オフチェーン拡張デプス解析

著者：エレイン・シュー、ヘッティ・ジャン、ジュン・ワン、ワロン・リン、イリュウ・リン

1. スケーリングの必要性

ブロックチェーンの未来は壮大なビジョンです：分散化、安全性、そしてスケーラビリティ。しかし、通常ブロックチェーンはこのうちの2つしか実現できず、これら3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な三角問題」と呼ばれています。長年にわたり、人々はこの課題を解決する方法を模索してきました。分散化と安全性を確保しつつ、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、すなわち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で議論されているホットなトピックの1つです。

まず、ブロックチェーンの分散化、安全性、スケーラビリティをざっくりと定義しましょう：

• 分散型：誰でもノードになり、ブロックチェーンシステムの生成と検証に参加できます。ノードの数が多いほど、分散の程度が高まり、ネットワークが少数の大規模な集中型参加者に支配されないようにします。
• 安全性：ブロックチェーンシステムの制御を得るためにかかるコストが高いほど、安全性が高くなり、そのため、チェーンはより多くの参加者による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、スケーリング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リング問題で意見が分かれ、一方はBitcoin ABCを代表とするブロック拡大支持派、もう一方はBitcoin Coreを代表とする小ブロック派で、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した。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稼働させ、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セキュリティと分散化を確保するために、ある程度のスケーラビリティ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限定しているわけではなく、単一のブロックに収容可能な燃料費の上限を設定する方向に変わりましたが、目的はTrustless Consensusを実現し、ノードの広範な分布を確保することです。(上限を解除するか引き上げるかにかかわらず、多くの帯域幅、ストレージ、および計算能力が不足している小さなノードは淘汰されます。)

2017年のCryptoKitties、DeFi夏、そしてその後の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需要は増加し続けていますが、チューリング完全なイーサリアムでも毎秒15〜45件の取引(TPS)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Dappsが運営コストを負担できなくなっています。全体のネットワークはユーザーにとっても遅くて高価になり、ブロックチェーンのスケーラビリティ問題は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、分散化とセキュリティ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取引速度(の短縮、ファイナリティ時間)の短縮、そして取引スループット(の向上を可能にすることです。

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2. スケーリングソリューションの種類

私たちは「メインネットのレイヤー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す。

) 2.1 チェーン上のスケーリング

コアコンセプト：層の主ネットワークプロトコル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。

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：

• 方案一はブロックスペースを拡大することで、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、これにより高性能ノードデバイスへの要求が高まり、ノードの参加障壁が上がり、"分散化"の程度が低下します。
• プラン二はシャーディングであり、ブロックチェーンの帳簿をいくつかの部分に分割し、各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、すなわち異なるノードが異なる記帳を担当します。並行計算により、複数の取引を同時に処理できます。このようにして、ノードの計算負担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ます。しかし、これは全体のネットワークの計算能力が分散することを意味し、ネットワーク全体の「セキュリティ」が低下する可能性があります。

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、基盤となるわずか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に深刻な脅威をもたらすからです。ネットワークはフォークや中断修復のアップグレード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Bitcoin 0.11.2バージョンのコードを基に修正されています。2018年、あるエンジニアがその基盤コードに高リスク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できるという問題です。その後、チームは8か月間秘密裏に修正作業を行い、脆弱性が修正された後に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せずに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。

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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、閉じている、または紛争を解決しているときにのみ、ユーザーがメインネットとインタラクションする必要があり、ユーザー間のインタラクションをオフチェーンで行うことで、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。

ステートチャンネルはシンプルなP2Pプロトコルであり、"ターンベースのアプリケーション"に適しています。例えば、2人の国際チェスゲームです。各チャン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、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、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###。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デプロイした後、資金を預けてロックし、双方が署名して確認した後、チャンネルは正式に開通します。チャンネルは参加者間で無制限のオフチェーン無料取引を可能にします(、彼らの送金の純資産が預けられたトークンの総額を超えない限り)。参加者は交互にステータスの更新を相手に送信し、相手の署名確認を待ちます。一旦相手が署名確認を行うと、そのステータスの更新は完了と見なされます。通常、双方が合意したステータスの更新はメインネットにアップロードされず、争いが発生したりチャンネルが閉鎖される場合にのみ、メインネットの確認が必要です。チャン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上で取引リクエストを提出できます。もし退出リクエストが全員一致で署名承認されれば、チェーン上で即座に実行され、スマートコントラクトはチャンネルの最終状態に基づいて各参加者の残高を分配します。もし他の参加者が署名承認しなければ、全員は"チャレンジ期間"の終了を待って残りの資金を受け取る必要があります。

以上のように、ステートチャン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しました。
• 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、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概念の一つのサブケースであると提案しました。
• 2016/01、ジョセフ・プーンとサディウス・ドライジャが正式にホワイトペーパー《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》を発表し、ビットコインのライトニングネットワークのスケーラビリティソリューションであるPayment Channel)支払いチャネル###を提案しました。このソリューションは、ビットコインネットワーク上の送金処理のためにのみ使用されます。
• 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年に、Counterfactualは、State Channelsに完全に関連する最初の設計であるGeneralized State Channelsの非常に詳細な設計を提案しました。
• 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はファストアイソモーフィックチャネルを提案しました。

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(# 3.1.3 技術原則

ステートチャネルの一般的なワークフローは次のとおりです:

1. アリスとボブは、個人のEOAから資金をオンチェーン契約アドレスに預け入れることによって、これらの資金は契約内にロックされ、チャネルが閉じられるまでユーザーに残高が返されることはありません；二人が署名して確認した後、二人の間のステートチャネルが正式に開通します。

2. アリスとボブは、このチャネルを通じて理論上オフチェーンで無制限に取引を行うことができ、参加者は暗号化された署名メッセージで相互に通信)し、ブロックチェーンネットワークとは通信しません###。両者のユーザーは、二重支払いの悪用を防ぐために、各取引に署名する必要があります。これらのメッセージを通じて、彼らは自分のアカウントの状態更新を提案し、相手が提案した状態更新を受け入れます。

3. アリスがボブとの取引を終了するためにチャネルを閉じたい場合、アリスは契約に自分のアカウントの最終状態を提出する必要があります。ボブが署名を承認すれば、契約は最終状態に基づいてロックされた資金を対応するユーザーに返還します。ボブが署名に応答しない場合、契約はチャレンジ期間が終了した後にロックされた資金を対応するユーザーに返還します。

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(# 3.1.4 メリットとデメリット

価値：

• 取引速度が速く、ほぼ瞬時に確認されます。
• 取引手数料が極めて安い
• 高スループット、理論的に取引数量に制限なし
• プライバシー性が高く、最終状態のみがオンチェーンされる

短所：

• 資金をロックする必要があります
• すべての参加者はオンラインでいる必要があります
• 通道の容量は限られています
• 通道の開設と閉鎖には手数料がかかります
• 複雑なスマートコントラクトは実現が難しい
• 流動性の問題

)# 3.1.5 アプリケーション

ビットコイン・ライトニングネットワーク

概要： ライトニングネットワークはビットコインネットワークの小額決済チャネルであり、その全体的な技術進化は次のように進んできました: 2/2 マルチシグによる一方向決済チャネルの構築、RSMCの追加により双方向決済チャネルの構築、さらにHTLCを追加することで決済チャネルを多人数決済に拡張し、最終的に決済ネットワークであるライトニングネットワークを構築します。オフチェーンの小額決済チャネルを通じて、中間者を介して取引ネットワークを構成することで、ビットコインネットワークのスケーラビリティの問題を解決できます。ライトニングネットワークの全体的な使用は「預金###チャネルの構築###→ ライトニングネットワーク取引(チャネル状態の更新)→ 返金/決済(チャネルの終了)」というプロセスに従います；理論的には、ライトニングネットワークは毎秒100万件の取引を処理できるとされています。

タイムライン:

• 2015年2月、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の草案を発表しました
• 2016年1月に正式版ホワイトペーパーを発表し、Lightning Labsを設立しました
• 2018年3月15日、Lightning Labsは最初のライトニングネットワークメインネットバージョンLightning Network Daemon (LND) 0.4バージョンをリリースしました。
• 2021年初、ライトニングネットワークの公共容量(TVL)は約4000万ドルで、約10万人未満のユーザーがライトニングネットワークを使用していた。
• 2021年6月、エルサルバドルはビットコインを法定通貨として採用すると発表し、9月にライトニングネットワークに基づくウォレットChivoを発表しました。
• 2022年、Cash App と OKX、Kraken、Bitfinex を含む 26 の暗号通貨取引所がライトニングネットワークのサポートを発表し、即時かつ低コストの BTC の入出金および送金機能を実現しました。
• 2022年10月、Lightning LabsはTaprootに基づく新しいプロトコル——Taro protocol(アルファ版)を発表しました。現在、テストネットでテスト中で、将来的にはビットコインネットワーク上で資産を鋳造、送信、受信するために使用でき、ライトニングネットワークを通じて行われます。