オフチェーン拡張デプス解析

著者: Cobo Ventures

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、分散化、安全性、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二つしか実現できず、この三つの要件を同時に満たすこと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。何年もの間、人々はこの難題を解決する方法を探求してきました。分散化と安全性を保証しつつ、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、つまりスケーラビリティの問題を解決することは、現在のブロックチェーンの発展過程における議論のホットトピックの一つです。

まず、ブロックチェーンの非中央集権性、安全性、スケーラビリティを一般的に定義しましょう:

• 非中央集権: 誰でもノードとなってブロックチェーンシステムの生成と検証に参加でき、ノードの数が多いほど非中央集権の度合いが高まり、ネットワークが少数の大規模中央集権的参加者の制御を受けないことを確保します。

• セキュリティ: ブロックチェーンシステムの制御を獲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、チェーンはより多くの参加者からの攻撃に耐えることができる。

• 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に起因しています。ビットコインのユーザー数と取引量が増加するにつれて、1MBのブロック上限を持つビットコインネットワークは混雑の問題に直面し始めました。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関して意見が分かれ、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大を支持するスケーラビリティ派、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小さなブロック派で、隔離証明Segwit方案を使用してメインチェーンの構造を最適化すべきだと考えています。2017年8月1日、Bitcoin ABCは独自に開発した8MBのクライアントシステムを運用し始め、ビットコインの歴史上初めての重大なハードフォークが発生し、同時に新しい通貨BCHが誕生しました。

同様に、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障するために、ある程度の拡張性を犠牲にすることを選択しました。イーサリアムネットワークはビットコインネットワークのようにブロックサイズを制限して取引量を制限することはしていませんが、単一のブロックに収容できる燃料費に上限を設ける形に変わっています。しかし、その目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保するためです。

2017年のCryptoKitties、DeFiサマー、さらにはその後のGameFiやNFTなどのオンチェーンアプリケーションの台頭に伴い、市場のスループットに対する需要は増加し続けています。しかし、チューリング完全なイーサリアムでさえ、毎秒15〜45件のトランザクションしか処理できず、その結果、取引コストが増加し、決済時間が延び、大部分のDappsは運営コストを負担できず、ネットワーク全体はユーザーにとって遅くて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。理想的なスケーラビリティソリューションは、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

私たちは「メインネットの層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つの大きなカテゴリーに分けました。

2.1 オンチェーンスケーリング

コアコンセプト: 一層のメインネットプロトコルを変更することによってスケーラビリティ効果を達成するソリューションであり、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ラビリティにはさまざまなソリューションがありますが、この記事では詳しく説明しません。以下に2つのソリューションを簡単に列挙します。

• プラン1はブロックスペースを拡大することであり、つまり各ブロックにパッケージされる取引の数を増やすことですが、これは高性能ノードデバイスへの要求を高め、ノードの参加のハードルを上げ、「非中央集権」の程度を低下させます。

• プラン2はシャーディングであり、ブロックチェーンの台帳をいくつかの部分に分割することで、すべてのノードがすべての記帳に参加するのではなく、異なるシャード、つまり異なるノードが異なる記帳を担当します。並列計算により、複数の取引を同時に処理できます。このようにして、ノードの計算負荷と参加のハードルを下げ、取引処理速度と分散化の程度を向上させることができます。しかし、これは全ネットワークの計算能力が分散されることを意味し、ネットワーク全体の「安全性」が低下することになります。

メインネットプロトコルのコードを変更すると、予測できない悪影響を引き起こす可能性があります。なぜなら、基盤となる微細なセキュリティの脆弱性がネットワーク全体のセキュリティを深刻に脅かすからです。ネットワークはフォークや修正アップグレードの中断を余儀なくされる可能性があります。例えば、2018年のZcashのインフレ脆弱性事件です。Zcashのコードはビットコイン0.11.2バージョンのコードを基に修正されたもので、2018年にあるエンジニアが基盤となるコードに高危険の脆弱性が存在することを発見しました。つまり、トークンが無限に発行されるというもので、その後チームは8ヶ月間秘密裏に修正を行い、脆弱性が修正された後に初めてこの事件を公表しました。

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しないスケーリングソリューション。

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: ステートチャンネル、プラズマ、ロールアップ
• その他のオプション: 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、チャネルが開かれている、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対話する必要があることを規定しています。ユーザー間の相互作用はオフチェーンで行われ、ユーザーの取引の時間とコストを削減し、取引回数に制限がないことを実現します。

ステートチャネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、「ターンベースのアプリケーション」に適しており、例えば2人用のチェスゲームなどです。各チャネルは、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ており、このコントラクトはチャ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。参加者はブロックチェーンネットワークにコントラクトを展開した後、資金を預けてロックし、両者が署名して確認した後にチャネルが正式に開通します。チャネルは参加者間で回数無制限のオフチェーンの無料取引を可能にします。参加者は交互に相手に状態の更新を送信し、相手の署名確認を待ちます。相手が署名確認を行うと、その状態の更新は完了したと見なされます。通常、両者が合意した状態の更新はメインネットにはアップロードされず、争いが発生したりチャネルを閉じる必要がある場合にのみ、メインネットの確認に依存します。チャネルを閉じる必要がある場合、いずれかの参加者はメインネットに取引リクエストを提出でき、退出リクエストが全員の一致した署名によって承認されれば、チェーン上で即座に実行されます。これはスマートコントラクトがチャネルの最終的な状態に基づいて各参加者の残高を分配し、残りのロックされた資金を配布するためです。他の参加者が署名を承認しない場合、全員は「チャレンジ期間」が終了するまで残りの資金を受け取ることができません。

以上のように、ステートチャネルのソリューション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、取引コストを低減することができます。

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3.1.2 タイムライン

• 2015/02、ジョセフ・プーンとタデウス・ドライヤ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しました。
• 2015/11、ジェフ・コールマンは初めてステートチャネルの概念を体系的にまとめ、ビットコインのペイメントチャネルはステートチャネルの概念の一つのサブケースであることを提案しました。
• 2016/01、ジョセフ・プーンとタデウス・ドライヤがホワイトペーパー「ビットコインライトニングネットワーク:スケーラブルなオフチェーン即時支払い」を正式に発表しました。
• 2017年11月、Payment Channelフレームワークに基づくState Channelの最初の設計仕様であるSpritesが提案されました。
• 2018/06年、Counterfactualは、非常に詳細なGeneralized State Channelsデザインを提案しましたが、これはState Channelsに完全に関連する最初のデザインでした。
• 2018年10月、Generalised State Channel Networksの記事では、State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案されました。
• 2019/02、ステートチャネルの概念が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時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Fast Isomorphic Channelsを提案

3.1.3 テクニカルプリンシプル

ステートチャンネルの核心原理は:

1. 参加者はメインネットのスマートコントラクトに資産をロックし、ステータスチャネルを開通させます。

2. 参加者はオフチェーンでステータス更新インタラクションを行い、各インタラクションには双方の署名確認が必要です。

3. チャンネルを閉じる必要がある場合や争議が発生した場合、最終状態をメインネットのコントラクトに提出して検証と資産配分を行います。

4. もし争いが発生した場合は、チャレンジ期間内に証拠を提出して挑戦できます。

ステートチャンネルの利点は、オフチェーンでの迅速で低コストの取引を実現できることですが、欠点は参加者が常にオンラインである必要があり、流動性ロックの問題が存在することです。

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####3.1.4長所と短所

価値：

• 高スループットと低遅延
• 低い取引コスト
• プライバシーを保護する

短所：

• 参加者はオンラインでいる必要があります
• 資金ロック
• マルチパーティアプリケーションには適用されません
• 事前に資金を預ける必要があります

3.1.5 アプリケーション

主なアプリケーションには:

1. ビットコイン・ライトニングネットワーク

• ビットコインの小額決済に使用される
• 2018年3月に最初のメインネットバージョンをリリース
• 現在約8万の決済チャネルがあり、5000BTCのロック資金があります。

2. イーサリアムライトニングネットワーク

• イーサリアムERC20トークンの支払いに使用
• 2017年に設立され、2020年5月にメインネットを発表
• 現在あまり使用されていない

3. セラー ネットワーク

• インセンティブ層の汎用ステートチャンネルネットワークが追加されました
• 2018年設立、2019年にメインネットを立ち上げ
• ゲーム、支払いなどの多様なアプリケーションシーンをサポート

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3.1.6 アプリ比較

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、技術的実装、アプリケーションシーン、発展状況にいくつかの違いがあります。ライトニングネットワークは比較的成熟しており、レイデンネットワークは少なく採用されており、Celer Networkはインセンティブ層を追加することでアプリケーションシーンを拡張しています。

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するために登場し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することができたり、コンセンサス機構を改善したり、ブロックパラメータを調整することで特定の機能を満たすことができます。サイドチェーンの取引結果は、最終的にメインチェーンに送信される際に、バリデーター側に記録されます。このブロックチェーンのモデルは新しいブロックチェーンの形態ではなく、メインチェーンに付随して問題を解決するための基盤インフラです。

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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案されました
• 2014/10、ビットコインサイドチェーンの論文が初めて発表されました
• 2017/04、POA NetworkはEthereumのProof of Authenticationコンセンサスに基づくサイドチェーンのテストネットを立ち上げました
• 2017/10、Matic Networkが発足
• 2017/12,POA Networkメインネットのローンチ
• 2018/01,Skalesテストネットがオンライン
• 2018/10,xDai Chainテストネット上线
• 2020/06、Skaleメインネットがローンチ
• 2020/06、イーサリアムサイドチェーンMatic PoS Chainメインネットがオンライン
• 2021/02、Matic NetworkがPolygon Networkにブランド名を変更
• 2021/02、Axie InfinityゲームのサイドチェーンRoninメインネットが稼働開始
• 2021/12,xDaiチェーンとGnosis Daoが合併してGnosisチェーンになりました
• 2022/03、POA NetworkはGnosis Chainに統合

3.2.3 技術原則

サイドチェーンの核心原理は:

1. メインチェーンは資産をロックし、サイドチェーンはそれに対応する資産を生成します。

2. サイドチェーンは独立して動作し、独自のコンセンサス機構を持っています。

3. サイドチェーンは状態変化を定期的にメインチェーンに提出します。

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