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、分散化、安全性、およびスケーラビリティを実現することですが、通常はそのうちの2つしか同時に満たすことができません。これはブロックチェーンの不可能な三角問題と呼ばれています。何年もの間、人々は分散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、つまりスケーリング問題を解決する方法を模索してきました。

ブロックチェーンの非中央集権、安全性、スケーラビリティは次のように定義されます:

• 分散型:誰でも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分散度が高くなる。
• 安全性:ブロックチェーンシステムの制御権を取得するコストが高いほど、安全性が高くなり、大規模な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。

ビットコインとイーサリアムのネットワークは、ネットワークのセキュリティと非中央集権を保障するために、一部の可用性を犠牲にすることを選択しました。しかし、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が増加し、取引コストが上昇し、決済時間が延び、大部分のDAppは運営コストを負担することが困難になっています。理想的なスケーリングソリューションは、非中央集権とセキュリティを犠牲にせずに、ブロックチェーンネットワークの取引速度とスループットを向上させることです。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

2. スケーラビリティソリューションの種類

拡張ソリューションは「1層メインネットを変更するかどうか」によって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の主なソリューションには次のものがあります:

1. ブロックスペースを拡大し、各ブロックにパッケージ化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り、非中央集権の程度が低下します。

2. 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録を担当することで、ノードの負担を軽減し、取引処理速度と分散化の程度を向上させるが、ネットワーク全体の安全性は低下する。

メインネットプロトコルの変更は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を深刻に脅かすことになります。

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。

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

• Layer2:状態チャネル、サイドチェーン、Plasma、Rollupsなど。
• 他のソリューション: Validiumなどを含みます。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

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

ステートチャネルは、チャネルがオープン、クローズ、または紛争が解決されたときにのみ、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、ユーザー間の相互作用をオフチェーンで行うことで、取引時間とコストを削減し、取引回数に制限を設けないことを実現します。

状態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"、例えば二人用のチェスゲームに適しています。各チャネルは、メインネット上で動作す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。

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。
• 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:ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャがビットコイン・ライトニングネットワークのホワイトペーパーを正式に発表。
• 2017/11: Payment Channelフレームワークに基づく最初のState Channel設計仕様Spritesを提案。
• 2018/06: Counterfactual は、一般化状態チャネルの詳細設計を提示します。
• 2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念化
• 2019/02:ステートチャネルの概念がN-Party Channelsに拡張され、Nitroはこ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Watchtowersの概念を拡張し、参加者が常にオンラインである必要がある問題を解決しました。
• 2020/03:Hydraはファストアイソモルフィックチャネルを提案しました。

3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフローは以下の通りです:

1. ユーザーはメインネットのスマートコントラクトに資金を預けて通路を開通します。
2. ユーザーはオフチェーンで無制限に取引を行い、署名されたメッセージを通じて相互に通信できます。
3. チャネルを閉じる際、ユーザーは契約に最終状態を提出します。双方が署名して確認すれば、契約は最終状態に基づいて資金を分配します。もし争いがある場合は、チャレンジ期間の終了を待つ必要があります。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

####3.1.4長所と短所

価値：

• 予約は即確定
• 低料金
• 高いプライバシー性
• 頻繁な少額取引に適しています

短所：

• 資金を事前にロックする必要があります
• マルチパーティートランザクションには適用されません
• 参加者は常にオンラインである必要があります
• チャレンジ期間を待ってからチャンネルを閉じる必要があります

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: ビットコインネットワークの小額決済チャネルで、迅速かつ低コストの取引を実現します。

2. イーサリアムライトニングネットワーク: イーサリアムに基づく小額決済チャネルで、即時、低コスト、かつスケーラブルなERC20トークンの決済を実現することを目指しています。

3. Celer Network:インセンティブ層を追加したフラッシュネットワークで、高頻度インタラクションタイプのDAppsに適しています。

3.1.6 アプリケーション比較

ビットコインのライトニングネットワーク、イーサリアムのライトニングネットワーク、およびCeler Networkは、技術的な実現、アプリケーションシーン、エコシステムの発展において一定の違いがあります。ビットコインのライトニングネットワークは主にビットコインの支払いに使用され、ライトニングネットワークはイーサリアムトークンの支払いに使用され、Celer Networkは適用範囲が広いです。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

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出現したブロックチェーンの形態であり、より複雑な契約やコンセンサスメカニズムの改善を使用できます。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:ビットコインのサイドチェーンの概念がチャットルームで提案された
• 2014/10:ビットコインサイドチェーン論文発表
• 2017/04:POA Networkテストネットがオンラインに
• 2017/10: Matic Networkがローンチ
• 2017/12:POA Networkメインネットローンチ
• 2018/01:Skalesテストネットがオンライン
• 2018/10:xDai Chainテストネットオンライン
• 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メインネット開始
• 2021/02: Matic NetworkがPolygon Networkに社名変更
• 2021/02:Axie Infinityゲームサイドチェーン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

サイドチェーンには、メインチェーンと通信する主に2つの方法があります。

1. 双方向アンカリング(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がリアルタイムで相手のブロックヘッダー情報を記録します。

2. 不整合アンカー(非対称ペッグ):サイドチェーンのバリデーターはメインチェーンのアクティビティを監視しますが、メインチェーンはサイドチェーンの情報を記録しません。サイドチェーンから返送された取引を検証するために、認証機構を導入する必要があります。

サイドチェーンメカニズムのまとめ:

• アセットはメインチェーンからサイドチェーンへ: メインチェーンがアセットをロックし、サイドチェーンがパッケージされたアセットを生成します。
• アセットはサイドチェーンからメインチェーンへ: サイドチェーンでパッケージされたアセットを破棄し、メインチェーンでアセットをアンロックする

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メカニズムに依存します。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

####3.2.4長所と短所

価値：

• より高い取引スループット
• 取引手数料の削減
• 柔軟なアプリケーションシーン
• メインチェーンのセキュリティには影響しない

短所：

• 追加の信頼の仮定
• クロスチェーンブリッジにはセキュリティリスクが存在する可能性があります
• 流動性の分散

3.2.5 アプリケーション

主なアプリケーションには:

1. xDai(はGnosis Chain)で、$xDaiを取引手数料として使用し、PoSDAOコンセンサスメカニズムを採用しています。

2. Polygon: イーサリアムのスケーリングソリューションアグリゲーターで、PoSサイドチェーンとPlasmaチェーンを提供します。

3. Ronin: Axie Infinityゲームのために開発されたサイドチェーンで、PoAコンセンサス機構を採用しています。

3.2.6 アプリ比較

xDai、Polygon、Roninは、コンセンサスメカニズム、アプリケーションシーン、エコシステムの発展において違いがあります。xDaiは主に支払いに使用され、Polygonは多機能スケーリングソリューションであり、Roninはゲームアプリケーションに特化しています。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーン拡張の包括的な分析

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。オペレーターが不正を行った場合でも、Plasmaはユーザーの資金が盗まれるのを防ぐことができます。

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Rollupsソリューションの探索を開始しました

3.3.3 技術原則

プラズマの核となる考え方:

• 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にMerkle Rootを提出します
• 退出メカニズム:ユーザーはMerkle Proofを通じて資金を引き出すことができます

Plasmaの主なプロセス:

1. ユーザーがメインネットに資金を入金する
2. ユーザーはPlasmaチェーン上で取引します
3. オペレーターは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します。
4. ユーザーはMerkle Proofを使用してPlasmaチェーンから退出できます。

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

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
• メインネットのセキュリティを継承する

短所：

• 複雑な退出メカニズム
• データの可用性の問題
• 大規模な退出は混雑を引き起こす可能性があります
• 限られたスマートコントラクト機能

3.3.5 アプリケーション

主要アプリケーションには、

1.プラズマグループ:後にオプティミズムに変わり、オプティミスティックロールアップ研究に焦点を当てています

2. OMG Network:後にBoba Networkに改名され、Optimistic Rollupソリューションに切り替えられました

3. ポリゴン: Plasmaチェーンを提供し、その後重心をRollup技術に移行する

3.3.6 サマリー

Plasmaは、技術的制約により広く採用されていない移行技術ソリューションです。多くのプロジェクトはその後、Rollupソリューションに移行しました。

3.4 ロールアップ

3.4.1 まとめ

Rollupsの核心的な考え方は、計算と状態の保存をオフチェーンに置き、オンチェーンでは状態のコミットと圧縮された取引データを保存することです。主にOptimistic RollupsとZK Rollupsの2つのカテゴリに分かれます。

3.4.2 技術原則

ロールアップの主な技術的特徴:

• オフチェーン仮想マシン:取引計算と状態変更を完了する
• 取引圧縮:デプスデータ量を減らす
• ステータスコミットメント: 定期的にメインネットにステータスルートを提出する
• データ可用性:取引データはメインネットのcalldataに保存されます

Rollups取引コスト = L1データストレージコスト + L2計算処理コスト

! 10,000語の詳細な調査レポート:オフチェーンスケーリングの包括的な分析

3.4.3 長所と短所

価値：

• 高スループット
• 取引手数料が安い
• メインネットの安全性を継承する
• 信頼を置かない

短所：

• 出金の遅延