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、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な三角問題と呼びます。長年にわたり、人々は分散化と安全性を確保しながら、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性、安全性、及びスケーラビリティの定義:

• 非中央集権: 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る。ノードの数が多いほど、非中央集権の度合いが高くなる。
• 安全性:ブロックチェーンシステムの制御権を取得するためにかかるコストが高いほど、安全性が高くなります。
• 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、スケーラビリティの問題に起因しています。イーサリアムネットワークもまた、一部のスケーラビリティを犠牲にして、ネットワークの安全性と分散化を保障することを選択しました。2017年から、市場のスループットの需要は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ず、取引コストが増加し、決済時間が長くなっています。理想的なスケーラビリティの解決策は、分散化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. スケーリングソリューションの種類

"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はオンチェーンスケーリングとオフチェーンスケーリングの2つの大きな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:メインネットプロトコルのレイヤーを変更することによってスケーラビリティを達成するソリューション、主なソリューションはシャーディングです。

主要プラン:

• ブロックスペースの拡大: 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、非中央集権性が低下する。
• 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、取引処理速度を向上させることができますが、ネットワーク全体のセキュリティが低下します。

レイヤー1のメインネットプロトコルを変更することは、予測不可能な悪影響をもたらし、ネットワーク全体のセキュリティを脅かす可能性があります。

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。

Layer 2とその他のソリューションに細分化できます:

• Layer 2:主鎖の上に構築されたセカンドレイヤーネットワーク
• 他の方案: サイドチェーンなど

! 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 ステートチャンネル

3.1.1 まとめ

ステートチャネルは、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相互作用する必要があることを定めています。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、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、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、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、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、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State Channelの概念を体系的にまとめる
• 2016/01: 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が正式に発表されました
• 2017/11: State Channel初のデザイン仕様であるSpritesを発表
• 2018/06: Counterfactual が一般化状態チャネルの詳細設計を提示
• 2018/10: State Channel NetworksとVirtual Channelsの概念が提案される
• 2019/02: N-Party Channelsの概念が登場し、Nitroはそのアイデアに基づく最初のプロトコルです。
• 2019/10: Pisaが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がファストアイソモルフィックチャネルを提案

! 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

3.1.3 技術原則

ステートチャンネルのワークフロー:

1. ユーザーはオンチェーン契約に資金を預け、通路を開通します。
2. ユーザーはオフチェーンで取引を行い、署名されたメッセージを通じて相互に通信します。
3. チャネルを閉じるとき、契約に最終状態を提出します。
4. 争議がない場合、契約は最終的な状態に基づいて資金を配分します。
5. 争議がある場合、チャレンジ期間に入り、契約仲裁が行われます。

! 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：

• 即時取引確認
• 高スループット
• 低料金
• プライバシー性が良い

短所：

• 資金をロックする必要があります
• チャネル閉鎖遅延
• 複雑なアプリケーションをサポートするのが難しい
• ユーザーはオンラインで監視する必要があります

3.1.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

• ビットコイン・ライトニングネットワーク:小額決済チャネルネットワーク
• イーサリアムライトニングネットワーク: ライトニングネットワークに似たイーサリアムのスケーリングソリューション
• Celer Network:インセンティブ層を追加した状態チャネルネットワーク

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:

• 发展が早く、エコシステムが成熟している
• BTCの支払いのみサポート

イーサリアムライトニングネットワーク:

• ETHとERC20の送金をサポート
• 発展が遅く、使用率が低い

セレネットワーク:

• 一般的なアプリケーションシーンをサポート
• トークンインセンティブの増加、エコシステムの発展が速い

! 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、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あり、より複雑な契約やコンセンサスメカニズムを改善することができます。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
• 2017/04:POA Networkテストネットがオンラインになりました
• 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:Skale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メインネットローンチ
• 2020/06:Matic PoS Chainメインネットのローンチ
• 2021/02:Axie InfinityサイドチェーンRoninメインネット運営
• 2021/12: xDai ChainがGnosis Daoと合併
• 2022/03: POA NetworkはGnosis Chainに統合

! 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

3.2.3 技術原則

サイドチェーンには主チェーンと通信する主に二つの方法があります:

• 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が互いの状態を記録する
• 非調和なアンカリング:サイドチェーンのバリデーターがメインチェーンを監視し、メインチェーンは認証者を導入することで通信を実現する

サイドチェーンメカニズム: サイドチェーン:メインチェーンで資産をロックし、サイドチェーンで等価の資産を生成する メインチェーン: サイドチェーンで資産を破棄し、メインチェーンで資産をロック解除する

サイドチェーン資産の安全性は、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：

• 高度カスタマイズ可能
• 複雑なスマートコントラクトをサポート
• 迅速な取引確認が可能

短所：

• 分散化が少ない
• セキュリティはバリデーターに依存します
• 双方向転送の高遅延

3.2.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

• xDai チェーン(現在Gnosis チェーン):DAIに基づくサイドチェーン
• Polygon(前Matic Network):イーサリアム拡張ソリューションアグリゲーター
• Ronin: Axie Infinity ゲーミングサイドチェーン

3.2.6 アプリケーション比較

xDaiチェーン:

• 取引コストが低く、速度が速い
• エコシステムの発展は一般的です

ポリゴン:

• 複数のスケーリングソリューション
• エコロジーの発展が良好である

ロニン:

• ゲーム専用に設計されている
• 重大なセキュリティ事件に遭遇したことがある

! 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 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低下させ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。たとえオペレーターが悪事を働いても、ユーザーの資産は安全にメインネットに撤回できます。

3.3.2 タイムライン

• 2017/08:Plasmaホワイトペーパー発表
• 2018/01:プラズマMVP提案
• 2018/03:プラズマキャッシュ提案
• 2018/06:プラズマデビットが提案されました
• 2018/11:プラズマプライム概念提案
• 2019年から: イーサリアムコミュニティがロールアップの探索を始める

! 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

3.3.3 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の外で処理されます
• ステータスコミットメント: メルクルルートを通じてメインネット上でオフチェーン計算ステータスを確認
• 退出メカニズム:ユーザーは安全に資金をPlasmaチェーンからメインネットに引き戻すことができます

ワークフロー:

1. ユーザーは資産をメインネット契約に入金します。
2. Plasmaチェーンで取引を行う
3. オペレーターは定期的に状態ルートをメインネットに提出します
4. ユーザーはいつでも退出リクエストを開始できます
5. チャレンジ期間を経て、メインネット契約から資産を引き出すことができます

! 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
• 低料金
• セキュリティが高い

短所：

• 出口時間が長い
• ユーザーはオンチェーンの状態を監視する必要があります
• 複雑なアプリケーションをサポートするのが難しい

3.3.5 アプリケーション

主なアプリケーション:

• プラズマグループ:後に楽観主義に変身
• OMGネットワーク: Bobaネットワークへの転換
• ポリゴン:様々なスケーリングソリューションを統合

3.3.6 サマリー

Plasmaは技術的な移行ソリューションであり、いくつかの固有の問題があります。ほとんどのプロジェクトは試行後、Rollupsなどの他のスケーリングソリューションに移行しています。

3.4 ロールアップ

3.4.1 まとめ

Rollupsの核心思想は計算と状態のストレージをオフチェーンに置き、状態のコミットメントと圧縮された取引データのみをオンチェーンにすることです。RollupsはOptimistic RollupsとZK Rollupsの2種類に分けられます。

3.4.2 技術原則

ロールアップのしくみ:

1. ユーザーはLayer 2に取引を送信します
2. アグリゲーターが取引をパッケージ化して実行します
3. トランザクションバッチとステータスルートをLayer 1コントラクトに提出する
4. レイヤー 1 コントラクトでステータスを確認および更新

Rollupsの核心的な問題:取引バッチの正確性をどのように保証するか

二つのソリューション:

• 詐欺証明 → オプティミスティックロールアップ
• 有効な→ ZKロールアップの証明

! 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

3.4.3 メリットとデメリット

価値：

• Layer 1のセキュリティを継承する
• 高スループット
• 低料金

短所：

• データ可用性チャレンジ
• 出金時間が長い(オプティミスティックロールアップ)
• EVMの互換性の問題 (ZK Rollups)

3.4.5 オプティミスティックロールアップ

3.4.5.1まとめ

オプティミスティックロールアップ(OPRUs)は、オフチェーンでの実行の正確性を保証するために詐欺証明に依存しています。すべての取引が正しいと仮定し、争議がある場合にのみメインチェーンで検証を実行します。

3.4.5.2 タイムライン

• 2018/08:Arbitrumは取引を放置することを提案しました