導入

2015年にイーサリアムが導入され、ブロックチェーン技術の進化における重要な節目となり、革新と分散型ソリューションのプラットフォームを提供しました。しかし、イーサリアムの人気が高まるにつれて、拡張性と高いガス手数料が難題となりました。これらの障壁にもかかわらず、イーサリアムは、分散化やセキュリティを犠牲にすることなく、極端な拡張性を追求し続けています。

Ethereumのスケーリングソリューションとスケーラビリティ、セキュリティ、分散化の微妙なバランスに掘り下げるには、ブロックチェーンの三すくみという基本的な概念を理解することが重要です。この記事では、オンチェーンおよびオフチェーンアプローチを含むスケーリングソリューションの多様な景観を探求し、Roll-upソリューションに焦点を当てています。楽観的およびゼロ知識のRoll-upを比較することで、この記事は各アプローチの微妙なトレードオフと利点を明らかにし、Ethereumの将来とブロックチェーンエコシステム全体に与える影響に光を当てています。

ブロックチェーンの三位一体

ブロックチェーンの3つの主要な機能は、スケーラビリティ、セキュリティ、および分散化です。

セキュリティ

これは、ネットワークを攻撃から守り、すべての取引が安全で改ざんされないことを確認することを意味します。

分散化

これは、ネットワークの制御を分散させ、1つのエンティティがあまりにも多くの権力を持たないようにすることを指します。1つの中央機関ではなく、多くのノードによって運営されるネットワークを持つことに関するものです。

スケーラビリティ

ネットワークが成長するにつれて、大量の取引を迅速かつ効率的に処理する能力です。

ソース:イーサリアム

これらの目標を同時に達成できないブロックチェーンのことを「ブロックチェーントリレンマ」と呼びます。1つを向上させると他を犠牲にすることが多く、このトリレンマは技術の普及と潜在性を厳しく制限すると考えられています。例えば、より分散化の度合いが高い（多くの人が責任を持つ）と、トランザクションについてより多くのノードが合意する必要があるため、スケーラブル性の低いネットワークとなり、トランザクションが遅くなります。しかし、スケーラビリティが高まると（トランザクションが速くなると）、必然的に「分散化」を減らす必要が生じる可能性があり、これはセキュリティに影響を与える可能性があります。厳格な規制とノード数の減少は、トランザクションの遅延とより中央集権化を引き起こす可能性があり、セキュリティが最優先される場合、ネットワークのスケーラビリティと分散化が制限される可能性があります。

スケーリングソリューション：オンチェーンおよびオフチェーン

オンチェーンスケーリングのプロセスは、元々シャーディングを通じてスケーラブルであることが意図されていたEthereumのレイヤー1メインネットプロトコルの修正を行うことを意味します。Ethereumブロックへのより安価なデータの添付を利用することで、レイヤー2のロールアップが主要なスケーリング技術として台頭しています。

オフチェーンのスケーリングソリューションは、一方で、イーサリアムのレイヤー1に依存せず、プロトコルの変更も必要としません。これらは、イーサリアムのメインネット外でトランザクションを処理することでスケーラビリティを確保し、セキュリティをイーサリアムのコンセンサスから直接取得するか、独立したチェーンを介して取得します。サイドチェーン、ステートチャネル、プラズマ、バリディウム、ロールアップなどがこれらのレイヤー2ソリューションの一部です。

ロールアップスケーリングソリューション

ソース：DappRadar

イーサリアムで保護されたロールアップは、オフチェーンでトランザクションを処理および検証し、その後トランザクションの簡略化された要約をメインネットに送信することで、イーサリアムのスケーラビリティを向上させます。その結果、イーサリアムL1メインネットはより少ないデータと計算を処理しており、ネットワークの速度が向上し、トランザクションコストが低下しています。

エントリーと出口

出口と入口は、イーサリアムとレイヤー2（L2）スケーリングソリューションの間で資金を移動するプロセスです。

• エントリー: L2 ソリューションを使用するには、ユーザーはイーサリアム上のスマートコントラクトに資金を預ける必要があります。これにより、引き出すまでそれらがロックされます。
• 出口：ユーザーは、L2ソリューション上の残高を証明するためにスマートコントラクトに証拠を提出し、それによってイーサリアムアドレスに資金を返金する必要があります。異なるL2ソリューションには、ゼロ知識証明または不正証明など、トランザクションを証明および検証する異なる方法があります。これらの方法は、出口と入口の速度、コスト、およびセキュリティに影響を与えます。

ゼロ知識（ZK）および楽観的ロールアップの理解

ゼロ知識（ZK）と楽観的ロールアップは、イーサリアムのスケーリングソリューションの2つのカテゴリーです。

ゼロ知識ロールアップ

ゼロ知識ロールアップ、通称ZKロールアップは、すべての取引がゼロ知識証明（ZKP）を介して有効であることが証明されるまで偽物であると仮定します。これは楽観的な対照的なものとは鮮明に異なります。ここでは、検証者は取引が本物であることを証明しますが、取引の詳細を公開することなく行います。これは、イーサリアムに有効性証明を投稿することで行われ、オンチェーンの取引データの必要性をなくします。ゼロ知識ロールアップの例には、Starknet、zkSync、およびLoopringがあります。

ソース：ネルボス

Zero-Knowledge Roll-upsの主な特長

ゼロ知識証明

これは、 '証明者'が '検証者'に真実を証明することを可能にする方法ですが、その文が真実であるという事実を超えて情報を明らかにすることなく、主張を検証する際のプライバシーとセキュリティを確保します。

ZK-SNARKs（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）

プロトコルは、その他の何も知らなくても、文の整合性を検証することを可能にします。それは簡潔で非対話型であり、証拠は小さく、検証は素早く行われ、1回のやりとりだけが必要です。

ZK-STARKs（ゼロ知識スケーラブル透過性知識の主張）

ZK-SNARKsに類似していますが、スケーラブルで透明性が高く、大規模なデータセットに対してより速く、信頼されるセットアップの必要がなく、より大きな証明を生成します。

ゼロ知識ロールアップの仕組み

1. ユーザートランザクションの提出：ユーザーは、彼らの秘密鍵で署名してそれらを取引をイニシエートします。これらの取引はZK-rollupオペレータに提出されます。

2. オペレーター処理：オペレーター、シーケンサーまたはバリデーターは、ユーザートランザクションを受信します。シーケンサーはトランザクションをオフチェーンで実行し、それらをバッチに集約し、定期的にこれらのバッチをEthereumのブロックチェーンに提出します。バリデーターはステークサイズに基づいて新しいバッチを提案し、プルーフオブステークのセットアップでトランザクションを処理します。

3. バッチ圧縮と送信：イーサリアムに送信する前に、オペレーターはトランザクションデータを圧縮して減らしますコールデータこの圧縮されたデータは、その後、Ethereumトランザクションに含まれ、ZK-rollupスマートコントラクトに送信されます。

4. オンチェーンコミットメント：Ethereumのスマートコントラクトは、バッチデータを受け取り、その整合性を検証します。新しい取引でロールアップの状態ツリーを更新し、この更新された状態のMerkleルートを格納します。

5. Zero-Knowledge Proof Generation: ZK-roll-upオペレーターは、各バッチに対してゼロ知識証明を生成します。これらの証明は、機密情報を明かさずに状態遷移の正当性を暗号的に証明します。

6. 証明書の提出：オペレーターはゼロ知識証明をEthereumの検証者契約に提出します。この契約は証明を検証し、提案された状態遷移が有効であることを確認します。

7. ステートルート更新：ゼロ知識証明の正常な検証後、Ethereumのスマートコントラクトは、最新のトランザクションのバッチから計算された新しいMerkleルートでロールアップのステートルートを更新します。

8. ユーザーインタラクション：ユーザーは、アセットをEthereumに入金し、取引を開始し、資金を引き出すことでZK-rollupと対話できます。入金はアセットをロールアップ契約に送信することで行われ、引き出しは契約に必要な証明を提出することで行われます。

9. 検証と実行：ロールアップ契約は引き出しリクエストを検証し、それが有効で必要な証拠によって裏付けられていることを確認します。検証が完了すると、契約は引き出しを実行し、資産をユーザーが指定したアドレスにイーサリアムのメインネットに送金します。

Zero-Knowledge Roll-upsの利点

• 検証証明：ZKロールアップは、オフチェーン取引の正確性を検証するために検証証明を使用し、オペレータが無効な状態遷移を実行するのを防ぎ、より速い最終性を提供します。
• データ圧縮：ZKロールアップは圧縮技術を使用して、チェーン上に掲示されるデータ量を削減し、ユーザーの手数料を低く抑え、ロールアップのスケーラビリティを向上させることができます。
• 即時引き出し：ZKロールアップを使用すると、出口トランザクションがL1で検証された後、L2からL1への資金引き出しが遅延なく実行されます。

ゼロ知識ロールアップの欠点

• プルーフの生成と検証：ZKロールアップでは、妥当性の証明を生成および検証するために複雑な暗号技術とエンジニアリングが必要であり、これによりロールアップの運営者やユーザーにとってコストと課題が増大する可能性があります。
• EVM互換性：ZKロールアップはEVMと容易に互換性がないため、ロールアップ上の汎用スマートコントラクトや既存のDappsやツールをサポートすることが難しいです。
• 中央集権化のリスク：ZKロールアップは、妥当性の証明を生成するには専門のハードウェアと専門知識が必要であるため、ロールアップの中央集権化を少数の当事者に促すかもしれません。

ゼロ知識ロールアップのユースケース

ゼロ知識（ZK）ロールアップは、特にプライバシー、スケーラビリティ、セキュリティのバランスが必要なさまざまなユースケースに非常に適しています。以下は、ゼロ知識ロールアップのいくつかのユースケースです。

分散型アイデンティティ検証

ZK-roll-upsは、機密情報を明らかにせずに個人の身元を確認することができます。このプライバシー保護機能は、安全な認証とユーザー管理に貴重です。

プライバシー保護取引

ブロックチェーンノードは、トランザクションデータに直接アクセスせずにトランザクションを検証できます。ZKロールアップは、機密性を保持しながら効率的な転送を可能にします。セキュリティを維持します。

投票システム

投票システムは、一般的な結果の検証を許可しながら、選挙での匿名性と整合性を確保する必要があります。

オプティミスティック・ロールアップ

楽観的ロールアップは、取引をオフチェーンに移動し、データのみをチェーンに掲示することでEthereumのスケーリングを実現します。オフチェーン取引が正当であると仮定し、確認せずに信頼します。ただし、楽観的ロールアップは、オフチェーン取引のエラーや不正を検出するために詐欺証明を使用します。最も人気のある楽観的ロールアップは、ArbitrumとOptimismです。

チャレンジ期間は、ロールアップバッチがイーサリアムネットワークに提出された後に来る時間です。この期間中、誰でもロールアップトランザクションの有効性を争うことができます。チャレンジ期間後、ロールアップバッチはチャレンジされない場合にイーサリアムで有効と見なされます。一方、不正証明が成功した場合、プロトコルはトランザクションを再実行し、シーケンサーをペナルティを科します。

ソース:Nervos.org

オプティミスティックロールアップの動作原理

1. ユーザー主導のトランザクションの提出：楽観的ロールアップネットワークでは、ユーザーがトランザクションを開始します。シーケンサーまたはオペレーターは、このトランザクションを受信します。

2. 取引の集約とオンチェーンの提出：オペレータはこれらの個々の取引をすべてブロックにまとめ、データのサイズを圧縮してバッチを作成し、処理の準備が整った取引の集まりを作成します。その後、オペレータはこれらの取引のバッチをEthereumネットワークに送信します。このプロセスで取引データがパッケージ化され、Ethereumにコールデータとして投稿されます。

3. イーサリアム上のデータ可用性：イーサリアムは、そのブロックチェーン上のコールデータ内に投稿/送信されたトランザクションデータを記録します。これにより、将来の参照のためにトランザクションデータを利用できるようになります。

4. ステート遷移とコミットメント: 楽観的ロールアップネットワークのバリデーター、またはシーケンサー場合によっては、オフチェーンに保存されているロールアップチェーンの現在の状態を使用して取引を実行します。彼らは取引の妥当性を検証し、それに応じてロールアップの状態を更新します。取引を処理した後、オペレーターは新しい状態のロールアップチェーンにコミットし、新しい状態ルートを生成します。このルートはハッシュ化され、ロールアップの最新の状態を参照するためにチェーン上に保存されます。

5. 詐欺検知と詐欺証明：検証者はロールアップチェーンを監視することで、自身の実行された状態とオペレータの提案された状態との間の違いに注意を払います。検証者は不一致を見つけた場合、ロールアップブロックの妥当性を争うために挑戦を行うことがあります。挑戦が発生した場合、検証者は詐欺証明をイーサリアムに提供することができ、ロールアップブロックの不一致を示します。これらの証拠は不正行為の証拠となり、不誠実なオペレータに対するペナルティを引き起こします。

6. 仲裁と解決：イーサリアムは紛争解決プロセスにおける仲裁者です。イーサリアムは挑戦者が提供した詐欺証拠を評価し、詐欺行為が確認された場合にはオペレーターに対してペナルティを科します。

7. 最終的で決着: Ethereum上でロールアップブロックが受け入れられると、それは最終的になり、それに含まれる取引は決済され、不可逆的と見なされます。この決済により、楽観的なロールアップネットワーク上の取引の信頼性がユーザーに提供されます。

Optimistic Roll-upsの利点

• EVM互換性：楽観的ロールアップは、Ethereumで実行できるすべてのスマートコントラクトやトランザクションをサポートできるため、既存のdAppsやツールと簡単に統合できます。
• 低レイテンシ：オプティミスティック・ロールアップは、高速な取引確認時間を提供します。ユーザーはL1で有効性証明を待つ必要がないためです。
• 高いスループット：楽観的ロールアップは、計算をオフチェーンに移動し、トランザクションデータのみをチェーンに投稿することで、秒間数千件のトランザクションを処理できます

Optimistic Roll-upsの欠点

• 詐欺証拠：楽観的なロールアップは、オフチェーン取引の正確性を保証するために詐欺証拠に依存しており、L1で実行するには困難な期間と追加のガスコストが必要です。
• データの利用可能性：楽観的なロールアップは、L1上でのトランザクションデータの利用可能性に依存しており、ネットワークの混雑や悪意のある行為によって影響を受ける可能性があります。
• 出金の遅れ：オプティミスティックロールアップは、L2からL1への資金引き出しに待機期間を課すため、ロールアップの設計によって数時間から数日にわたることがあります。

オプティミスティックロールアップのユースケース

オプティミスティックロールアップは、信頼性とセキュリティを維持しながら、イーサリアムベースのアプリケーションのスケーラビリティ課題に対処し、さまざまな業界でさまざまなユースケースに最適なソリューションとなっています。これには、

分散型金融（DeFi）

オプティミスティックロールアップは、DeFiプラットフォームのトランザクションスループットを大幅に向上させ、貸出、取引、収益農業などのプロトコルとのやり取りをより速く、より安価に可能にします。

ゲーム

ゲームアプリケーションでは、リアルタイムの相互作用やゲーム内アクションの素早い確認が重要ですが、楽観的なロールアップは、セキュリティを維持しながらオフチェーンで取引を処理する方法を提供しています。

サプライチェーン管理

楽観的なロールアップは、大規模な取引をオフチェーンで処理することにより、Ethereumメインネットワーク上の混雑を軽減し、サプライチェーンプロセスを効率化することができます。これは、商品の追跡、正当性の検証、在庫管理に特に役立ちます。

本人確認

アイデンティティの検証とユーザープロファイルの管理は、楽観的ロールアップから利益を得ることができます。計算と状態の保存をオフロードすることで、これらのプロトコルはアイデンティティに関連する取引の効率を向上させることができます。

ゼロ知識（ZK）と楽観的ロールアップの比較

結論

Optimistic Roll-ups（楽観的ロールアップ）とZero-Knowledge Roll-ups（ゼロ知識ロールアップ）を比較することは、Ethereumのエコシステム内でのスケーラビリティとセキュリティへの微妙なアプローチを強調しています。楽観的ロールアップは取引速度と既存のEthereumインフラストラクチャとの互換性を重視していますが、ゼロ知識ロールアップはプライバシーの保護と暗号強度に優れています。両者のソリューションは、ブロックチェーン技術の重要な進歩を表しており、さまざまな用途に対応するユニークな利点とトレードオフを提供しています。

イーサリアムが進化し続けるにつれて、これらのロールアップソリューションを採用し改良することは、分散型ファイナンス、非代替性トークン、および他のブロックチェーンアプリケーションの未来を形作る上で重要な役割を果たします。このスケーリングソリューションの多様性を受け入れることは、イーサリアムがイノベーションと回復力に対するコミットメントを強調し、拡張性の課題を克服し、セキュリティと分散化の核心原則を守るということを裏付けています。