Optimistic RollupsとZero-Knowledge Rollupsの違い

はじめに

暗号資産の需要拡大により、一部のブロックチェーンでは処理能力が限界に近づいています。その結果、ネットワークの混雑や高額な取引手数料が発生しています。こうした課題を解決するため、取引処理能力と速度を向上させるためのソリューションが開発・実験されています。これらのソリューションは、レイヤー1とレイヤー2の2種類に大別されます。

レイヤー1スケーリングソリューション（シャーディングなど）は、メインブロックチェーン（ベースブロックチェーンやレイヤー1ブロックチェーンとも呼ばれる）自体に直接変更を加えます。レイヤー2スケーリングソリューションは、レイヤー1ブロックチェーンの上で機能します。レイヤー2ソリューションには、ステートチャネル、サイドチェーン、ブロックチェーンロールアップなどがあります。

ブロックチェーンロールアップは、スループット向上とコスト削減を目的としたプロトコルです。取引を集約しデータサイズを圧縮することで、取引処理と保存の効率性を高めることを目指します。

ブロックチェーンロールアップとは

ロールアップは、取引データを集約し、メインブロックチェーンから切り離して処理するレイヤー2ソリューションです。取引の実行はオフチェーンで行われ、資産はブロックチェーン上のスマートコントラクトで管理されます。取引完了後、取引データはメインブロックチェーンに戻されます。

ロールアップは、スループット向上という観点で、あらゆるレイヤー1ブロックチェーンに理論上実装可能です。ロールアップの活用により、ブロックチェーンの一定期間内の処理・記録可能な取引数が増加します。

現在、ロールアップにはOptimistic Rollupとゼロ知識（zk）ロールアップの2タイプが存在します。

Optimistic Rollupとは

Optimistic Rollupは、複数の取引をバッチ化しオフチェーンで処理することで、実行可能な取引量を大幅に増やすプロトコルです。取引データは圧縮技術を使ってメインブロックチェーンに記録され、コストを抑えつつ処理速度を高めます。Ethereumの研究によれば、Optimistic Rollupはスケーラビリティを10～100倍向上させることが可能です。

Optimistic Rollupの取引検証方法

取引は原則として有効と見なされ、処理効率が高まります。セキュリティの低下が懸念されるかもしれませんが、Optimistic Rollupにはフラウドプルーフ（不正証明）付きの紛争解決期間が設けられています。この期間中、誰でもロールアップを監視し、不正証明を通じて取引検証に異議を提出できます。

バッチ内に誤りがあれば、ロールアッププロトコルが誤取引を再実行し、ブロックを更新して修正します。不正な取引を承認した関係者にはペナルティが科されます。

Optimistic Rollupの制約

取引が事前に検証されないため、Optimistic Rollupはzkロールアップと異なり紛争解決期間が必要となり、取引の完了までに時間がかかります。

Optimistic Rollupを導入したブロックチェーンの取引確定（ファイナリティ）は、zkロールアップ採用チェーンよりも長くなります。取引ファイナリティは、ユーザーが取引が取り消されないと合理的に確信できるまでの時間です。Optimistic Rollupでは、紛争解決期間が経過しなければ資金が引き出せません。一方、zkロールアップではスマートコントラクトによる有効性証明の検証後、即時に資金引き出しが可能です。

Optimistic Rollupはzkロールアップより効率が劣る場合もあります。Optimistic Rollupでは、取引ファイナリティのため、すべての取引データをオンチェーンで公開する必要がありますが、zkロールアップは有効性証明のみをオンチェーンに記録します。

ゼロ知識（ZK）ロールアップとは

ゼロ知識ロールアップは、取引をバッチ化してメインブロックチェーン外で実行するプロトコルです。バッチ内の取引が実行されると、zkロールアップオペレーターが必要な変更内容の要約を各バッチごとに送信します。オペレーターはまた、変更が正しいことを示す有効性証明（バリディティプルーフ）を作成する必要があります。これらの証明は取引データよりも小さく、検証も高速かつ低コストです。

Ethereumでは、zkロールアップは取引をcalldataとして書き込む際に圧縮技術でデータサイズを削減し、ユーザーの手数料負担を抑えます。

ZKロールアップの取引検証方法

zkロールアップはゼロ知識証明を使って取引を検証します。ゼロ知識証明では、プローバー（証明者）がベリファイア（検証者）に知識を持つことを伝え、取引の妥当性を証明します。

仕組みは次の通りです。

1. プローバーが自分だけが生成できる数学的証明を提示します。

2. ベリファイアがその証明を用いて取引の正当性を確認します。

3. ベリファイアは内容を知らなくても有効性証明を得ることができます。

ZKロールアップのメリット

正しく実装されれば、zkロールアップはユーザーに高いセキュリティを提供します。ゼロ知識有効性証明の活用がその要となります。ネットワークはこれらの証明によって有効な状態のみで動作し、オペレーターがユーザー資金を奪ったりシステムを損なうことはできません。

また、zkロールアップではユーザーがネットワークを監視する必要がありません。すべてのデータがブロックチェーン上に記録され、有効性証明が必須で、オペレーターが不正を行う余地がありません。さらに、オペレーターとやり取りすることなくメインネットへ資金を引き出せ、データ可用性によってトークンの保有証明も可能です。

zkロールアップもOptimistic Rollupと同様に、メインブロックチェーン外で取引を実行し、処理速度を向上させます。

ZKロールアップとOptimistic Rollupの違い

Optimistic Rollupとゼロ知識ロールアップは、レイヤー2スケーリングにおける異なるアプローチであり、それぞれに特有のトレードオフがあります。

取引検証：Optimistic Rollupは取引を基本的に有効と見なし、フラウドプルーフで検証します。zkロールアップは暗号学的なゼロ知識証明で全取引を事前に検証します。

紛争解決：Optimistic Rollupは取引確定前に紛争解決期間（通常7日）が必要ですが、zkロールアップは証明が検証されると即時にファイナリティを得ます。

データ要件：Optimistic Rollupはすべての取引データをオンチェーンに公開する必要があるのに対し、zkロールアップは小型の有効性証明のみで済み、データコストが抑えられます。

ユーザーの引き出し速度：Optimistic Rollupは紛争期間終了まで引き出しが遅延しますが、zkロールアップは即時に処理されます。

計算複雑性：ゼロ知識証明の生成は計算負荷が高く、zkロールアップの実装は複雑ですが、Optimistic Rollupはロジックが簡単な分、ファイナリティに時間を要します。

セキュリティモデル：どちらも暗号的に安全ですが、フラウドプルーフと数学的証明という異なる仕組みを持ちます。

ゼロ知識ロールアップとOptimistic Rollupの今後

ゼロ知識ロールアップとOptimistic Rollupは今後も期待されています。暗号資産やブロックチェーン技術の普及とともに、これらのソリューションはブロックチェーンの効率向上にますます重要な役割を果たすでしょう。今後もシャーディングやロールアップ、レイヤー0ソリューションなど多様なスケーリング手法の検証が続き、ロールアップと並行または代替となる新たなソリューションが生まれる可能性もあります。

まとめ

暗号資産の需要が拡大し、現行ブロックチェーンの限界が試される中、多くの開発者がさまざまなスケーリングソリューションを生み出しています。本記事ではOptimistic Rollupとzkロールアップの違いを解説しました。今後もロールアップ技術の検証と改良が進み、より優れたバリアントが登場することで、暗号資産の大規模普及に不可欠なスケーラビリティが実現するかもしれません。

FAQ

Optimistic Rollupとゼロ知識ロールアップの基本的な違いは？

Optimistic Rollupは取引を原則有効とし、異議があれば検証します。ゼロ知識ロールアップは暗号学的証明で有効性が示されるまで取引を無効とみなします。Optimistic Rollupは処理効率が高く、ZK-Rollupはプライバシーとセキュリティに優れています。

Optimistic Rollupとゼロ知識ロールアップはどちらが速く安価ですか？

Optimistic Rollupは取引コストが低く処理も速いですが、ファイナリティまでに時間がかかります。ゼロ知識ロールアップはファイナリティが早い反面、計算資源を要し、初期コストが高めです。

ゼロ知識ロールアップのセキュリティはOptimistic Rollupと比較してどうですか？

ゼロ知識ロールアップは数学的な暗号証明によって高いセキュリティを提供します。一方、Optimistic Rollupはチャレンジ期間と不正証明に依存するため、ZK Rollupの方が本質的に安全性が高いとされています。

Optimistic Rollupのチャレンジ期間とは？

チャレンジ期間は、Optimistic Rollupでバリデーターが取引に異議を申し立てることができる7日間の期間です。システムは全取引を有効と見なしますが、この期間中に不正を防止するための異議申し立てが可能です。

Optimistic RollupとZK Rollupを採用するプロジェクト・アプリケーションは？

Optimistic RollupはOptimismやArbitrumで、ZK RollupはzkSync、StarkNet、Polygon zkEVMで利用されています。どちらもDeFiやゲームなどで高速かつ低コストの取引を実現しています。

ゼロ知識ロールアップでのゼロ知識証明の仕組みは？

ゼロ知識証明は、証明者が取引の詳細を明かさず有効性を証明する技術です。取引はオフチェーンでバッチ処理され、暗号証明に圧縮され、オンチェーンでは証明のみが検証されます。これによりプライバシーを保ちつつセキュリティとスケーラビリティが確保されます。

Optimistic Rollupにフラウドプルーフ（不正証明）が必要な理由は？

Optimistic Rollupは全取引を原則有効とし、異議があれば検証します。フラウドプルーフにより誰でも不正取引を証明でき、バリデーターの誠実な行動を促し、経済的なセキュリティでネットワークを守ります。

ゼロ知識ロールアップの主なメリット・デメリットは？

メリット：取引の高速化、コスト削減、レイヤー1への迅速な資金引き出し。デメリット：技術的な複雑さ、計算負荷の高さ、取引スループットの制限があります。

サイドチェーンなど他のスケーリング手法と比べたレイヤー2ロールアップの強みは？

レイヤー2ロールアップはレイヤー1のセキュリティを活かし、サイドチェーンよりも低コストかつ速いファイナリティを実現します。メインチェーンでの強力な決済保証を維持しつつ、スケーラビリティを大幅に高めます。

Optimistic RollupとZK Rollupの将来的な展開は？

Optimistic RollupとZK Rollupは今後も共存し、補完し合いながら発展します。Optimistic Rollupは高速処理と実装の容易さ、ZK Rollupは高いセキュリティとプライバシーに注力し、用途ごとに両技術が進化していきます。