生成する
• サイドチェーンからメインチェーンへ: サイドチェーンでwrapped assetを消却し、メインチェーンで資産をアンロックする

サイドチェーンの資産の安全性は、サイドチェーンのコンセンサス機構の安全性に依存します。

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####3.2.4長所と短所

価値：

• 高い柔軟性、カスタマイズ可能な機能
• メインチェーン資産は相互に通用する
• メインチェーンの負荷を軽減する
• 取引コストを下げる

短所：

• 安全性は自身のコンセンサスメカニズムに依存する
• 信頼できる連邦または権威ある者が必要
• クロスチェーン取引は複雑です
• 流動性の分裂が発生する可能性がある